纳米线染料敏化太阳能电池-文档资料
染料敏化太阳能电池
染料敏化太阳能电池物理科学与技术学院化学物理学交叉培养班张玲玲 2011213434 摘要染料敏化太阳电池主要是模仿光合作用原理，研制出来的一种新型太阳电池，其主要优势是原材料丰富、成本低、工艺技术相对简单，在大面积工业化生产中具有较大的优势，同时所有原材料和生产工艺都是无毒、无污染的，部分材料可以得到充分的回收，对保护人类环境具有重要的意义。
本文主要从染料敏化太阳能电池的原理和电解质来进行介绍。
关键词染料敏化太阳能电池原理制备一、染料敏化太阳能电池的基本结构染料敏化太阳能电池主要由纳米多孔半导体薄膜、染料敏化剂、氧化还原电解质、电极和导电基底等几部分组成。
纳米多孔半导体薄膜通常为金属氧化物（TiO2、SnO2、ZnO等），聚集在有透明导电膜的玻璃板上作为染料敏化太阳能电池的负极。
对电极作为还原催化剂，通常在带有透明导电膜的玻璃上镀上铂。
敏化染料吸附在纳米多孔二氧化钛膜面上。
正负极间填充的是含有氧化还原电对的电解质，最常用的是I3/I-。
图1染料敏化太阳能电池的基本结构二、染料敏化太阳能电池的工作原理当太阳光照射在染料敏化太阳能电池上，染料分子中基态电子被激发，激发态染料分子将电子注入到纳米多孔半导体的导带中，注入到导带中的电子迅速富集到导电玻璃面上，传向外电路，并最终回到对电极上。
而由于染料的氧化还原电位高于氧化还原电解质电对的电位，这时处于氧化态的染料分子随即被还原态的电解质还原。
然后氧化态的电解质扩散到对电极上得到电子再生，如此循环，即产生电流。
电池的最大电压由氧化物半导体的费米能级和氧化还原电解质电对的电位决定。
图2 染料敏化太阳能电池的工作原理示意图2.1纳米晶多孔薄膜作为太阳能电池半导体材料，首要条件为光照下性能稳定。
考虑到只有禁带宽度Eg ﹥ 3eV 的宽带隙半导体才满足这一条件，因此可以用作DSC 半导体材料的禁带宽度必须大于3eV 。
TiO2禁带宽度为3. 2eV ，是性能最优、使用最广泛的DSC 半导体电极材料。
染料敏化太阳能电池实验报告(共9篇)
染料敏化太阳能电池实验报告(共9篇) 染料敏化太阳能电池实验天然染料敏化TiO2太阳能电池的制备及光电性能测试姓名：蓝永琛班级：新能源材料与器件学号：20112500041一、实验目的1. 了解染料敏化纳米TiO2太阳能电池的工作原理及性能特点。
2. 掌握合成纳米TiO2溶胶的方法、染料敏化太阳能电池光阳极的制备方法以及电池的组装方法。
3. 掌握评价染料敏化太阳能电池性能的方法。
二、实验原理略三、仪器与试剂一、仪器设备可控强度调光仪、紫外-可见分光光度计、超声波清洗器、恒温水浴槽、多功能万用表、电动搅拌器、马弗炉、红外线灯、研钵、三室电解池、铂片电极、饱和甘汞电极、石英比色皿、导电玻璃、镀铂导电玻璃、锡纸、生料带、三口烧瓶（500mL）、分液漏斗、布氏漏斗、抽虑瓶、容量瓶、烧杯、镊子等。
二、试剂材料钛酸四丁酯、异丙醇、硝酸、无水乙醇、乙二醇、乙腈、碘、碘化钾、TBP、丙酮、石油醚、绿色叶片、红色花瓣、去离子水四、实验步骤一、TiO2溶胶制备目前合成纳米TiO2的方法有多种，如溶胶-凝胶法、水热法、沉淀法、电化学沉积法等。
本实验采用溶胶-凝胶法。
（1）在500mL的三口烧瓶中加入1：100（体积比）的硝酸溶液约100mL，将三口烧瓶置于60-70oC的恒温水浴中恒温。
（2）在无水环境中，将5mL钛酸丁酯加入含有2mL异丙醇的分液漏斗中，将混合液充分震荡后缓慢滴入（约1滴/秒）上述三口烧瓶中的硝酸溶液中，并不断搅拌，直至获得透明的TiO2溶胶。
二、TiO2电极制备取4片ITO导电玻璃经无水乙醇、去离子水冲洗、干燥，分别将其插入溶胶中浸泡提拉数次，直至形成均匀液膜。
取出平置、自然晾干，再红外灯下烘干。
最后在450oC下于马弗炉中煅烧30min 得到锐态矿型TiO2修饰电极。
可用XRD粉末衍射仪测定TiO2晶型结构。
三、染料敏化剂的制备和表征(1) 叶绿素的提取采集新鲜绿色幼叶，洗净晾干，去主脉，称取5g剪碎放入研钵，加入少量石油醚充分研磨，然后转入烧杯，再加入约20mL石油醚，超声提取15min后过滤，弃去滤液。
染料敏化太阳能电池
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染料敏化太阳能电池技术及应用
01
染料敏化太阳能电池基本原理及结构
染料敏化太阳能电池的工作原理概述
光吸收过程
• 染料分子吸收太阳光 • 激发态染料分子与半导体纳米颗粒 相互作用
光生电子空穴对生成
