染料敏化太阳能电池

三、光电转换机理
太阳光照射到电池上，染料分子吸收太阳光 能量，使染料分子中的电子受激跃迁到激发态。 激发态的电子将会快速注入到TiO2导带中，染料 分子因失去电子变成氧化态。注入到TiO2导带中 的电子在TiO2膜中的传输非常迅速，可以瞬间到 TiO 达膜与导电玻璃的接触面并在导电基片上富集， 通过外电路流向对电极。处于氧化态的染料分子， 从电解质(I- /I3-)中的电子供体(I- ) 获得电子因而被 还原， 染料分子得以再生。(I- )失去电子后被氧 化生成（I3-），（I3-）在对电极表面获得电子， 被还原成 (I- )。从而完成一个光电化学反应循环， 也使电池各组分都回到初始状态。
国内的中科院等离子体物理研究所的郭力 等人[5]使用偏氟乙烯-六氟丙烯共聚物[P(VDFHFP)]胶凝3-甲氧基丙腈(MePN)基液体电解质 并制备成电池,获得了较高的光电转换效率 (6.61%).
• [5]郭力，戴松元，王孔嘉等.高等学校化学学报，2005，26（10），1934
六、聚合物胶凝离子液体
[5]郭力，戴松元，王孔嘉等.高等学校化学学报， 2005，26（10）:1934. [6]Wang P，Zakeeruddin S M，Comte P，et al.J Am Chem Soc，2003，125:1166-1167.
• • [3] Fei C,Gerko O, Peter C S.[J]. J Phys Chem,1995,99:17071-17073 [4]R Komiya, L Han, R Yamanaka, A Islam, T Mitate. J. Photochem. Photobiol. A-Chem., 2004,164: 123.
Peng Wang（EPFL）等人[6]用纳米SiO2 粉末作为凝胶剂，胶凝离子液体1-甲基-3-丙基 咪唑碘（MPII） 电解质或胶凝离子液体MPII 与3-甲氧基丙腈混合物（体积比13：7），得 到了离子液体基准固态电解质电池，在AM 1.5 (99.2 mW/cm2)光强下，电池光电转换效率分 别高达6.1%，7.0% 。
• • [1] O’Regan B.， Grätzel M. Nature 1991, 353：737. [2] Grätzel, M. J. Photochem. Photobiol. A: Chem. 2004, 164：3.
二、电池结构
染料敏化纳米薄膜太阳电池主要是由以下几部分组成： 透明导电玻璃、纳米TiO2 多孔半导体薄膜、染料光敏化剂、 电解质和对电极。DSSC的光电转换在几个界而完成:(1) 染料和TiO2纳晶多孔膜组成的界面（2)染料分子和电解质 构成的界面;（3)电解质和对电极构成的界面。
二、常用聚合物
用于胶凝液体电解质的有机高分子聚合 物，常见的有聚环氧乙烷（PEO）、聚偏 氟乙烯(PVDF) 、聚偏氟乙烯-六氟丙烯 (PVDF-HFP)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、 聚丙烯腈(PAN) 等。这些有机高分子聚合 物在液体电解质中形成凝胶网络结构而得 到准固态的聚合物电解质。
三、准固态电解质中增塑剂的作用：
凝胶聚合物电解质加入增塑剂，可以降低 凝胶聚合物电解质的玻璃化温度、增强聚合物 链段的活动能力、缺点是会降低凝胶聚合物电 解质的机械强度。制备凝胶聚合物电解质时， 要求增塑剂能与聚合物体系很好地相容，介电 常数要高、粘度要小、挥发性要低，而且要使 电极稳定性好。 常用的增塑剂有碳酸乙烯酯（EC）、碳酸 丙烯酯（PC）等。
染料敏化太阳电池
• 染料敏化太阳电池的结构与原理 • 电池的分类及优缺点 • 准固态染料敏化太阳电池
染料敏化太阳电池的结构与原理
一、简介
1991 年瑞士洛桑联邦高等工业学院(EPFL) Grä tzel教授[1]在Nature上首次报导了染料敏化纳 米薄膜太阳电池(以下简称为 DSSC),在AM 1.5模 拟太阳光下获得了7.1%的总光电转换效率。2004 年实验室 DSSC 的最高光电转换效率已达到 11.04% (AM1.5, 100 mW·cm-2)[2]。它是一种高 效、价廉的新型薄膜太阳电池。 这种薄膜电池最吸引人的特点是其廉价的原 材料和简单的制作工艺，且性能稳定、衰减少， 具有远大的应用前景。
