光电化学电池的发展和未来发展趋势

光电化学电池的发展和未来发展趋势

1508471008赵世南随着人类的工业文明得以迅猛发展，由此引发的能源危机和环境污染成为急待解决的严重问题，利用和转换太阳能是解决世界范围内的能源危机和环境问题的一条重要途径。世界上第一个认识到光电化学转换太阳能为电能可能实现的是Becquere，他在1839年发现涂布了卤化银颗粒的金属电极在电解液中产生了光电流，以后Brattain、Garrett及Gerisher等人先后提出和建立了一系列有关光电化学能量转换的基本概念和理论，开辟了光电化学研究的新领域。

光电化学池即通过光阳板吸收太阳能并将光能转化为电能。光阳板通常为光半导体材料，受光激发可以产生电子——空穴对，光阳极和对极（阴极）组成光电化学池，在电解质存在下光阳极吸光后在半导体带上产生的电子通过外电路流向对极，水中的质子从对极上接受电子产生氢气。

光电化学池中染料敏化纳米晶光电化学电池以其低成本和高效率而成为硅太阳能电池的有力竞争者。染料敏化太阳电池主要由透明导电玻璃、TiO2多孔纳米膜、电解质溶液以及镀铂镜对电极构成的“三明治”式结构。与p-n结固态太阳能电池不同的是，在染料敏化太阳电池中光的吸收和光生电荷的分离是分开的。染料敏化太阳能电池(DSSC)是由二氧化钛多孔膜、光敏化剂（染料）、电解质（含氧化还原电对）、镀铂对电极及导电基板组成的夹层结构。

光电化学池中染料敏化纳米晶光电化学电池其基本工作原理是：在染料分子的激发态、TiO2导带、SnO2（导电玻璃）导带、Pt（对电极）功函之间存在着一个能级梯度差，当染料分子吸收太阳光其中基态的电子受光激发跃迁到染料激发态能级后，在能级差的驱动下，电子将会迅速转移到TiO2导带中，经纳米晶TiO2膜空间网格的输运进入到SnO2导带，后经外路到达对电极，并与氧化还原电对进行电子交换后，依靠氧化还原电对在氧化态染料和对电极间完成电子转移，从而实现整个光电循环。

染料敏化太阳能电池的核心部分是纳米多孔半导体氧化物薄膜电极。敏化染料中染料分子是染料敏化太阳能电池的光捕获天线，是染料敏化太阳能电池的一个重要组成部分，它的作用就是吸收太阳光，将基态电子激发到高能态，然后再转移到外电路，它的性能是决定电池转换效率的重要因素之一。整个光电转换的性能决定于染料能级与TiO2能级的匹配情况以及它对太阳光谱的响应性能。到目前，最有效的敏化染料是含有4,4-二羧基-2,2-联吡啶配体的钌有机配

合物。电解质也是DSSC一个重要组成部分，它使氧化态的染料分子及时还原再生，以及在对电极获得电子而使自身得以还原，此外也提供电池内部导通，组成完整回路。对电极，氧化还原电对通过获得电子而得以再生。但通常这一反应的电势较高，但当采用铂作为对电极时，可以大大降低其反应的活化能。

实验制备过程（1）导电玻璃做前期处理，切割导电玻璃：按丝网印刷机的网格大小制图，按图在玻璃无导电膜的一面上切割，玻璃刀的斜度为45°为宜，在剖开玻璃时两手平行用力。（2）打孔：在制作光阴极时需要打孔，打孔位置应预先标记，根据工作面积大小选择打孔数目，在对电极的工作面外侧进行打孔。常用的打孔设备有超声波打孔机，激光打孔机等。（3）清洗玻璃：用棉球蘸洗衣液清洗导电玻璃，在带有导电材料一面，棉球应沿一个方向擦动；然后，依次使用无水乙醇、丙酮、无水乙醇浸泡，并进行超声处理，每一过程持续30min左右。（4）烧玻璃：去除玻璃上的有机物质制造电池的玻璃以450°的温度烧结，烧结时间为3小时，取出玻璃时温度降到120°。