• 激发态染料分子衰变产生电子空穴 对 • 电子空穴对在半导体纳米颗粒中分 离
对电极层
• 作为电池的正负极 • 收集和传输光生电子 • 与电解质接触实现离子 传输
电解质层
• 填充在染料敏化半导体 层与对电极层之间 • 提供离子传输通道 • 维持电池内部的电化学 平衡
染料敏化太阳能电池的关键材料介绍
染料分子
• 光敏性染料 • 宽光谱吸收 • 高光吸收系数
电解质材料
• 固态电解质 • 液态电解质 • 离子液体电解质
半导体纳米颗粒
• 纳米尺寸效应 • 高表面积 • 快速电子传输
对电极材料
• 贵金属对电极 • 复合对电极 • 导电聚合物对电极
02
染料敏化太阳能电池的性能特点及优势
染料敏化太阳能电池的光电转换效率及性能优势
光电转换效率
• 高于传统硅太阳能电池 • 目前实验室最高光电转换效率达25%
性能优势
• 宽光谱吸收 • 低成本原材料 • 柔性及可透明性 • 良好的环境稳定性
技术进步
• 提高光电转换效率 • 改善稳定性 • 降低成本
创新方向
• 新型染料分子研究 • 新型半导体纳米颗粒研究 • 新型电解质材料研究
染料敏化太阳能电池的市场前景及增长潜力
市场前景
• 全球能源转型 • 太阳能市场需求增长 • 染料敏化太阳能电池市场份额扩大
染料敏化太阳能电池-化学与物理电源基础实验讲义2014-s
图 1 DSSC 结构与工作原理图 电转换性能较好。因此目前使用的都是锐钛矿型的 TiO2。研究发现，锐钛矿在低温稳定，高温则转化为金 红石，为了得到纯锐钛矿型的 TiO2，退火温度为 450oC。
染料敏化剂的特点和种类
用于 DSSC 电池的敏化剂染料应满足以下几点要求 : ① 牢固吸附于半导体材料; ②氧化态和激发态有 较高的稳定性;③在可见区有较高的吸收;④有一长寿命的激发态;⑤足够负的激发态氧化还原势以使电子注 入半导体导带;⑥对于基态和激发态氧化还原过程要有低的动力势垒， 以便在初级电子转移步骤中自由能损 失最小。 目前使用的染料可分为 4 类: 第一类为钌多吡啶有机金属配合物。这类染料在可见光区有较强的吸收，氧化还原性能可逆，氧化态 稳定性高，是性能优越的光敏化染料。用这类染料敏化的 DSSC 太阳能电池保持着目前最高的转化效率。 但原料成本较高。 第二类为酞菁和菁类系列染料。酞菁分子中引入磺酸基、羧酸基等能与 TiO2 表面结合的基团后，可 用做敏化染料。分子中的金属原子可为 Zn、Cu、Fe、Ti 和 Co 等金属原子。它的化学性质稳定，对太阳光 有很高的吸收效率，自身也表现出很好的半导体性质。而且通过改变不同的金属可获得不同能级的染料分 子，这些都有利于光电转化。 第三类为天然染料。自然界经过长期的进化， 演化出了许多性能优异的染料， 广泛分布于各种植物中， 提取方法简单。因此近几年来，很多研究者都在探索从天然染料或色素中筛选出适合于光电转化的染料。 植物的叶子具有光化学能转化的功能，因此，从绿叶中提取的叶绿素应有一定的光敏活性。从植物的花中 提取的花青素也有较好的光电性能，有望成为高效的敏化染料。天然染料突出的特点是成本低，所需的设 备简单。 第四类为固体染料。 利用窄禁带半导体对可见光良好的吸收， 可在 TiO2 纳米多孔膜表面镀一层窄禁带 半导体膜。例如 InAs 和 PbS，利用其半导体性质和 TiO2 纳米多孔膜的电荷传输性能，组成多结太阳能电 池。窄禁带半导体充当敏化染料的作用，再利用固体电解质组成全固态电池。但窄禁带半导体严重的光腐 蚀阻碍了进一步应用。
什么是染料敏化太阳能电池
kT J sc Voc ln q J dk
q表示完成一个氧化还原循环过程需要转移的电子数目，Jdk指的是暗电 流的电流密度，k指波尔兹曼常数。
影响填充因子的因素
填充因子可以反映太阳能电池的输出性质，是一个重要参 数。太阳能电池的串联电阻越小，并联电阻越大，填充系 数就越大，反映到太阳能电池的电流-电压特性曲线上， 曲线就越接近矩形，此时太阳能电池的转换效率就越高。
diffusion I3(anode) 3I (cathode) electrolyte
circuit e- |TiO2 e- |Pt
(2) (3) (4)
(5)
(6)
electron recapture I3 + 2e-(cb) 3I dark reaction recombination TiO2 |S+ + e-(cb) TiO2 |S dark reaction
(1)
injection TiO2 |S* TiO2 |S+ + e-(cb) regeneration TiO2 |2S+ + 3I- TiO |2S + I 2 3 anode deoxidizing reaction I3 + 2e-(Pt) 3I cathode