准固态电解质电池
一、准固态电解质的制作过程：
基于凝胶电解质的准固态染料敏化太阳电池 制作过程如图2。含有液体电解质和溶胶的凝胶电 解质前驱物（未形成胶体前的电解质）注入电池 后再加热至适当温度使其胶凝。保持凝胶电解质 前驱物为液态是为了使电解质与多孔TiO2充分接 触，然后再加热使凝胶前驱物在电池内胶凝成为 三维立体凝胶网络。
四、纳米无机粒子的作用
在凝胶聚合物电解质中加入纳米无机粒 子（如二氧化钛、二氧化硅等），不但可 以有效提高其膜片的机械强度，还可以吸 收其中的杂质、增加体系的粘度、阻止增 塑剂和杂质向电极迁移，因而可以改善聚 合物电解质与电极之间界面的稳定性。
五、聚合物胶凝普通液体电解质
1995年Cao[3]首先制作了凝胶电解质。用 聚丙烯腈为基质,与碳酸丙烯酯和碳酸乙烯酯及 一定量的碘、碘化钠制备的聚丙烯腈基凝胶电 解质, 在 30mW/cm2 的光强下，获得了短路电 流密度为3.4mA/cm2、开路电压0.58V、填充因 3.4mA/cm2 0.58V 子0.67、光电转换效率达到4.4%的太阳电池。 0.67 4.4% 2004年日本Sharp公司的韩礼元博士等研 究者使用通过交联反应生成聚乙烯和丙稀氧化 物制作了准固态DSSC，在AM 1.5 (100 mW/cm2)光照射下，高达8.1%[4]。
（3）准固态电解质的优缺点： 利用凝胶网络聚合物电解质的准固态染料敏化太 阳电池是向液体电解质或离子液体中加入有机高分子 聚合物或有机小分子胶凝剂，使电解质固化。这既保 持了液体体系的高导电性,又降低了溶剂的挥发和渗 漏,从而提高了转换效率和电池寿命. 与固态电解质相 比，准固态电解质改善了电解质与纳米TiO2层充分接 触，提高了填充因子。并且由于凝胶聚合物电解质的 不易流动性和柔韧性，可以为将来制备柔性染料敏化 纳米薄膜太阳电池打下基础。目前固态、准固态电解 质电池的转换效率低于液态电解质电池。
电池分类及优缺点电池
一 、分类 根据目前染料敏化纳米薄膜太阳电池的 研究发展情况和结构的不同，可以将其分 为三类：液体电解质电池、准固态电解质 电池和固态电解质电池。三种电池的主要 区别在于电池中电解质的不同。
二、三类电解质的优缺点 （1）液态电解质的优缺点：
液态电解质导电率很高,技术较成熟，但存在漏液、 易挥发、易燃、不易密封等缺陷,这些不稳定因素给 TiO2纳晶染料敏化太阳能电池的实际应用带来了困难。 （2）固态电解质的优缺点： 固态电解质克服了液态电解质存在的不足,不存在 漏液，易密封等;但是由于固态电解质的电导率较低,并 且聚合物固态电解质向TiO2纳晶多孔结构的空洞填充比 较困难,不易与TiO2纳晶形成良好电接触的界面。
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[6] Wang P，Zakeeruddin S M，Comte P，et al.J Am Chem Soc， 2003，125：1166-1167.
参考文献
[1] O’Regan B.， Grätzel M. Nature 1991, 353:737. [2] Grätzel, M. J. Photochem. Photobiol. A: Chem. 2004, 164: 3. [3] Fei C,Gerko O, Peter C S.[J]. J Phys Chem,1995,99:17071-17073 . [4]R Komiya, L Han, R Yamanaka, A Islam, T Mitate. J. Photochem. Photobiol. AChem., 2004,164: 123.
离子液体是完全由离子组成的液体，是低温 (<100℃)下呈液态的盐，也称为低温熔融盐，它 一般由有机阳离子和无机阴离子所组成。不挥发， 无色、无嗅，具有较大的稳定温度范围和较低的 凝固点，较好的化学稳定性及较宽的电化学窗口。 离子液体作为液体பைடு நூலகம்解质还存在一定的漏液 问题, 将聚合物胶凝离子液体,构成电导率高、力 学性能较好的以离子液体介质为基础的凝胶电解 质。