染料敏化太阳能电池答辩资料
(完整版)关于染料敏化太阳能电池毕业设计论文
第一章绪论1.1太阳能电池能源短缺与环境污染是目前人类面临的两大问题。
传统的能源媒,石油和木材按目前的消耗速度只能维持五十至一百年。
另外,由此所带来的环境污染,也正在威胁着人类赖以生存的地球。
而在人类可以预测的未来时间内,太阳能作为人类取之不尽用之不竭的洁净能源,不产生任何的环境污染,且基本上不受地理条件的限制,因此太阳能利用技术研究引起了各国科学家的广泛重视。
太阳内部每时每刻都在发生热核聚变反应,进行质能转换,向宇宙辐射的总功率约为3*1023kW,投射到地球大气层之前的功率密度约为1135kWm2。
太阳光进入大气层后,虽然大气成分和尘埃颗粒的散射以及太阳光中的紫外线被臭氧，氧气和水蒸气吸收,但到达地表的功率密度仍有很大。
如果太阳辐射维持不变,则太阳半衰期寿命还有7*1012年以上,可以说太阳能是取之不尽用之不竭的天赐能源。
我国陆地23以上地区的年日照时数大于200 0h,太阳能相当丰富。
目前,太阳能的利用主要有太阳能电池发电和太阳能热水器制热。
而在一些名胜古迹和公园已经可以见到太阳能路灯了,为家庭住宅提供能源的太阳能发电系统(3kW)已经在发达国家作为示范工程而被推广,用太阳能电池提供动力的汽车和游艇也已经出现在人们的眼前。
1.1.1太阳能电池的工作原理当表面蒸发一层透光金属薄膜的半导体薄片被光照射时，在它的另一侧和金属膜之间将产生一定的电压，这种现象称为光生伏打效应，简称光伏效应。
能将光能转换成电能的光电转换器叫太阳能电池，在半导体Ｐ—Ｎ结上，这种光伏效应更为明显。
因此，太阳能电池都是由半导体Ｐ—Ｎ结构成的，最简单的太阳能电池由一个大面积的Ｐ—Ｎ结构成，例如Ｐ型半导体表面形成薄的Ｎ型层构成一个Ｐ—Ｎ结，见图 1.1.1。
图1.1.1 Ｐ—Ｎ结太阳能电池原理示意图太阳辐射光谱的波长是从0.3µm的近紫外线到几微米的红外线,对应的光子能量从4eV~0.3eV左右。
由半导体能带理论可知,只有能量高于半导体带隙宽度(Eg)的光的照射,才能激发半导体中杂质捕获的电子通过带间跃迁从价带跃迁到导带,生成自由电子和空穴对,电子和空穴向左右极化而产生电势差。
染料敏化太阳能电池 讲义
染料敏化太阳能电池1、染料敏化电池简介1991年之前，人们对太阳能的利用停留在利用半导体硅材料太阳能电池上，这种太阳能电池虽然已经达到了超过15%的转化效率，但是它的光电转化机理要求材料达到高纯度且无晶体缺陷，再加之硅的生产价格居高，这种电池在生产应用上遇到了阻力。
1991年，瑞士的Gratzel教授小组做出了染料敏化太阳能电池，他们的电池基于光合作用原理，以羧酸联吡啶钌配合物为敏化染料，以二氧化钛纳米薄膜为电极，利用二氧化钛材料的宽禁带特点，使得吸收太阳光激发电子的区域和传递电荷的区域分开，从而得到了7.1%的高光电转换效率，这种电池目前达到最高的转换效率是12%。
由于这种电池工艺简单，成本低廉（约为硅电池的1/5~1/10），并且可选用柔质基材而使得应用范围更广，最重要的是，它具备稳定的性质，有高光电转换效率，这无疑给太阳能电池的发展带来了巨大的变革。
2、染料敏化太阳能电池结构及工作原理*（重点）电池有透明导电膜的导电基片、多孔纳米晶二氧化钛薄膜、染料光敏化剂、电解质溶液及透明对电极等几部分构成。
当能量低于二氧化钛禁带宽度且满足染料分子激发所需能量的入射光照射到电极上时，基态染料分子被激发：D+hμ→D* （染料激发）被激发的电子注入二氧化钛导电层，被收集到导电基片，再通过外电路流向对电极，形成电流。
而已经被氧化的染料分子在电解液中被还原：D*→D+ + e- →Ecb （光电流产生）D+ + X-→D +X （染料还原）X + e-→X （电解质还原）整个过程完成了光电循环，单个反应物状态不变，光能转换为电能。
3、结论与展望染料敏化太阳能电池的发展有如下认识：✓由于单层粉末涂敷法制备薄膜的纳米染料太阳电池具有优良性能，在大规模生产中也是可以通过简单操作实现的，并且成本较低，因此在产业化方面，要重点关注单层粉末涂敷法。
✓虽然因为“天线效应”，多核配合物染料某种程度上具有加强吸收的作用，但是定量的比较下，实际上它的空间不利造成的影响更大，如果要较好利用，应从染料附着基底结构和尺度上综合考虑。
染料敏化太阳能电池工作原理解析及效率提高策略探索
染料敏化太阳能电池工作原理解析及效率提高策略探索染料敏化太阳能电池（Dye-sensitized solar cells，简称DSSCs）是一种第三代太阳能电池技术，以其高效率、低成本和透明性而备受关注。
