染料敏化太阳能电池

感，二者曲线均较平稳，均有较好的稳定性。
应用
• 全球染料敏化太阳能电池（DSSC）的产业先驱者--G24 Innovations （G24i）总部位于美国加州。全球首批商用DSSC由G24i公司研发并上市，其
组件可替代传统的硅太阳能电池，且成本更低，更轻便耐用，在地形和光线
条件受限的地方均能适用G24i公司采用滚对滚(roll-to-roll）技术在柔性 基板上流水线快速制作，而国内企业目前还没有掌握染料敏化太阳能电池生 产线技术。 目前已有美国G24i公司、澳大利亚DYESOL公司、德国BOSCH公司、日本 SONY公司等多个国际大企业与中国长春应化DSSC研究组建立了密切合作关系， 致力于使这种新型太阳电池应用于汽车、电动工具、便携电子产品等多个领 域。美国G24i公司利用该成果生产的可用于日常生活的太阳电池，仅有10张 A4纸重叠在一起那么厚，也像纸一样柔软，且绚丽美观，即使在普通灯光下， 这种电池也能发挥作用。
目前制备纳晶TiO2多孔薄膜电极的方法主要有两种: • (1)采用商品化的TiO2纳米颗粒为原料，加入一定的溶剂制成TiO2 胶体，通过刮涂、丝网印刷等技术制备TiO2薄膜电极: • (2)以钛盐作原料，采用溶胶一凝胶水热法制备TiO2胶体，之后通 过刮涂、丝网印刷等技术制备TiO2薄膜电极。
氮掺杂TiO2的制备方法
DSSC输出参数
光电流-光电压曲线 （1）短路光电流(Isc)：电路处于短路时的光电流， 它等于光子转换成电子一空穴对的绝对数量，此时， 电池输出的电压为零。 （2）开路光电压（Voc）：电路处于开路时的光电 压称，此时，电池的输出电流为零。 （3）填充因子(FF)：电池具有最大输出功率（Pmax） 时的电流（Iopt）和电压（Vopt）的乘积与短路光电 流和开路光电压的乘积的比值称为填充因子；实际 上，填充因子在I-V曲线上是两个长方形面积之比。 Isc和Voc是电池最重要的两个参数，较大的 对于两者都相同的两个电池，起作用的就是 填充因子了，填充因子高的电池，能量转化 效率就高。
TiO2 N-TiO2
5.578 7.746
0.648 0.703
0.661 0.576
5.97 7.84
I-V曲线表明了N-TiO2比TiO2光阳极的短路光电流和开路光电压 都高，电子传输速度更快，有利于电子与空穴分离，光电转换 效率(η =7.84)比纯二氧化钛(η =5.97)有了显著提高，光电性 能得到明显改善，且I-T曲线表明N-TiO2比TiO2的电流响应更敏
气氛下灼烧法：将TiO2或其前驱体在空气或含氮气氛(NH3，N2或是NH3， 与Ar气的混合气体)中锻烧，气体受热分解出高活性的N离子渗入TiO2表面， 取代TiO2分子中少量的氧原子，生成TiO2-xNx型化合物，得到掺氮产品。 这种制备工艺是2001年Asahi提出的，目前较为常用。
水解沉淀法：先将氨水滴加到Ti(SO4)2水溶液中制得水解沉淀产物，再将洗
⑤导带(CB)中的电子在二氧化钛网络中传输到导电玻璃后接触面(BC)后而流入
到外电路中： ⑥在二氧化钛薄膜中传输的电子与进入二氧化钛膜间隙的I3-离子复合： ⑦I3- 离子扩散到对电极(CE)上,得到电子，使I-再生： 和其他太阳能电池不同，在染料敏化太阳能电池中，光的捕获和光生 载流子的传输是由敏化剂和TiO2半导体分别完成的。
•
光阳极：它是制备在导电玻璃上的纳米晶半导体薄膜，是DSSC的关键部分。目前 研究的电极材料只要有TiO2,ZnO,SnO2等，其中TiO2作为光阳极研究最为广泛。
TiO2光阳极
TiO2
优点 纳米TiO2具有 合适的禁带宽度， 化学稳定好、无毒， 具有优越的光电介 电效应，已在许多 方面获得了应用。 缺点 作为光阳极时 电子与空穴有一定 的复合，因此需要 对其进行改性研究， 其中掺杂TiO2的研 究占有很大部分。
产品展示
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结语
• 染料敏化太阳能电池虽然引起了各国科学家的关 注，但是还存在着一些制约因素，比如半导体材料 表面的缺陷，能量损失，染料稳定性有待提高，液 态电解质的封装问题，固态电解质的电导率低等， 导致总的能量转换率低，随着人们对清洁能源的强 劲需求，DSSC简单的制作工艺，较低的成本，以及 潜在的优越性能，将使其成为未来太阳能电池的主 导。
多孔的纳米晶TiO2电极结构极大的提高电极的染料吸附量，同时增加光线 在薄膜电极中的散射性能，提高光的吸收效率,同时溶液渗透性能好，几乎 每个纳米颗粒都与电解质接触，这为光生电子、空穴进行的界面氧化和还 原反应提供了有利的坏境。
DSSC中电流产生机理
TiO2光 阳极
对电极
电解质
具体过程如下：
①染料Dye受到可见光激发由基态跃迁到激发态(Dye*)： ②激发态染料分子将电子注入到半导体的导带(CB)中： ③I-离子还原Dye+ 使染料再生： ④导带中的电子与Dye+之间发生复合：
