染料敏化太阳能电池的进展综述

染料敏化太阳能电池的进展综述

王若瑜

（北京清华大学化学系100084 ）

【摘要】由于染料敏化太阳能电池具有优良的稳固性和高转换效率，它具有极大的应用前景。本文就染料敏化太阳能电池的原理、齐电池组成结构的优化等，对国内外学者的研究工作做以综述评论。

【关键词】太阳能染料敏化电极TiO?薄膜

在能源危机日趋加深的今天，由于化石能源的不可再生：氢能利用中的储氢材料问题仍然没有解决：风能、核能利用难以大而积推行；太阳能作为另一种可再生淸洁能源足以引发人们的重视。利用太阳能，已是各相关学科一个很重要的方向。

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【1】上，这种太阳能电池虽然已经达到了超过15%的转化效率，可是它的光电转化机理要求材料达到髙纯度且无晶体缺点，再加上硅的生产价钱居高，这种电池在生产应用上碰到了阻力。

1991年，瑞士的GFtzcl教授小组做出了染料敏化太阳能电池【2】，他们的电池基于光合作用原理，以拔酸联毗唳钉配合物为敏化染料，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，从而取得了％的髙光电转换效率【3】，这种电池目前达到最高的转换效率是% （6L由于这种电池工艺简单，本钱低廉（约为硅电池的1/5-1/10） [4],而且可选用柔质基材而使得应用范用更广，最重要的是，它具有稳固的性质，有髙光电转换效率，这无疑给太阳能电池的进展带来了庞大的变革【9】。

正因为染料敏化电池的上述长处，许多学者就它的机理、各个组成部份的优化等相关内容作了一系列实验，这篇论文将就这些方面做以综述简介，并加以分析和评论。

2, 染料敏化太阳能电池工作原理

染料敏化太阳能电池的选材

TiO?材料具有稳固的性质，且廉价易想，是理想的工业材料。由于它的禁带宽度是，超过了可见光的能量范围（~）,所以需要用光敏材料对其进行修饰。其中的染料敏化剂指多由钉（Ri「）和娥（Os）等过渡金属与多联毗咙形成的配合物；实验证明，只有吸附在TiO? 表面的单层染料分子才有有效的敏化作用【3】，所以人们往往采用多孔纳米TiO?薄膜，利用其大的比表而积吸附更多染料分子，利用太阳光在粗糙表面内的多次反射从而被染料分子反复吸收提高电池效率：电解质随染料的不同而有不同的选择，总的来讲，以含1% -离子对的固态或液态电解质为主。

由于电解质状态的不同，染料敏化太阳能电池分为液相电解质的湿化学太阳能电池和固相电解质的固态太阳能电池。

湿化学染料敏化太阳能电池结构及原理⑴⑷

如

图1液体电解质染料敏化••代化钛电池的结构示意图

当能量低于二氧化钛禁带宽度且知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+h u -*D* （染料澈发）

被激发的电子注入二氧化钛导电层，被搜集到导电基片,再通过外电路流向对电极，形成电流。算了经被氧化的染料分子在电解液中被还原：

D* - D+ + c・一Ecb （光电流产生）

D++X- - D+X （染料还原）

X + e- - X （电解质还原）

半导体电极染料电解质溶液透明刈电极

图2液态屯解质敏化二氧化饮屯池的光电转换原理图

整个进程完成了光电循环，个反映物状态不变，光能转换为电能。可是由于电解液采用液态，无益于电池性能的稳固。且进程中有：

氧化态染料+ e - （TiO2导带）一基态染料（电子复合）

氧化态电解质+ e - （TiO2导带）一还原态电解质（暗电流）

电子复合无益于转换效率的提髙，暗电流则会造成电流损失［51

态染料敏化太阳能电池结构及原理⑵

/金加电极

染料敏化的多相结致密二氧化钱层导电金屈

氧化物玻璃衬底

图3全固态染料敏化二氧化饮电池的

结构示意图

固态光电池用空穴传输材料代替了液态光电池中的液态电解质，其余二者不同不大。原理也类似：第一电子收到特定能量的入射光激发而跃迁，激发态的电子注入二氧化钛导带, 同时染料被氧化。二氧化钛导带中的电子通过外电路流向对电极，形成电流。与液态电池的区别在于，氧化态的染料分子通过将其空穴注入空穴传输材料而自身取得还原。

其光电转换式如下：

D +加-*D"（染料激发）

D*TD+ + e - TEcb

D-TD + h* （空穴）一价带（空穴传输材料）

二氧化钛电极染料空穴传输材料金屈电极

图4全固态敏化二氧化钛电池光电转换原理图

电池的开路电压取决于二氧化钛的费米能级和空穴传输材料的HOMO能级之差。

3, 电池优化的讨论

二氧化钛薄膜

二氧化钛薄膜的制备

纳米二氧化钛薄膜的制备方式包括溶胶凝胶法、水热反映法、溅射法、醇盐水解法、溅射沉积法、等离子喷涂法、丝网印刷法等［7L

Ladislav Kavan小组【2】采用TiCh的阳极氧化水解法制备TiCh薄膜.以15%TiCh水溶液和10%HCl做电解液（混入少量的Zn,控制钛处于三价），'‘阳极为导电氧化物电极•阴极为Pl 电极，电解液的PH值为2〜3,以饱和甘汞电极（SCE）为参比电极.通过TiCh水溶液的阳极氧化水解，从而在TCO电极上取得了TiO2层.形成的沉积层为1 um,在450 °C烧结后为锐钛矿结构.而且，沉枳层表现出n - TiO2半导体的电化学和光电化学活性而且，为了取得适合的粗糙度，需要对TCO电极上附着P25粒子进行烧结。戴松元等人【1】也利用阳极氧化法制备了高纯、致密的TiCh纳米膜。

蓝鼎小组【6】的实验则涉及了溶胶凝胶法、粉末涂敷法和磁控溅射法制备二氧化钛薄膜。

溶液凝胶法：取必然量的钛酸四丁酯溶于无水乙醇中，缓慢加入少量水,用二乙醇胺作