关于染料敏化太阳能电池-一篇本科毕业论文

关于染料敏化太阳能电池-一篇本科毕业论文第一章绪论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。

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1.1.1Ｐ—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。因此,制造太阳能电池的半导体材料的带隙宽度应在

1.1eV~1.7eV之间,由太阳光谱可知,最好是1.5eV左右。当光照在半导体

上满足Eg，在Ｐ型和Ｎ型两区内，就会光激发产生电子—空穴对。如果

在一个扩散长度的范围内，这些被激发出来的电子或空穴，就都有可能在

复合之前通过扩散运动到达Ｐ—Ｎ结的强电场区。半导体Ｐ—Ｎ结的界面

附近，电荷积累形成的阻挡层（耗尽层）中有一个强电场，场强方向由Ｎ

区指向Ｐ区。这样，在强电场的作用下，空穴由Ｎ区漂移到Ｐ区，而电子

则由Ｐ区漂移到Ｎ区。这样被激发的自由电子和空穴分别向左右漂移,将

使Ｐ区带正电，Ｎ区带负电，从而产生光生电动势Vph,接上负载R就可

产生光生电流Iph。

1.1.2太阳能电池的种类和研究进展

太阳能电池可分为固体电池和液体电池。前者如硅太阳能电池,后者

如半导体电解质太阳能电池。制作太阳能电池主要是以半导体材料为基础。根据所用材料的不同,太阳能电池又可分为:

(1)硅太阳能电池;根据不同硅晶体材料可分成单晶硅太阳能电池,多

晶硅太阳能电池和非晶硅太阳能电池有单晶硅(c－Si)，多晶硅(ploy－Si)，非晶硅(a－Si)；

(2)无机化合物太阳能电池如砷化镓(GaA)，铜铟镓硒(CuInGaSe)，碲

化镉(CdTe)等;

(3)有机/聚合物太阳能电池;(4)纳米晶太阳能电池等。

尽管制作电池的材料不同,但其材料一般应满足以下几个要求:(1)半

导体材料的禁带不能太宽;(2)要有较高的光电转换效率;(3)对环境不造成

污染;

(4)便于工业化生产且性能稳定。

而开发太阳能电池的两个关键问题就是:提高转换效率和降低成本。由于目前市场上的太阳能电池产品硅太阳能电池制造成本过高,不利于广泛应用。而九十年代发展起来的染料敏化纳米晶二氧化钛(TiO2)太阳能电池（DSSC）的优点在于它廉价的成本和简单的工艺及稳定的性能,已成为传统太阳能电池的有力竞争对手。其光电效率稳定在10%,制作成本仅为硅太阳能电池的1/5～1/10,寿命能达到20年以上。

1.2DSSC的结构和基本原理

太阳能发电是太阳能利用的重要领域之一,它具有高效、清洁、低成本的优势。1991年瑞士学者Gratzel等[2]在Nature上发表文章,研制出了以过渡金属Ru的配合物作为染料的纳米晶膜TiO2太阳能电池,其光电转换效率达到7.1%--7.9%,光电流密度大于12mA/cm2,引起了世人的广泛关注.目前,染料敏化纳米二氧化钛太阳能电池的光电转换效率已达到了11.18%[3,4,5].且成本比硅太阳能电池大为降低,性能稳定,应用前景十分诱人。

1.2.1DSSC的结构

染料敏化太阳能电池是由透明导电玻璃,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(图1.2.1)其光电转换在几个界面完成:(1)染料和TiO2纳晶多孔膜组成的界面;(2)染料分子和电解质构成的界面;(3)电解质和对电极构成的界面。

图1.2.1染料敏化纳米晶太阳电池结构示意图1.2.2DSSC的基本原理在上图的结构中，染料敏化太阳能电池与传统P-N太阳能电池不同，它对光的捕获和电荷的传输是分开的。TiO2的禁带较宽，不能直接太阳

的可见光，于是在上面附着一层对可见光吸收良好的染料作为光敏剂。其光电转换机理如图1.2.2所示，过程如下：

(1)太阳光(hμ)照射到电池上,基态染料分子(D)吸收太阳光能量被激发,染料分子中的电子受激跃迁到激发态,染料分子因失去电子变成氧化态(D某)D+hμ——D某(染料激发)(2)激发态的电子快速注入到TiO2导带中D某+TiO2——e-(TiO2导带)+氧化态染料(光电流产生)

(3)注入到TiO2导带中的电子在TiO2膜中的传输非常迅速,可以瞬间到达膜与导电玻璃的接触面,并在导电基片上富集,通过外电路流向对电极;同时,处于氧化态的染料分子,由电解质(I-/I3-)溶液中的电子供体(I-)提供电子而回到基态,染料分子得以再生

氧化态染料+还原态电解质——D+氧化态电解质(染料还原)

(4)电解质溶液中的电子供体(I-)在提供电子以后(I3-),扩散到对电极,得到电子而还原

氧化态电解质+e-(阴极)——还原态电解质(电解质还原)(5)注入到TiO2导带中的电子与氧化态的染料发生复合反应氧化态染料+e-(TiO2导带)——D(电子复合)(6)注入到TiO2导带中的电子与电解液中的I3-发生复合反应氧化态电解质+e-(TiO2导带)——还原态电解质(暗电流)其中,反应(5)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;反应(6)是造成电流损失的主要原因。1.2.3基本概念[1]大气质

量数

对一个具体地理位置而言，太阳对地球表面的辐射取决于地球绕太阳的公转与自转、大气层的吸收与反射以及气象条件（阴、晴、雨）等。距离太阳一个天文单位处，垂直辐射到单位面积上的辐照通量（未进入大气