本文将对染料敏化太阳能电池的工作原理进行解析，并探讨提高其效率的策略。
染料敏化太阳能电池的工作原理可以分为光吸收、电荷分离和电流输出三个步骤。
首先，DSSCs中的染料通过吸收光线的能量将光子转化为电子。
这些吸收光子的染料分子处于基态，当受到激发后，它们会处于激发态。
激发态的染料分子具有较短的寿命，会迅速将能量传递给导电材料中的电子，从而形成电荷对。
接下来，电荷对会被导电材料中的电子接收，将其从种子层输送到导电层。
典型的DSSCs结构包括染料敏化层、电解质溶液和二氧化钛（TiO2）电极。
在染料敏化层中，染料分子吸收了光子并将能量传递给TiO2纳米颗粒上的电子。
这些电子将通过TiO2中的导电通道传输到电极表面，从而产生电流。
最后，电流通过载流子收集器导入外部电路，供应给设备使用。
电解质溶液在DSSCs中起到离子导电的作用，使得电子可以从导电层传输到电解质中，从而维持电荷平衡。
这种离子的传输通过充电还原电荷被注入到电解质中的染料离子上进行。
提高染料敏化太阳能电池效率的策略可以从染料和电极材料的优化以及电解质的设计等方面着手。
首先，染料分子的选择至关重要。
染料分子需要有较高的光吸收能力和稳定性，以提高光电转换效率并延长电池寿命。
此外，染料分子的吸光范围应与太阳光谱的峰值重叠，以最大程度地利用光能。
对染料分子结构的深入研究可以提供有关染料分子的设计原则。
其次，电极材料的选择对染料敏化太阳能电池的效率也起着决定性作用。
通常使用的电极材料是二氧化钛纳米颗粒，其中掺杂其他金属氧化物或半导体材料可以提高电子传输速率和提高电荷分离效率。
此外，纳米多孔结构也有助于增加有效的光吸收界面和提高染料分子的加载量。
最后，电解质选择和设计对染料敏化太阳能电池的效率同样重要。
染料敏化太阳能电池的发展综述
染料敏化太阳能电池的发展综述染料敏化太阳能电池（Dye-sensitized Solar Cells，DSC）是一种新型的太阳能电池技术，于20世纪90年代初由瑞士杂交电车公司的Grätzel教授首次提出。
与传统的硅太阳能电池相比，DSC具有低成本、高转化效率和简单制备等优势。
其工作原理是通过将染料分子吸附在液态电解质和半导体电极之间的钙钛矿光敏剂上，实现对光的吸收和电子传输。
自问世至今，DSC在材料、结构和工艺等方面进行了不断的改进和创新，取得了巨大的进展。
在DSC的材料研究方面，钙钛矿材料是DSC中最重要的组成部分。
最早的染料敏化太阳能电池使用染料分子作为光敏剂，但其效率有限。
随着钙钛矿材料的问世，DSC的效率得到了显著提升。
最早的钙钛矿光敏剂是染料分子与三角锥晶格结构的二氧化钛表面有机酸形成络合物，后来发展出钙钛矿结构材料，如MAPbX3（MA代表甲胺离子，X代表卤素）和FAPbX3（FA代表氟化铵离子）等。
这些新型钙钛矿光敏剂具有更高的吸光度和更长的电子寿命，大大提升了DSC的光电转化效率。
除了钙钛矿材料的改进，DSC的结构和工艺也得到了不断的优化。
最早的DSC采用的是液态电解质，但其在长期稳定性方面存在问题。
为了克服这一问题，研究人员开发出了固态电解质和无电解质DSC，提高了DSC的长期稳定性。
此外，还有人将DSC与其他太阳能电池技术相结合，如有机太阳能电池和钙钛矿太阳能电池，形成了复合结构，提高了光电转化效率。
随着科技的不断进步，DSC逐渐成为了实际应用的焦点。
许多公司和研究机构投入到DSC的产业化开发和商业化推广中。
目前已经有一些商业化的DSC产品面市，如太阳能充电器、建筑一体化太阳能材料等。
此外，DSC还具有一些独特的应用特点，如透明、可弯曲、柔性等，使其在可穿戴设备、汽车、船舶等领域具有广阔的应用前景。
综上所述，染料敏化太阳能电池的发展经历了多个方面的改进和创新。
在材料、结构和工艺等方面的不断优化，使得DSC的光电转化效率得到了显著提升。
染料敏化纳米晶体太阳能电池
染料敏化纳米晶体太阳能电池
染料敏化纳米晶体太阳能电池是一种基于太阳能转换为电能的
新型能源技术。
该技术利用染料分子的吸收特性，将太阳能转化为电能，并将其储存起来。
染料敏化纳米晶体太阳能电池的工作原理是将染料分子吸附在纳米晶体表面，当太阳光照射到染料分子上时，染料分子会吸收光子，从而激发电子的运动，使电子从染料分子中释放出来，然后通过导电材料流向外部电路，产生电能。