填充因子 0.26 0.483
效率 （%） 1.47 4.51
存在问题
1. TiO2与空穴传输层之间的界面电荷复合率高;
电池填充因子较低
2. 空穴传输材料本身的导电率很低；电 Nhomakorabea光电流较低
3. 电解质与电极纳米粒子之间的接触性能差； 影响界面上的电荷传质速度，降低填充因子
染料敏化太阳能电池1
实验：纳米晶化学太阳能电池的制备与检测班级：08电科（1）班姓名：戴大洲学号： 08206050114实验：纳米晶化学太阳能电池的制备与检测引言：实验：1.制备：太阳能电池制作工艺流程如下图1。
图1 太阳能电池制作工艺流程图2. 测试方法：用太阳能模拟器模拟太阳光，利用标准电池调节太阳光强为1，用万用表测试制备电池的开路电压V OC 和短路电流I SC。
3、实验条件实验试剂和仪器:实验药品：纳米TiO2粉（P25）、聚乙二醇（分子量为 20000）、Ti(S04)2、尿素、无水乙醇、丙酮、罗丹明B、KI 、I2、乙腈、乙二醇、去离子水，化学试剂均为分析纯。
实验设备与测试仪器：电子分析天平、药匙、镊子、称量纸、玛瑙研钵、刚玉坩埚、烘箱、FTO导电玻璃、玻璃棒、量筒、马弗炉、棕色试剂瓶、2B 铅笔、万能胶粘剂、金属夹、滴管、透明胶、导线、水浴锅、太阳能模拟灯（500W氙灯）、万用表、可变电阻、电化学工作站、标准硅太阳能电池。
4、实验步骤（1） TiO2薄膜制备○1TiO2溶胶制备将9.6132gTi(S04)2加入到20ml的去离子水中，搅拌5min后，加入9.6016g 尿素，继续搅拌至尿素完全溶解，再加100ml的去离子水稀释，形成澄清透明的TiO2溶液。
（TiO2量为 27 g·L-1）○2TiO2溶胶+P25 的浆料制备取20ml制得的 TiO2溶胶，加入1.860g纳米TiO2粉（P25）（纳米 TiO2粉按料浆中TiO2总量为 120g·L-1计算加入），并加入0.960g聚乙二醇（分子量为 20000）（聚乙二醇的量为二氧化钛质量的 40%），充分研磨1-2小时、制得 TiO2浆料。
整个研磨过程注意用力均匀，避免产生气泡，使所制备的 Ti02胶体均匀、无肉眼可见的颗粒团聚物。
○3 TiO2/FTO 薄膜电极制备a. FTO导电玻璃预处理：将导电玻璃切成3x3cm大小的方块，注意边缘平整无破碎，用万用表测出导电玻璃的导电面。
染料敏化太阳能电池的介绍
染料敏化太阳能电池的介绍电气与电子工程学院信息1301班1131200116 马文栋十六周的新能源课程让我对新兴能源有了一定的了解，现在让我来介绍一下染料敏华电池。
染料敏化太阳电池主要是模仿光合作用原理，研制出来的一种新型太阳电池。
它是继多晶硅及薄膜太阳能电池之后，第三代太阳能电池产品——染料敏化太阳能电池产业化开发取得突破。
染料敏化太阳能电池是以低成本的纳米二氧化钛和光敏染料为主要原料，模拟自然界中植物利用太阳能进行光合作用，将太阳能转化为电能。
与传统太阳能电池相比，它的最大优势在于其制作工艺简单、不需昂贵的设备和高洁净度的厂房设施，制作成本仅为硅太阳能电池的1/10~1/5。
该电池使用的纳米二氧化钛、N3染料、电解质等材料价格便宜且环保无污染，同时它对光线的要求相对不那么严格，即使在比较弱的光线照射下也能工作。
敏化染料太阳能电池主要优势是：原材料丰富、成本低、工艺技术相对简单，在大面积工业化生产中具有较大的优势，同时所有原材料和生产工艺都是无毒、无污染的，部分材料可以得到充分的回收，对保护人类环境具有重要的意义。
自从1991年瑞士洛桑高工领导的研究小组在该技术上取得突破以来，欧、美、日等发达国家投入大量资金研发。
敏化染料太阳能电池简称DSC, 主要由纳米多孔半导体薄膜、染料敏化剂、氧化还原电解质、对电极和导电基底等几部分组成。
纳米多孔半导体薄膜通常为金属氧化物(TiO2、SnO2、等)，聚集在有透明导电膜的玻璃板上作为DSC的负极。
对电极作为还原催化剂，通常在带有透明导电膜的玻璃上镀上铂。
敏化染料吸附在纳米多孔二氧化钛膜面上。
正负极间填充的是含有氧化还原电对的电解质，最常用的是I3-/I-。
敏化染料太阳能电池发电的原理是：（1）染料分子受太阳光照射后由基态跃迁至激发态；（2）处于激发态的染料分子将电子注入到半导体的导带中；（3）电子扩散至导电基底，后流入外电路中；（4）处于氧化态的染料被还原态的电解质还原再生；（5）氧化态的电解质在对电极接受电子后被还原，从而完成一个循环；（6）和（7）分别为注入到TiO2 导带中的电子和氧化态染料间的复合及导带上的电子和氧化态的电解质间的复合；敏化染料太阳能电池工作原理：染料敏化太阳能电池主要由表面吸附了染料敏化剂的半导体电极、电解质、Pt 对电极组成。