制作光阳极（1）制备TiO2薄膜。目前制备TiO2薄膜的方法很多：浸渍法、旋转法、高温溶胶喷射沉积法、丝网印刷法、溅射法等多种技术，本文着重运用丝网印刷技术制备TiO2多孔薄膜电极，使TiO2胶体能够更好的吸附在导电玻璃上，以达到电子外电路输送效率更高的目的，过程如下：①根据丝网版的印刷位置调整丝网印刷机的印刷范围，利用网格图，将定位玻璃板与TiO2薄膜电极一块放到印刷台上，手调定位板的位置，观察玻璃基底处于丝印图案正下方的位置。②确定位置后，抬起丝网版，用胶带固定住定位玻璃板，并用铅笔轻轻勾勒出玻璃基底的具体位置。③放下丝网版后，在丝印图案边沿一端滴加少量的TiO2胶体，将软质刮刀调整到一定的高度，使刮刀的压力倾斜度约为45°，启动机器，让软质刮刀在丝网版上刮动一次，使胶体在刮刀的作用下通过网孔，均匀的沉积到导电玻璃上，尽量一次完成，多余的胶体回收利用。

④抬起丝网版，轻轻移出夹在中间的薄膜电极，置于干净处备用，及时用酒精溶液清洗丝网版及软质刮刀。若要制备多层不同粒径的TiO2薄膜，可采用逐层印刷法，每印刷一层薄膜都必须烧结一次。

将印刷有多孔薄膜的基底放入马弗炉内，膜面朝上，以每分钟15℃的速度升温，于450℃时温恒煅烧15min，当炉温自然冷却至350℃时恒温10min，接而继续以每分钟15℃的速度升温至450℃时恒温15min，最后将电极在马弗炉里面自然冷却，120℃时用镊子取出制备的多孔膜电极。烧结温度不宜过高，主要

除去胶体中的水分及有机物，使TiO2形成多孔的高比表面积形状，以吸收更多的染料分子，增大光的捕捉效率，过高的烧结温度反而会导致胶体薄膜的碳化，因此控制温度是极其重要的。（2）染料色素液的配制。敏化染料作为燃料敏化电池的光捕获天线，它的性能是决定电池光电转换效率的重要因素，它不仅需要很宽的可见光谱吸收，以尽可能多的利用太阳光，而且要紧密地吸附在薄膜电极表面和较好的稳定性，以便于长期循环使用。称取36mg染料样品放入50mL小烧杯中，用无水乙醇做溶剂，少量多次转移到100ml容量瓶内，快到刻线时用滴管定容，摇匀。最后放入小磁子，用黑色保鲜膜包裹容量瓶外侧，放在磁力搅拌器上搅拌24h充分溶解。（3）电极的染料敏化。将烧结好的TiO2薄膜电极浸泡到已配好的染料溶液中，密封保存12小时，使染料分子充分吸附在TiO2薄膜上，用镊子取出电极，无水乙醇冲洗电极染料层表面，洗去吸附在表面的染料分子，防止吸附松脱的染料对电子输送的干扰，用吹风机吹干，剩余的染料溶液及无水乙醇回收保存以备下次使用。

制作对电极（1）取少量氯铂酸用移液管均匀地涂在处理好的导电玻璃的导电面上，待其晾干后，放入炉子中，使其在温度300°的放置10分钟，420°的放置20分钟，然后降温降到120°时可出炉。

总体看来，染料敏化太阳能电池具备的低成本、高效率优点非常吸引人, 但目前若想实现大批量生产, 还有几个核心技术问题。随着各学科的快速发展，新材料、新技术的涌现，打开思路，综合技术，有理由相信，染料敏化电池是会有光明的前景的。

文献引用：

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