与传统的硅基太阳能电池相比，染料敏化纳米晶体太阳能电池具有以下优势：首先，染料敏化纳米晶体太阳能电池的制备工艺简单、成本低廉；其次，染料敏化纳米晶体太阳能电池可以在弱光照射下工作，因此具有较高的光电转换效率；最后，染料敏化纳米晶体太阳能电池的柔性和透明性优势，使得其应用范围更加广泛，可以用于建筑物外墙、车辆玻璃等领域。
目前，染料敏化纳米晶体太阳能电池已经被广泛研究，并且在某些特定应用场景中已经开始商业化应用，未来将有更多的科研机构和企业加入到这个领域中，推动染料敏化纳米晶体太阳能电池技术的发展，为人们提供更加便捷和环保的能源解决方案。
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染料敏化太阳能电池
染料敏化太阳能电池
染料敏化太阳能电池(Dye-Sensitized Solar Cells，DSSCs)是一种太阳能转换技术，它利用来自太阳能源的可再生能源来产生电能。
DSSCs 具有体积小、成本低、简单结构及
高性能的优点，是当今太阳能应用开发的重点之一。
DSSCs 的基本结构是一个带氧化空隙的薄膜，通常称为光敏层，它由一个氧化物(通
常是TiO2)和染料混合物组成。
染料的主要作用是将太阳能转换为可被空隙电荷转移的 6 至 8 光子电荷。
接下来，光子电荷穿过 TiO2 的空隙转移到层间电子传输剂。
当染料被
电子传输剂充电后，它将被转移回正极材料，从而生成电流。
此外，DSSC 内部还有一层
电解质膜与正极材料反应，产生盐极化供给整个电池能量，并回流以保持整个电池平衡，
使其便于存储能量和恒定输出电流。
在DSSCs 中，最重要的组成部分是染料，它们具有分解太阳能的能力，并响应光能来吸收能量，有效地将能量转化为可以通过电荷转移进行存储的光子电荷。
染料也会影响DSCC 的整体性能，染料应具有合适的紫外线 - 可见能量跨越范围和优良的光动力学性能，以最大程度地提高太阳能转换效率，同时突出它的可靠性和经济性。
在近年来，随着新型
染料的迅速发展，染料敏化太阳能电池的效率和成本也有了显著的改善。
综上所述，染料敏化太阳能电池的表现令人印象深刻，因为它具有体积小、成本低、
简单结构及高性能的优点，是太阳能应用开发的重点之一，在未来，它将有效地帮助人类
利用可再生能源来发展可持续的能源系统，从而改善环境问题，提高我们的生活质量。
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。
染料敏化太阳能电池综述基本概念发展实验思路
光电转换效率
虽然染料敏化太阳能电池的光电转 换效率已经有所提高，但仍需进一 步优化以提高其在各种环境下的应 用潜力。
生产成本
目前染料敏化太阳能电池的生产成 本相对较高，需要探索更低成本、 高效的生产工艺和材料。
未来研究方向与展望
新型染料设计
研究新型染料以提高光电转换效率和稳 定性是未来的一个重要研究方向。
性能参数
开路电压
指在无负载条件下，太阳能电池的最 大输出电压。
短路电流密度
指在短路条件下，太阳能电池的输出 电流密度。
填充因子
指在最佳工作条件下，太阳能电池的 最大输出功率与开路电压和短路电流 密度的乘积之比。
光电转换效率
指太阳能电池的最大输出功率与入射 太阳光功率之比。
02
发展历程
早期研究与发展
结构与组成
光阳极
通常由透明导电基底（如玻璃）和 半导体材料（如二氧化钛）构成，
用于吸收太阳光并传递电子。
染料
含有有机染料的敏化剂，用于 吸收太阳光并传递电子。
电解质
包含氧化还原对的电解质，用 于接收来自导带上的电子并传 递给对电极。
对电极
通常为铂电极，用于接收来自 电解质中的电子并与光阳极构
成回路。
通过优化染料分子、电解质溶液和半导体 材料等手段，提高染料敏化太阳能电池的 光电转换效率。
降低染料敏化太阳能电池的制造成本，使 其更具市场竞争力。
拓展应用领域
解决环境问题
将染料敏化太阳能电池的应用领域从实验 室走向实际应用，如建筑、汽车和航空航 天等领域。
在生产和使用过程中，染料敏化太阳能电 池应尽量减少对环境的负面影响，如减少 有害物质的排放和废弃物的产生。
无机化学设计实验染料敏化太阳能电池
还原。 这样，电池正极负极之间产生电势差，外电路中产生电流。 反应方程式：I-+Dye+→I2+Dye I2+2e-→2I电池各组分： 1、 染料光敏化剂：染料光敏化剂（Dye）可以吸收光子被激发至激发态（Dye*），电子跃
【实验流程】
原理：
电池结构 ：导电玻璃——TiO2薄膜——染料光敏化剂——电解质溶液——炭黑——导电玻璃 电池原理
1
2012 级无机化学研究性实验