染料敏化太阳能电池的概述
染料敏化太阳能电池的概述染料敏化太阳能电池（Dye Sensitized Solar Cells，简称DSSC）全称为“染料敏化纳米薄膜太阳能电池”，由瑞士洛桑高等理工学院（EPFL）Gratzel教授于1991年取得突破性进展，立即受到国际上广泛的关注和重视，DSSC主要是指以染料敏化多孔纳米结构TiO2薄膜为光阳极的一类半导体光电化学电池，另外也有用ZnO、SnO2等作为TiO2薄膜替代材料的光电化学电池。
1.1染料敏化太阳能电池优点它是仿照植物叶绿素光合作用原理的一种太阳能电池。
由于染料敏化太阳能电池中使用了有机染料，其功能就如同树叶中的叶绿素，在太阳光的照射下，易产生光生电子，而纳晶TiO2薄膜就相当于磷酸类脂膜，因此我们形象的把这种太阳能电池称为人造树叶。
DSSC 与传统的太阳电池相比有以下一些优势：（1）寿命长：使用寿命可达15-20年；（2）结构简单、易于制造，生产工艺简单，易于大规模工业化生产；（3）制备电池耗能较少，能源回收周期短；（4）生产成本较低，仅为硅太阳能电池的1/5～1/10，预计每瓦的电池成本在10元以内；（5）生产过程中无毒无污染；纳米晶染料敏化太阳能电池有着十分广阔的产业化前景和应用前景，相信在不久的将来，DSSC将会走进我们的生活。
因此吸引了各国众多科学家与企业大力进行研究和开发，近年来获得了飞速发展。
1.2染料敏化太阳能电池（DSSC）的結构组成染料敏化太阳能电池包括四部分：纳米氧化物半导体多孔膜（TiO2，ZnO），含有氧化还原电对的电解液（I-/I3-），作为敏化剂的染料（如N719/N3）以及对电极（如Pt）。
除此之外DSSC还需要衬底材料，通常为氟掺杂的氧化锡导电玻璃（FTO导电玻璃）。
该实验中，纳米氧化物半导体多孔膜为ZnO，敏化剂用N719染料。
（1）FTO透明导电玻璃FTO导电玻璃为掺杂氟的SnO2透明导电玻璃（SnO2：F），简称为FTO。
FTO玻璃被作为ITO导电玻璃的替换用品被开发利用，可被广泛用于液晶显示屏，它是染料敏化太阳能电池的TiO2/ZnO薄膜的载体，同时也是光阳极电子的传导器和对电极上电子的传导器和对电极上电子的收集器。
染料敏化纳米太阳能电池学习资料PPT
电池 封装
测试过程 中保持电 池的稳定
性
1）单色光转化效率 单色光光电转换效率定义（ IPCE ）为入射单色光子 -电子转化效率，即为外电路中产生的电子数（Ne） 与总的入射单色光子数（Np）之比。其数学表达式 为：
IPCE=Ne/Np= (1.241×10-6×Isc）/PInλ ）
其中 Isc为电池短路电流，λ 为入射单色光的波长， Pin为入射单色光的功率。
染料敏化太阳能电池的测试方法
a)可变电阻法：在RL的位置加一可变电阻，然后对该电阻的 电压及流经电流进行记录，可得到电池 I-V 曲线，
缺点：由于外部导线电阻和电流表本身串联电阻的存在，电
路不能完全短路；同样由于电压表本身内阻的因素，电路也不 能完全断路，表现在 I-V 曲线上就是曲线两端只能接近坐标轴， 而无法与坐标轴相交。
染料敏化太阳能电池等效电路图
染料敏化太阳能电池的等效电路如上图，可以看出光电 流的产生在恒定的光强下可以个恒电流源，与之并联的 有一个处于正向偏压下的二极管和一个并联电阻 Rsh， 剩余的电流流经串联电阻 Rs，进入外电路。两个电阻分 别表示在太阳能电池中两种类型的损耗，串联电阻 Rs表 示由于界面接触及外电路产生的电阻，并联电阻 Rsh用 来表示暗电流的作用。
TEM ：用来观察 TiO2纳米晶显微形貌结构 XRD：分析样品的结晶类型 DSC-TGA：分析试样相转变、有机物挥发
和反应等
BET：比表面积和孔径分布。 UV-Vis：紫外可见吸收光谱
将适当的染料吸附到宽带隙的半导体表面上，借助于染料
对可见光的强吸收，可以将半导体的光谱响应拓宽到可见
区，这种现象称为半导体的染料敏化作用，而载有染料的 半导体为染料敏化半导体电极。
纳米晶染料敏化太阳能电池染料优化配比技术
的染料进行最佳配 比 ， 使染料 的光电转换效率达到极大值 的方法 。论述 了利用积分算法进行配 比值计 算的方法 ， 通过设计一个染料 配 比控制系统 ， 论述 了染料 的精确配 比方法 。最终 ， 提 出了一种光 电转换 效率较高 的染料配 比技术 。