净的沉淀干燥后，在400℃煅烧1h，制备出氮掺杂二氧化钛。 溶胶-凝胶法：将钛酸盐或钛合物与氨水等含氮物质反应制备出溶胶-凝胶，
再干燥灼烧的方法制备出N掺杂TiO2。
还有机械化学法，激光脉冲法等。
TiO2与N-TiO2光阳极性能对比
9 8 7
light on off
N-TiO2
8
N-TiO2
Photocurrent(mA/cm )
[3] 康志敏，郝彦忠，王庆飞，童汝亭，戴松元，固态TiO2纳米太阳电池研究进展[J].化学研究与应用， 2003,15:31-35. [4] 王瑞斌,戴松元,王孔嘉. Sol-Gel法制备纳米TiO2过程中水解pH值的影响及其性能表征[J]. 功能材料, 2002, 3:296-297. [5] 王瑞斌,戴松元,王孔嘉.纳米TiO2对染料敏化纳米薄膜太阳电池的影响[J]. 中国科学院研究生学报 2001, 18:28-30. [6] X. Wang, Y. Yang, et al. Preparation of TiNxO2-x photoelectrodes with NH3 under controllable middle pressures for dye-sensitised solar cells[J]. Eur.J.Inorg. Chem. 2009,3481-3487. [7] 黄雪峰.水热法制备N掺杂纳米TiO2及其光催化活性研究[J]. 环境化学, 2006(1):16-19.
2.DSSC原理---组成部分
N3,N719
敏化剂
Pt,C
对电极
I-/I3-
纯TiO2, 掺杂修饰
DSSC
电解质 TiO2光 阳极
•
敏化剂：染料分子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 。在染料敏化太阳能 电池的发展中，钌的配合物一直起着重要的作用，所以将染料敏化剂分为多吡啶 配合物敏化剂、有机染料敏化剂和窄带隙半导体敏化剂三类。
参考文献
[1] O’Regan, B.; Grä tzel, M. A low-cost, high-efficiency solar cell based on dye-sensitized colloidal TiO2 films[J]. Nature, 1991, 353-737.
[2] Grä tzel, M. Photovoltaic and photoelectrochemieal conversion of solar energy[J]. Philos. T. Roy. Soe. A, 2007, 365: 993-1005.
染料敏化太阳能电池DSSC
目录
1. 2. 3. 4. 5. 6.
引言
DSSC原理 DSSC制作工艺 DSSC应用 结语 参考文献
1.引言
1.随着能源危机与环境污染问题越来越严重，社会各界对 能源消耗的可持续性发展日益重视，尤其引起了各国政府对 清洁的、可再生能源的关注和青睐。 2.太阳能作为一种新能源,具有取之不尽,用之不竭,就地取 材,对环境友好等特点。
,
•
电解质：在染料敏化太阳能电池中起着传输电子和再生染料的作用。对纳晶染料 敏化太阳能电池的电解质而言，首先要求具有合适的与染料相匹配的氧化还原能 级，其次电解质中离子输运要快。目前，最常用的电解液是将I-/I3－溶解在有机溶 剂中。
•
对电极：作为完整的电流回路，必须有一个对电极还原I3-离子，从而实现电子在 回路的传导，该反应越快，光电响应越快。目前采用的对电极主要有载铂的导电 玻璃和碳材料。
（4）光电能量转化效率（η）：电池的最大输出功
率与输入光的功率(Pin)的比值称为光电能量转化效 率。
Isc和Voc值是产生较高能量转化效率的基础。
3.DSSC制作工艺
合成纳米晶TiO2
NH3气氛中中压灼烧
得到N-TiO2
以N719为敏化剂 铂电极为对电极
分别组装成染料敏化太阳能电池
纳米晶TiO2多孔薄膜电极的制备方法
6
2
Phtocurrent(mA/cm )
2
6 5 4 3 2 1 0 20 40 60 80
TiO2
TiO2
4
2
0 0.0
0来自百度文库1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
100
120
140
160
Photovoltage(V)
Time(s)
I-T曲线
I-V曲线
结果讨论
工作电极 Isc(mA/cm2) Voc(V) FF η(%)
太阳能电池是太阳能利用的重要途径之一
多晶硅太阳能电池
国际空间站太阳能电池板
Solar Cells分类
单晶硅，多晶硅，非 晶硅 硅系太阳能电池
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染料敏化纳米晶 太阳能电池 DSSC
多元化合物薄膜太阳能电池
纳米晶太阳能电池
D
有机太阳能电池
1991年，由瑞士的科学 家Grä tzel等人采用二氧化钛 纳米粒子作为染料载体，制 作了染料敏化太阳能电池， 将其转化效率提高到7%，继 而迎来了DSSC的新时代。