1、 负极：光子将染料光敏化剂激发至激发态，释放自由电子。TiO2也在光的激发下成为半 导体，形成空穴。TiO2空穴接受染料光敏化剂的电子，电子也随即传导至导电玻璃上。
2
2012 级无机化学研究性实验
鲜膜密封，一周后重新研磨，至最佳状态。 (2)取FTO玻璃，先用万用表测出其导电面，有示数的为导电面，用洗洁精清洗三遍然后用 无水乙醇洗掉ITO玻璃上面的水。将洗净晾干的导电玻璃导电面向上放在试验台上，使用两 层透明胶带固定住其四边其中3边约盖住1—2mm宽，而第四边约盖4—5mm宽（一般留比较窄 的那一面，有利于增大受光面积)胶带的大部分与桌面相粘，有利于保护玻璃不动，这样形 成一个约40—50μ m 深的沟，用于涂敷二氧化钛。在上面几滴TiO2溶液，先点在一侧，然后 用玻璃棒徐徐地滚动，（一次涂成效果也很好）使其涂敷均匀，尽量没有刮痕。其中四片涂 抹自己制备的TiO2，另一片涂抹涂抹买来的商业纳米TiO2。在制作的五组电池中，工业浆料 和一片自己的浆料使用玫瑰茄，另外三片使用另外三种染料，涂膜完成后，使二氧化钛膜自 然晾干，揭去透明胶带。将二氧化钛薄膜转入马弗炉中在450℃下烧结5小时，控制温度先慢 慢上升至400℃到450℃。C ,使其烧结至棕色，在慢慢冷却至室温回复至白色。在实验过程 中，二氧化钛薄膜烧结好后放置了6天，因此在进行染料吸附之前又烧制了一小时进行活化。 3.对电极的制备
染料敏化太阳能电池的设计与制备
染料敏化太阳能电池的设计与制备染料敏化太阳能电池是一种利用染料敏化的半导体材料转化太阳能到电能的装置。
其优点在于其制备简便，成本低，可在多种表面上实现太阳电池的制备。
本文将从染料敏化太阳能电池的原理、设计、制备及应用等几个方面进行论述，以期对染料敏化太阳能电池有更深入的了解。
一、染料敏化太阳能电池的原理染料敏化太阳能电池的原理是，在太阳辐射下，染料分子激发后吸收光子能量，其电子达到激发态，从而迅速注入到相邻的半导体TiO2导电带上形成电荷对，并在半导体中进行电荷传递，最终到达电极。
“染料敏化太阳电池”的光电转换过程主要包括两个步骤：光吸收步骤和载流子分离步骤。
图1：染料敏化太阳能电池的示意图二、染料敏化太阳能电池的设计在染料敏化太阳能电池的设计中，主要分为染料的选择、电解质的选择、半导体的选择以及电极的选择等几个方面。
1. 染料的选择：染料是染料敏化太阳能电池中最为关键的组件。
选择染料时，需要考虑染料的吸收光谱、光敏剂量、稳定性等因素。
2. 电解质的选择：电解质是染料敏化太阳能电池中最重要的组成部分。
它的选择会影响染料的导电性和稳定性，从而影响染料的性能表现。
3. 半导体的选择：染料敏化太阳能电池的半导体是主要的光电转换器件。
选择半导体时，需要考虑半导体的能带结构、光电转换效率、稳定性及成本等因素。
4. 电极的选择：染料敏化太阳能电池电极是连接半导体和外部电路的组成部分。
以透明的锡氧化物(TO)和金属的铂(Pt)为电极为例，TO电极的主要作用是保证半导体吸收到光线，而Pt电极的主要作用是在电荷分离后收集电荷。
染料敏化太阳能电池的制备方法主要有槽状、卷状、网状、量子点等多种结构。
1. 槽状染料敏化太阳能电池是通过在导电玻璃基板上涂覆TiO2粉末，然后通过浸泡法，向TiO2表面吸附染料，最后在半导体表面涂覆Pt电极的制备方法。
2. 卷状染料敏化太阳能电池是通过在铝箔上涂覆TiO2粉末，然后通过浸泡法，向TiO2表面吸附染料，并在TiO2表面涂覆Pt 电极后，将铝箔卷成螺旋形电极的制备方法。
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解读
能电池为主流，包括硅薄膜型(非晶硅、单晶硅、多晶硅薄膜)，化合物半导体薄膜型(GaAs、InP、CdS、CdTe、CuInGaSn(即CIGS))，有机薄膜型等。
最新的权威统计数据表明，单晶硅太阳能电池的光电转化效率已达到24.7％,多晶硅为19.8％,非晶硅为10.1％,CdTe为16.5％,CIGS为18.4％。
目前光伏发电市场正是被上述发展较为成熟的太阳能电池所占据。
除了上述已经商业化的太阳能电池以外，科学家们仍在致力于研究新的太阳能电池材料和结构。
其中一类染料敏化太阳能电池(Dye—SensitizedSolarCells，简称DSSC)近年来发展迅速。
其研究历史可以追溯到20世纪60年代，德国料敏化的光电转换效率比较低(<1％)。