诺 桑 ， 措加 旺姆 ， 罗 布 ， 普 多布 旺 ， 平措达杰 ， Ｌ ａ ｄ ｉ ｓ ｌ ａ ｖ Ｋ ｏ ｃ ｂ ａ ｃ ｈ ３ ， Ｊ ａ ｋ ｏ ｂ Ｓ ｔ ａ ｍ ｎ ｅ ｓ 。
（ １ ． 西藏大学 地球物理研究 所， 拉萨 ８ ５ ０ ０ ０ ０ ； ２ ． 西藏大学 科研 处 拉萨 ８ ５ ０ ０ ０ ０ ； ３ 瑚５ 威Ｂ Ｅ Ｒ Ｇ Ｅ Ｎ 大学 物理 与技术 系 Ｎ 一 ５ ０ Ｏ ７ ） 摘 要： 在敏 化太阳能电池制作过程 中， 染料优化配 比技术是一项 重要技术部 分 ， 直接影 响敏化 太阳能
关键词 ： 染料敏化 太阳能电池 ； 染料 配 比技 术 ； 太 阳能
中图分类号 ： Ｔ Ｍ ７ １ ５ ； Ｆ １ ２ ７
文献标识 码 ： Ａ
文章 编 ０ ２ １ ７ — ０ ３
Ｄｙ ｅ Ｏｐ ｔ ｉ ｍｉ ｚ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ Ｍａ ｔ ｃ ｈ ｉ ｎ ｇ Ｔｅ ｃ ｈ ｎ ｏ ｌ ｏ ｇ ｙ ｆ ｏ ｒ Ｎａ ｎ ０ ｃ ｒ ｙ ｓ ｔ ａ ｌ ｌ ｉ ｎ ｅ Ｄｙ ｅ —Ｓ ｅ ｎ ｓ ｉ ｔ ｉ ｚ ｅ ｄ Ｓ ｏ ｌ ａ ｒ Ｃｅ ｌ ｌ ｓ
第２ ９ 卷 第 １ ０期
２ ０１ ３年 １ ０月
科 技 通 报
Ｂ ＵＬ Ｌ Ｅ Ｔ Ｉ Ｎ ０Ｆ Ｓ Ｃｌ Ｅ ＮＣＥ ＡＮＤ Ｔ Ｅ ＣＨＮ０Ｌ ＯＧＹ
染料敏化太阳能电池简介
染料敏化太阳能电池简介DSSC原理DSC的结构组成：主要由纳米多孔半导体薄膜、染料敏化剂、氧化还原电解质、对电极和导电基底等几部分组成。
纳米多孔半导体薄膜通常为金属氧化物（TiO2、SnO2、ZnO等），聚集在有透明导电膜的玻璃板上作为DSC的负极。
对电极作为还原催化剂，通常在带有透明导电膜的玻璃上镀上铂。
敏化染料吸附在纳米多孔二氧化钛膜面上。
正负极间填充的是含有氧化还原电对的电解质，最常用的是I3/I-。
DSC工作原理如下图所示：⑴染料分子受太阳光照射后由基态跃迁至激发态；⑵处于激发态的染料分子将电子注入到半导体的导带中；⑶电子扩散至导电基底，后流入外电路中；⑷处于氧化态的染料被还原态的电解质还原再生；⑸氧化态的电解质在对电极接受电子后被还原，从而完成一个循环；⑹和⑺分别为注入到TiO2 导带中的电子和氧化态染料间的复合及导带上的电子和氧化态的电解质间的复合研究结果表明：只有非常靠近TiO2表面的敏化剂分子才能顺利把电子注入到TiO2导带中去，多层敏化剂的吸附反而会阻碍电子运输；染料色激发态寿命很短，必须与电极紧密结合，最好能化学吸附到电极上；染料分子的光谱响应范围和量子产率是影响DSC的光子俘获量的关键因素。
到目前为止，电子在染料敏化二氧化钛纳米晶电极中的传输机理还不十分清楚，有Weller等的隧穿机理、Lindquist等的扩散模型等，有待于进一步研究。
DSC特点与发展前景DSC与传统的太阳电池相比有以下一些优势：⑴寿命长：使用寿命可达15-20年；⑵结构简单、易于制造，生产工艺简单，易于大规模工业化生产；⑶制备电池耗能较少，能源回收周期短；⑷生产成本较低，仅为硅太阳能电池的1/5～1/10，预计每蜂瓦的电池的成本在10元以内。
⑸生产过程中无毒无污染；经过短短十几年时间，染料敏化太阳电池研究在染料、电极、电解质等各方面取得了很大进展。
同时在高效率、稳定性、耐久性、等方面还有很大的发展空间。
染料敏化太阳电池资料
2 氧化物半导体薄膜
** （1）TiO2纳米晶（用的最多、效率最高） 优点：含量丰富、价格便宜、无毒、稳定、抗腐蚀性好 一般采用锐钛型TiO2。
粉体制备方法：溶胶-凝胶法、TiCl4水解法、电化学等
易实现对TiO2晶型和粒径的有效控制
多孔薄膜制备法：浸渍法、旋涂法、丝网印刷法、溅射法、 水热反应法、醇盐水解法、高温溶胶喷射沉积、等离子喷涂 等
2013年由瑞士洛桑联邦理工学院 (Michael Grätzel)的研究小组、英国 牛津大学和日本桐荫横滨大学的研究3小组，分别独立开发出了转换效率超 过15％的固体型染料敏化太阳能电池。
优势
✓生产工艺简单，易于大规模工业化生产； ✓制备电池耗能较少，能源回收周期短； ✓制成透明的产品，应用范围广； ✓在各种光照条件下使用； ✓光的利用效率高； ✓对光阴影不敏感……
阳极发生的净反应为: 1.5I－+ｈν→0.5I3-+ｅ-(TiO2)
对电极: 0.5I3-+ｅ-(Pt)→1.5I－(电解质还原)
整个电池的反应结果为: ｅ-(Pt)7+ｈν→ｅ-(TiO2)(光电流)
+.