1991年,瑞士洛桑高等工业学院的Gratzel教授和他的研究小组采用高比表面积的纳米多孔TiO2膜作半导体电极，以过渡金属Ru以及Os等有机化合物作染料，并选用适当的氧化还原电解质研制出一种纳米晶染料敏化太阳能电池，一举突破了光电转化效率7％。
1993年Gratzel等人再次报道了光电转化效率达10％的染料敏化纳米太阳能电池。
最新的数据表明该太阳能电池目前最高的光电转化效率达到10.96％，开路电压Voc为0.975V，短路电流Jsc为19.4mA／cm2，填充因子达到71％。
2.1 结构与原理以较为传统的硅太阳能电池为例，它的结构与工作原理是：太阳能电池发电的原理主要是半导体的光电效应，一般的半导体主要结构如下：硅材料是一种半导体材料，太阳能电池发电的原理主要就是利用这种半导体的光电效应。
一般半导体的分子结构是这样的：图中，正电荷表示硅原子，负电荷表示围绕在硅原子旁边的四个电子，而黄色的表示掺入的硼原子，因为硼原子周围只有3个电子，所以就会产生如图所示的蓝色的空穴，这个空穴因为没有电子而变得很不稳定，容易吸收电子而中和，形成P（positive）型半导体。
染料敏化太阳能电池讲义
应用领域
根据DSSC的透光性高，请便易携带，制作成本低的优点，应 用领域十分广泛，包括航空航天，建筑产业，电子产业，生活 家居等都可以使用该产品。
2. DSSC的制作原理及工艺流程
DSSC工艺流程
3，对电极的制备
将C纳米管/Pt电镀在导电玻璃上面， 加快电子的运动，提高氧化还原的速 率
4，DSSC电解液制备
常用的电解质包括液态、准固态、全 固态等。采用电解质将碘和碘化钠溶 于有机溶液中制备而成。
2. DSSC的制作原理及工艺流程
DSSC工艺流程
⑥ 纳米晶膜中传输的电子与进入TiO2 膜的孔 导带中： 中的I3-离子复合：
S* → S+ + e-(CB) I3 2e-(CB) → 3I-， ③-I-+ 离子还原氧化态染料可以使染料再生： ⑦ I3-离子扩散到对电极上得到电子使I-离子再 3I- + 2S+ → I3- + 2S， 生： ④ 导带中的电子与氧化态染料之间的复合： I3- + 2e-(CE) → 3I-， S+ + e-(CB) → S，
5，电池封装
采用热膜封装技术，将电池的四周用 绝缘加热封装固定。封装膜不宜太厚， 保证电池内部接触良好
6，DSSC电解液注入
将前面配制好的电解液用直径 100μ m的针孔将电解液注入到封装 好的DSSC中，完成后即为成品
2. DSSC的制作原理及工艺流程
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。
染料敏化太阳能电池毕业设计
染料敏化太阳能电池摘要染料敏化太阳能电池是目前太阳能电池研究的重要方向之一，因其工艺简单，成本低引起了各国科学家的广泛兴趣。
本论文选用天然植物为原料，提取其中的天然色素制备染料敏化太阳能电池。
详细介绍了染料敏化太阳能电池的设计及制备过程，并测出它的开路电压和短路电流，研究它的电学特性并分析影响它电学特性的因素。
关键字：太阳能 DSSC 天然染料新能源ABSTRACTDye sensitized solar cell is one of the important direction of the current solar cell research, because of its simple process, low cost has attracted wideinterest of scientists.This paper selects the natural plant as raw material, extracting the natural pigment, preparation of dye sensitized solar cell. Details of the dye sensitized solar cell design and preparation process, and to test the open circuit voltage and short circuit current of the electrical properties of it, and it analysis of the influencing factors of its electrical characteristics.Key Words:Solar energy DSSC Natural dyes New energy目录第1章课题整体框架 (1)1.1 课题任务 (1)1.2 课题要求 (1)1.3研究意义 (1)第2章设计方案 (3)2.1染料敏化太阳能电池的概述 (3)2.1.2 染料敏化太阳能电池的发展 (3)2.1.2 性能术语及基本概念 (4)2.1.2.1 I-V曲线 (4)2.1.2.2开路电压 (4)2.1.2.3 短路电流 (4)2.1.2.4填充因子 (4)2.1.3 染料敏化太阳能电池工作原理 (5)2.2 材料和仪器部分 (5)2.2.1 材料 (6)2.2.2仪器 (6)2.3 设计过程 (6)2.3.1 光阳极的制备 (6)2.3.1.1二氧化钛薄膜 (6)2.3.1.2 二氧化钛薄膜光阳极的制备 (6)2.3.2 天然染料的提取过程 (8)2.3.2.1 染料的要求 (8)2.3.2.2染料的提取 (10)2.3.3 对电极的制备 (13)2.3.4 电解液 (13)2.3.4.1 液态电解质系统 (14)2.3.4.2溶胶-凝胶（准固态）电解质系统 (14)2.3.4.3 全固态电解质系统 (15)2.3.4.4 电解液的制备 (15)2.3.5 电池的组装 (15)2.3.5.1 染色 (15)2.3.5.2 电池组装 (15)2.3.6 染料敏化太阳能电池的电学性能测试 (15)第3章调试与实现 (18)3.1 实现功能描述 (18)3.2 实验结果分析 (18)3.3 设计中的重点难点 (19)3.3.1 设计中的重点 (19)3.3.2 设计中的难点 (19)3.4 解决方案 (19)3.5 实现展示 (20)第4章总结 (21)第1章课题整体框架参考文献 (22)第1章课题整体框架1.1 课题任务1、用溶胶-凝胶法制备纳米薄膜；2、选择并提取天然染料；3、设计并制作染料敏化太阳能电池；4、测出其开路电压及短路电流等数据，分析DSSC性能及影响因素。
染料敏化太阳能电池材料的改进与优化
染料敏化太阳能电池材料的改进与优化染料敏化太阳能电池作为一种新型的太阳能转换设备，具有重要的应用前景。
然而，目前染料敏化太阳能电池在效率、稳定性和成本等方面还存在一些问题，需要进行改进与优化。
首先，染料敏化太阳能电池的效率是一个重要指标。
目前，染料敏化太阳能电池的效率已经有了一定的提升，但仍然远远低于传统硅太阳能电池。
这是因为传统硅太阳能电池具有更高的光电转换效率和更低的电子复合率。
为了提高染料敏化太阳能电池的效率，可以从多个方面着手。
首先，可以优化染料吸附层的结构，提高光吸收效率。
其次，可以改进电解质材料，增强电子传输效率。
此外，还可以尝试引入新型染料材料，提高光电转换效率。
通过这些改进和优化措施，染料敏化太阳能电池的效率有望得到进一步提高。
另外，染料敏化太阳能电池的稳定性也是一个亟待解决的问题。
目前，染料敏化太阳能电池在长期使用过程中会受到光热变化、氧化和湿度等环境因素的影响，导致效率下降甚至失效。
为了提高电池的稳定性，有几个关键方面需要考虑。
首先，可以改进染料分子的结构，增加其抗光热变化和氧化的能力。
其次，可以优化电解质材料，提高其耐湿度性能。
此外，还可以改善电池的封装材料，防止其受到外界环境的侵蚀。
通过综合考虑这些因素，可以使染料敏化太阳能电池在稳定性方面有所突破。
除了效率和稳定性，染料敏化太阳能电池的成本也是一个需要解决的问题。
目前，染料敏化太阳能电池的制备过程较为复杂，成本较高。
为了降低成本，可以考虑采用更简单、低成本的制备方法，如溶液法和印刷法。
此外，可以尝试使用更廉价的材料，如钙钛矿材料等，替代传统的染料材料。
通过这些措施，染料敏化太阳能电池的成本有望得到降低，进一步推动其商业化应用进程。
总之，染料敏化太阳能电池作为一种新兴的太阳能转换设备，在未来的能源领域具有巨大的发展潜力。
为了实现其商业化应用，还需对其材料进行改进与优化。
目前，染料敏化太阳能电池的效率、稳定性和成本等方面仍然存在一些问题，需要通过改进染料吸附层结构、优化电解质材料和降低制备成本等措施来解决。
染料敏化太阳能电池的性能改进与机理探究
染料敏化太阳能电池的性能改进与机理探究染料敏化太阳能电池（DSSC）作为一种新型的太阳能电池，由于其低成本、易制备、可用于柔性器件等优点，引起了广泛关注。
它的工作原理是通过染料吸收太阳光，激发染料分子中的电子从而形成电荷对，并将其注入半导体电解质界面，从而产生电流。
但是，DSSC的效率仍然低于硅基太阳能电池。
因此，提高DSSC的光电转化效率成为一个重要的研究方向，本文将从两个方面进行讨论。