8
DSSC的评价技术指标
（1）短路电流（Isc )：当太阳电池的 输出端短路时（V=0)。与入射光强 度成正比。
4
DSSC的组成
5
DSSC和植物的光合作用
叶绿体的结构
纳米晶半导体网络结构相 当于叶绿体的内囊体，起 着支撑敏化剂染料分子、 增加吸收太阳光的面积和 传递电子的作用。
敏化剂染料分子相当于叶 绿体中的叶绿素，起着吸 收太阳光光子的作用。
6
DSSC的工作原理
光电阳极: Dye + hν→Dye* (染料激发) Dye*→Dye++ｅ-(TiO2)(产生光电流) Dye++1.5I－ →Dye+0.5I3-(染料还原)
染料敏化太阳能电池的原理
染料敏化太阳能电池的原理染料敏化太阳能电池（Dye-Sensitized Solar Cells，简称DSSCs）是一种新型的光电转换器件，具有高效率、低成本、易制备等优点，因此备受关注。
其工作原理主要包括光吸收、电子传输和电荷注入等过程。
下面将详细介绍染料敏化太阳能电池的原理。
1. 光吸收过程染料敏化太阳能电池的光吸收过程是其工作的第一步。
在DSSCs 中，染料分子起着吸收光子的作用。
染料分子通常吸收可见光范围内的光子，将光子激发至激发态。
常用的染料有吲哚染料、酞菁染料等。
当光子被染料吸收后，染料分子发生跃迁，电子从基态跃迁至激发态。
2. 电子传输过程在光吸收后，染料分子中的电子被激发至激发态，形成激子。
激子在染料分子内部扩散，最终将电子注入到TiO2（二氧化钛）纳米晶体表面。
TiO2作为电子传输的介质，具有良好的导电性和光稳定性，能够有效地传输电子。
3. 电荷注入过程当激子将电子注入到TiO2纳米晶体表面时，电子被注入到TiO2的导带中，形成电子空穴对。
同时，染料分子中失去电子的正离子被还原，形成还原态染料。
在这一过程中，电子从TiO2传输至电解质中，形成电子流，从而产生电流。
而正离子则通过电解质回迁至染料分子，完成电荷平衡。
4. 电子回流过程在DSSCs中，电子传输至电解质后，需要通过外部电路回流至染料分子，以维持电荷平衡。
外部电路中连接有负载，电子在外部电路中流动，产生电流，从而实现光能转化为电能的过程。
电子回流的速率直接影响DSSCs的光电转换效率。
综上所述，染料敏化太阳能电池的工作原理主要包括光吸收、电子传输、电荷注入和电子回流等过程。
通过这些过程，DSSCs能够将太阳能转化为电能，实现光电转换。
随着对染料敏化太阳能电池原理的深入研究，其性能不断提升，为可再生能源领域的发展带来新的希望。
关于染料敏化太阳能电池
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• 2004年，日本足立教授领导的研究组用TiO2纳米管做染料敏化纳 米晶太阳能电池电极材料其光电转换效率可达5 % ，随后用TiO2 纳米网络做电极其光电转换效率达到9.33% 。 • 2006年，日本岐阜大学(Gifu University)开发的基于二氢吲哚类有 机染料敏化的电沉积纳米氧化锌薄膜的塑性彩色电池效率达到了 5.6 % 。 • 2006年，日本桐荫横滨大学开发的基于低温TiO2 电极制备技术的 全柔性DSC 效率超过了6%。 • 2014年，Michael Grätzel课题组再次刷新染料敏化太阳能电池效率， 最终达到13%。
• 2、DSC的结构组成 • 主要由纳米多孔半导体薄膜、染料敏化剂、氧化还原电解质、对 电极和导电基底等几部分组成。纳米多孔半导体薄膜通常为金属 氧化物（TiO2、SnO2、ZnO等），聚集在有透明导电膜的玻璃板 上作为DSC的负极。对电极作为还原催化剂，通常在带有透明导 电膜的玻璃上镀上铂。敏化染料吸附在纳米多孔二氧化钛膜面上。 正负极间填充的是含有氧化还原电对的电解质，最常用的是 I3-/ I1-氧 化还原对
三、DSC还需进一步完善
• 1、低效率 • 通过DSC的发展史，不难发现，低效率成为染料敏化太阳能电池 乃至目前所有太阳能电池的一大弊端： • 1991年，......得到了>7%的光电转化效率； • 1993年， ......光电转换效率达10 %的染料敏化太阳能电池； • 1997年，......该电池的光电转换效率达到了10%－11%； • 2006年，......全柔性DSC 效率超过了6%； • 直到现在— • 2014年，Michael Grätzel课题组再次刷新染料敏化太阳能电池效 率，最终达到13%。
关于染料敏化太阳能电池
染料敏化太阳能电池材料课件
化学键合法
利用化学反应将染料分子与氧化钛膜表面形成化学键合，从 而提高染料的负载量和稳定性。该方法需要选择合适的反应 条件和化学键合剂。
电池组装与封装工艺
对电极的制备
常采用铂、碳等材料作为对电极， 通过溅射、蒸镀等方法制备。
电解质的填充
将含有氧化还原对的电解质填充 到光阳极和对电极之间，形成完 整的电池结构。电解质的选择和 填充工艺对电池性能具有重要影
氧化钛纳米多孔膜的制备
采用溶胶-凝胶法、电化学沉积法等方法制备氧化钛纳米多孔膜， 该膜具有高光催化活性和大比表面积，能够增加染料吸附量。
膜的表面处理与改性
通过热处理、表面修饰等方法对氧化钛膜进行表面处理与改性，进 一步提高膜的光电性能。
染料敏化剂的负载方法
物理吸附法
将染料溶液与氧化钛膜接触，通过物理吸附作用将染料分子 吸附在膜表面。该方法简单易行，但染料负载量较低。
和稳定性。
未来发展方向与挑战
高性能染料和电解质的设 计与合成
开发具有更高吸收系数、更宽 吸收光谱的染料，以及具有高 离子电导率、优异稳定性的电 解质。
柔性染料敏化太阳能电池 的研制
采用柔性基底材料，开发可弯 曲、轻便的染料敏化太阳能电 池，拓展应用领域。
大面积电池制备技术的研 发
研究适用于大面积电池制备的 喷涂、卷对卷等工艺技术，降 低生产成本，推动染料敏化太 阳能电池的商业化应用。
染料敏化太阳能电池的应用领域
便携式电子产品
染料敏化太阳能电池可为手机、
平板电脑等便携式电子产品提供
可持续的电力供应。
01
交通工具
染料敏化太阳能电池可用于电动
车、无人机等交通工具的动力来
03
源，提高续航能力及环保性能。
纳米线染料敏化太阳能电池-精选文档17页
报告人：Mr 齐
E-mail: wildqisina
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目录
1. 研究背景 2. 研究目的 3. 工作创新 4. 材料制备 5. 结果和讨论 6. 总结和展望 7. 理想很丰满，现实很骨感
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Background——（4/16)
To improve the efficiencies of DSCs.