一、增强光吸收DSSC的光吸收效率与染料分子的光谱响应有关。
由于染料中的吸收峰只覆盖了太阳光的一小部分波长范围，因此必须利用多种染料混合来增强其光吸收。
此外，金属或碳纳米颗粒等光子转换剂的引入也可以增强光吸收。
然而，目前染料的热损失问题仍然限制了效率的进一步提高。
通过添加热稳定性比较好的染料，或者将DSSC材料放置在低温环境下等措施可以减小热损失，提高光电转换效率。
二、改进电子传输和电荷分离DSSC的电子传输和电荷分离过程对于太阳能电池的效率至关重要。
一些研究表明，在DSSC中添加锂离子等掺杂剂可以增加电解质中的离子浓度和电导率，改进电子传输和电荷分离等效应。
同时，通过制备新型半导体材料，优化电解质，如采用H2O 电解质或低挥发耐热盐类等，可以在一定程度上提高电荷分离和电子传输速度，从而改善电池效率。
结论要想完全发挥DSSC的优势，还需要针对具体应用场景，优化电池的薄膜厚度、电极表面状态、电极光滑度等因素。
此外，对于光敏染料分子的设计、新型材料开发、机理探究，也是提高DSSC效率的关键因素。
总之，DSSC技术的发展需要多学科的交叉融合和合作，除了物理、化学、材料科学等学科的贡献外，还需要工程技术领域的不断创新和发展，使之最终走向商业化及应用普及。
染料敏化太阳能电池 试题
染料敏化太阳能电池试题
染料敏化太阳能电池（DSSC）是一种第三代太阳能电池技术，具有许多独特的特点和优势。
首先，DSSC利用染料分子吸收光子产生电子，这使得它对光的利用效率非常高。
其次，DSSC可以在弱光条件下工作，这意味着它可以在阴天或室内光照条件下仍然产生电能。
此外，DSSC的制造成本相对较低，因为它使用的材料相对便宜且易于加工。
另外，DSSC的柔性和透明性使得它可以被应用于各种形状和表面，包括建筑物外墙和窗户等。
然而，DSSC也面临一些挑战。
首先，染料分子的稳定性和光电转换效率仍然需要改进，以提高DSSC的整体性能。
其次，DSSC的寿命相对较短，这意味着它需要更频繁的维护和更换。
此外，DSSC 在高温和潮湿环境下的稳定性也是一个问题，这限制了它在某些地区的应用。
最后，DSSC的能量密度相对较低，这意味着它需要较大的面积才能产生足够的电能。
为了克服这些挑战，研究人员正在致力于开发新型的染料分子和电解质，以提高DSSC的光电转换效率和稳定性。
此外，一些研究也在探索将DSSC与其他太阳能电池技术相结合，以实现更高的整体性能。
总的来说，DSSC作为一种新型的太阳能电池技术，具有巨大
的潜力，但仍然需要进一步的研究和发展才能实现其商业化和大规模应用。
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染料敏化纳米TiO2太阳能电池工作原理
染料敏化太阳能电池
D、D*分别是染料的基态和激发态，I-/I3-为氧化还原电解质。
2
工作相关原理
其中，反应（1-4）的反应速率越小，电子复合的机会越 小，电子注入的效率就越高；因此，第（1-4）步——导带 电子与氧化态染料的复合是研究电解质溶液的核心内容之 一。
化石能源
核能
风能
太阳能
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单晶硅太阳能电池 1991年之前，人们对太阳能的利用停留在利用半导体硅材料太阳 能电池上，这种太阳能电池虽然已经达到了超过25%的转化效率
工业诞生背景
但是它的光电转化机理要求材料达到高纯度且无晶体缺陷，再加之硅的 生产价格居高，这种电池在生产应用上遇到了阻力
1
新型太阳能电池
新生化学 挑战赛
A5组 李磊 王立丰 王瑞
染料敏化太阳能电池
主讲人：王立丰
染 料 敏 化 太 阳 能 电 池
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2
工业诞生背景 工作相关原理 产品优越性 当今瓶颈问题
3
4
1
能源危机问题
工业诞生背景
在能源危机日益加深的今天，由于化石能源的不可再生；氢能利用中的储氢材料问题依然没有解决；核 能、风能利用难以大面积推广；太阳能作为另一种可再生清洁能源足以引起人们的重视。利用太阳能， 已经是各相关学科一个很重要的方向。
染料敏化太阳能电池
电解质问题
染料敏化太阳能电池的发展潜力显而易见，但现在大多数染料敏化太阳能电池采用 液态电解质，其电极腐蚀、电解液泄露、寿命短等一系列问题还有待解决。寻找合 适的固态空穴传输材料来代替液态电解质，制备全固态的染料敏化太阳能电池将是 一个重要的研究方向。
对电极问题
对电极在反应中起着收集外电路电子和催化还原I、再生I的作用。对电极必须具有优异 的电子传导能力和高催化活性，目前，Pt仍是最佳的催化材料，但由于Pt是贵金属， 成本当然高，当前的碳对电极 、导电聚合物制作的电极较好的解决了此问题，但寻找 合适的催化料来降低成本同时又要具有较高催化效率仍是面临的主要任务
染料敏化太阳能电池
敏化材料问题
染料分子被称为电池中的光子马达，正是它对光子的响应才驱动了整个器件的运 作。以锐钛矿型TiO2为例，其禁带宽度为3.2eV，仅对紫外光有响应，只有通过染 料敏化才能实现对可见光的吸收，同时高效率的染料必须同时具备以下特征: ①能够与TiO2表面形成牢固的化学键合； ②在可见光乃至红外光区有强而宽的吸收； ③激发态寿命足够长； ④稳定性高、可逆性好。 可见染料敏化太阳能电池对敏化材料的要求很高，其进一步发展将面临如何降低成 本、如何提高其稳定性以及如何拓宽光谱响应范围这三方面挑战
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工作相关原理
4）注入到半导体导带中的电子与氧化态的染料发生复合反应： D+ + e- → D（电子复合） （1-4） 5）注入到半导体导带中的电子与电解液中的I3-发生复合反应： I3- + 2e- → 3I-（暗电流） （1-5） 6）电解质溶液中的电子供体I-提供电子后成为I3-，扩散到对电 极，在电极表面得到电子被还原： I3- + 2e- → 3I-（电解质被还原） （1-6） 000 7）注入半导体导带的电子被收集到导电基片，并通过外电路流 向对电极，形成电流。
染料敏化太阳能电池
D、D*分别是染料的基态和激发态，I-/I3-为氧化还原电解质。
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工作相关原理
1）当能量低于半导体的禁带宽度且大于染料分子特征吸收波长的入射 光（h ）照射到电极上时，吸附在电极表面的基态染料分子（D）中的电 子受激跃迁至激发态。 D + h → D* （染料激发） （1-1） 2）激发态染料分子(D*)将电子注入到半导体导带中，此时染料分子自 身转变氧化态。 D* → D+ + e- → Ecb （1-2）
3）处于氧化态的染料分子（D+）则通过电解质（I-/I3-）溶液中的电子 给体（I-），自身恢复为还原态，使染料分子得到再生。 3I- + 2D+ → 2D + I3-（染料还原） （1-3）
染料敏化纳米TiO2太阳能电池工作原理
染料敏化太阳能电池
D、D*分别是染料的基态和激发态，I-/I3-为氧化还原电解质。
1991年，瑞士的Gr‘ tzel教授小组做出了染料敏化太阳能电池，他们 的电池基于光合作用原理，以羧酸联吡啶钌配合物为敏化染料，以二 氧化钛纳米薄膜为电极，利用二氧化钛材料的宽禁带特点，使得吸收 太阳光激发电子的区域和传递电荷的区域分开，从而得到了7.1%的 高光电转换效率，这种电池目前转换效率已高达15%。
染料敏化纳米TiO2太阳能电池工作原理
染料敏化太阳能电池
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染料敏化太阳能电池效率（%）
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15 10 5 0 1993 2011 2014 2016 染料敏化太阳能电池效率
DSC 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 计每蜂瓦的电池的成本在10 元 以内; （5）生产过程中无毒无污染; 这一新型太阳电池有着比硅电池更为广泛的用途： （1）可用塑料或金属薄板使之轻量化， 薄膜化; （2）可使用各种色彩鲜艳的染料使之多彩化; （3）可设计成各种形状的太阳能电池使 之多样化。 总之染料敏化纳米晶太阳能电池有着十分广阔的产业化前 景，是具有相当广泛应
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工业诞生背景
染料敏化太阳能电池
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工作相关原理
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I¯/I3¯。