Moreover: The conductivity of the wire arrays increased by 5–20% when they
were bathed in the standard DSC electrolyte.
Thus, facile transport through the nanowire array is retained in
evidence of an equally high collection efficiency for nanowire films as thick as ~25 μm.
Conclusions——(14/16)
Conclusions:
T优he势n：a纳no米w线ireDSdCyse是-s最en成si功tiz的ed激s子ol光ar伏c器el件l is的a一n个ex变c体iti。ng有v序ar结ia构nt会 o增f 加th电e 子m传os输t 速su度cc，es纳sf米ul线o电f t极he可e能x是cit一on个ic提p高h红ot光ov吸ol收ta的ic 可de用v方ice法s.，As a而n普o通rd电e池re对d 红t光op的ol吸og收y非t常ha有t限i。ncreases the rate of electron transport, a nanowire electrode may provide a means to improve the quantum efficiency of DSCs in the red region of the spectrum, where their performance is currently limited.
染料敏化太阳能电池的设计
摘要摘要太阳能是新能源开发利用最活跃的领域。
目前市场上的太阳能电池主要是单晶硅和多晶硅两种。
但这两种太阳能电池最大的问题在于工艺条件苛刻，制造成本过高，不利于广泛应用。
而上世纪90年代出现的纳米TiO2有机半导体复合太阳能电池和有机/聚合物太阳能电池，工艺条件简单，成本较低，有可能成为21世纪太阳能电池的新贵。
染料敏化太阳能电池价格相对低廉，制作工艺简单，拥有潜在的高光电转换效率，染料敏化太阳能电池极有可能取代传统硅系太阳能电池，成为未来太阳能电池的主导。
关键词：太阳能电池、染料敏化、二氧化钛、纳米TiO2Ⅰ目录目录摘要 (I)目录 (II)第一章概述 (1)1.1染料敏化太阳能电池概述 (1)1.1.1 染料敏化太阳能电池概念 (1)1.1.2 染料敏化太阳能电池的发展状况 (1)1.1.3染料敏化太阳能电池的前景和困难 (2)第二章染料敏化太阳能电池的工作机理 (5)2.1染料敏化太阳电池的结构与原理 (5)2.1.1 染料敏化太阳能电池结构 (5)2.1.2染料敏化太阳电池的原理 (6)2.2染料敏化太阳能电池各组成部分的进展 (6)2.2.1 光阳极材料 (6)2.2.2 光阴极材料 (8)2.2.3 电解质 (8)2.2.4 敏化剂 (9)2.3染料敏化太阳能电池有潜力的几类 (9)2.3.1 染料敏化纳米晶太阳能电池 (9)2.3.2 纤维状无TCO染料敏化太阳能电池 (9)2.3.3 利用有机物来提高转换效率 (10)第三章染料敏化太阳能电池的制作过程 (11)3.1染料敏化太阳能电池的制作步骤 (11)3.1.1二氧化钛膜的制备 (11)3.1.2利用天然染料把二氧化钛膜着色 (13)3.1.3制作反电极 (13)3.1.4 组装电池 (14)3.1.5 注入电解质 (14)第四章染料敏化纳米晶太阳能电池 (17)4.1光电化学性质的测试装置及几个重要参数 (17)4.1.1 两电极光化学电池 (17)4.1.2 电流-电压特性 (17)4.1.3 半导体的导带及价带电位的测试 (18)第五章总结与展望 (21)总结 (21)展望 (21)致谢 (22)参考文献 (23)II目录III概述第一章概述1.1 染料敏化太阳能电池概述1.1.1 染料敏化太阳能电池概念染料敏化太阳电池(dye—sensitized solar cell，DSSC)主要是模仿光合作用原理，研制出来的一种新型太阳电池，其主要优势是：原材料丰富、成本低、工艺技术相对简单，在大面积工业化生产中具有较大的优势，同时所有原材料和生产工艺都是无毒、无污染的，部分材料可以得到充分的回收，对保护人类环境具有重要的意义。
今日化学——染料敏化太阳能电池
染料敏化太阳能电池研究状况与感想染料敏化太阳电池主要是模仿光合作用原理，研制出来的一种新型太阳电池，其主要优势是：原材料丰富、成本低、工艺技术相对简单，在大面积工业化生产中具有较大的优势，同时所有原材料和生产工艺都是无毒、无污染的，部分材料可以得到充分的回收，对保护人类环境具有重要的意义（摘自百度百科）。
1991年Grtzel教授等以纳米多孔TiO2为半导体电极，以Ru络合物作为敏化染料，选用I2/I3-氧化还原电解质，制作了一种新型的TiO2纳米晶染料敏化太阳能电池(DSSC)，在1sun(AM1。
5:100mW·cm-2)，即一天中最大的照射条件下，得到了7.1%的光电转换效率。
1997年Grtzel 教授等将该电池的光电转换效率提高到10%~11%，短路电流达到18mA/cm2，开路电压达到720mV。
染料敏化太阳能电池的成本仅为硅太阳能电池的1/5~1/10，其潜在的低成本、相对简单的制作工艺和技术的优势赢得了广泛的关注。
1染料敏化太阳能电池的结构主要包括3个组成部分:纳米晶半导体薄膜、染料敏化剂、电解质。
而不同的组成部分的不同结构，对染敏电池效率的影响也不同。
当前情况下，染料敏化太阳能电池存在许多问题：虽然具有理论转化效率高，制备工艺简单，透明性强，对温度和入射光角度依赖小，成本低（仅为硅系太阳能电池的1/5以下）等众多优点，但由于这种新型太阳能电池的发展时间还比较短，在较短时间内，实现产业化，还存在许多问题：1.光电转化效率：自从1991年Gratzel发明DSC以来，世界各国研究者竞相模仿，但只能得到2%一3%的光电转换效率。
通过几年努力，目前一般可达到7%一8%的光电转换效率。
可见Gratzel体系本身就具有很多技术秘密，而要想进一步提高其光电转换效率，还需花很大努力。
2.长期稳定性：DSC做为能够在户外使用的太阳光发电设备，除了光电转换效率以外，一个非常重要的指标是长期稳定性。
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Considerable efforts have been made to develop dyes and dye
B
Highlights——(5/16)
What we do? Replacing the traditional nanoparticle film with a dense array of
oriented, crystalline ZnO nanowires.
Electron transport in crystalline wires is expected to be several
orders of magnitude faster than percolation through a random polycrystalline network.（纳米线中电子传输速率要高几次方）
Step by step, small but essential
1
LOGO
Nanowire dye-sensitized solar cells
MATT LAW1,2*, LORI E. GREENE1,2*, JUSTIN C. JOHNSON1, RICHARD SAYKALLY1 AND PEIDONG YANG1,2† Nature 2019
Using polyethylenimine (PEI)
（聚乙烯亚胺）
To hinder only the lateral
growth of the nanowires in solution, while maintaining a relatively high nanowire density.(抑制横向生长，确保高 密）
20/7/1969
That's one small step for (a) man, one giant leap for mankind
---Neil Alden Armstrong
Materials science and engineering do ?
To create new materials or improve the performance of the current materials
To
increase the active surface area of a nanoparticle anode
Wire length against diameter with (circles) and without (triangles) PEI added to the growth bath
1 2 3 4 Single crystalline Dense arrays High aspect ratio Active surface area 1/5 as large as a nanoparticle cell
How to boost the aspect ratio ?
7ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
Results and discussion——(8/16)
报告人：Mr 齐
E-mail: wildqisina
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目录
1. 研究背景
2. 研究目的
3. 工作创新 4. 材料制备 5. 结果和讨论 6. 总结和展望 7. 理想很丰满，现实很骨感
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Background——（4/16)
To improve the efficiencies of DSCs.
mixtures that absorb better at long wavelengths, so far with little Disadvantages of TiO2 nanoparticle films: success. 1 trap-limited diffusion for electron transport——a slow mechanism A option for improving the absorption red and near2 nother high rate of defects ——consequently high of recombination infrared light—thickening the nanoparticle film to increase its optical density—is unsuccessful because the film thickness comes to exceed the electron diffusion length through the nanoparticle network.（膜的厚度超过了电子扩散长度）
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Results and discussion——(9/16)
Electrical properties：
Individual
nanowires were extracted from the arrays, fashioned into field-effect transistors using standard electron-beam lithography procedures, and analysed to determine their resistivity, carrier concentration and mobility.(将单个纳米线分离出来 做成场效应晶体管，检测电阻、载流子浓度和迁移率） Mobility ： 1– 5 cm2 V–1 s–1 Resistivity： 0.3 ～2.0 Ω cm Electron concentration ：1–5 × 1018 cm–3 Einstein relation ：D = kBTμ/e single dry nanowires. Dn=0.05～0.5cm2s-1 for
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Synthesis and preparation——(6/16)
Synthesis ——Two steps: 1
10–15-nm-thick film of ZnO quantum dots was deposited onto F:SnO2 conductive glass (FTO)substrates by dip coating.
2
Wires were grown from these nuclei through the thermal decomposition of a zinc complex.
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Results and discussion——(7/16)
Properties of nanowire film
Physical: