有机太阳能电池

1 染料敏化太阳能电池及材料
➢DSSC 电池结构和组成
TiO2光电阴极
人高
纳米的基本概念
针头
红血球
分子及DNA
氢原子
100万 纳米 1千 纳米
20亿 纳米
1 纳米
0.1 纳米
1 染料敏化太阳能电池及材料
➢DSSC 电池结构和组成
TiO2光电阴极 纳米微粒的基本性质
电子能级的不连续性 •量子尺寸效应 •小尺寸效应 •表面效应 •宏观量子隧道效应
TiO2光电阴极
小尺寸效应
❖ 光吸收显著增加，并产生吸收峰的等离子共 振频移
❖ 磁有序态向磁无序态、超导相向正常相转变
❖ 声子谱发生改变
❖ 纳米颗粒的熔点降低
金
块状 1337K 2nm 600K
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➢DSSC 电池结构和组成
TiO2光电阴极
表面效应
表面效应是指纳米粒子的表面原子数与总原子数 之比随纳米粒子尺寸的减小而大幅度地增加，粒子的 表面能和表面张力也随着增加，从而引起纳米粒子性 质的变化。
TiO2光电阴极
量子尺寸效应、小尺寸效应、表面效应及量子隧道 效应是纳米微粒与纳米固体的基本特性。它使纳米 微粒和纳米固体呈现许多奇异的物理、化学性质， 出现一些“反常”现象。
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➢DSSC 电池结构和组成 TiO2光电阴极
TiO2 胶体 在 450 – 500°C
下煅烧
➢DSSC 电池结构和组成
TiO2光电阴极
量子尺寸效应
导电的金属在超微颗粒时可以变成绝缘体d, δ， 电子移动困难，电阻率增大，从而使能隙变宽，
磁矩的大小和颗粒中电子是奇数还是偶数有关 光谱线会产生向短波长方向的移动 催化活性与原子数目有奇妙的联系
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➢DSSC 电池结构和组成
1 染料敏化太阳能电池及材料
➢DSSC 电池简介
染料敏化太阳电池的优点：
从实用性角度来讲： 从染料敏化纳米薄膜太阳电池的结构可以看出，电
池是由双块透明导电玻璃及有一定颜色的染料和电解质构 成，而整个电池是透明的，且带一定颜色，所以可以通过 适当选择染料和电解质的颜色及TiO2膜的厚度来控制整个 电池的透光率，这样可以把电池用作窗户玻璃，即透光又 可当电池用。
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➢DSSC 电池结构和组成
TiO2光电阴极
量子尺寸效应
当粒子尺寸下降到某一值时，金属费米能级附近 的电子能级由准连续变为离散能级的现象和纳米半导体 微粒存在不连续的最高被占据分子轨道和最低未被占据 的分子轨道能级，能隙变宽现象均称为量子尺寸效应。
1 染料敏化太阳能电池及材料
1 染料敏化太阳能电池及材料
➢DSSC 电池结构和组成 TiO2光电阴极
纳米材料与纳米结构的定义
纳米材料指在三维空间中至少有一维处于纳米尺度范围或由 它们作为基本结构单元构成的材料。 基本单元按维数分：
零维：空间三维均在纳米尺度，如纳米尺度颗粒、原子团簇等 量子点 一维：空间有两维处在纳米尺度，如纳米丝，纳米棒、纳米管等 量子线 二维：空间有一维处在纳米尺度，如超薄膜，多层膜，超晶格等 量子阱
导电基底材料又称为导电电极材料,分为光阳极材料和光阴极材 料( 或称反电极). 目前作为导电基底材料的有透明导电玻璃、金属箔片、聚合物 导电基底材料等。 要求导电基底材料的方块电阻越小越好；光阳极和光阴极基底 中至少要有一种是透明的，透光率一般要在85%以上。 用于制备光阳极和光阴极衬底的作用是收集和传输从光阳极传 输过来的电子，并通过外回路传输到光阴极并将电子提供给电 解质中的电子受体。
TiO2光电阴极
小尺寸效应
当纳米微粒的尺寸与光波的波长、德布罗意波长、 超导态的相干长度或透射深度等物理特征尺寸相当或更 小时，晶体周期性边界条件被破坏；非晶态纳米微粒的 颗粒表面附近的原子密度减小，导致声、光、电、磁、 热、力学等特性呈现新的小尺寸效应。
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➢DSSC 电池结构和组成
1 染料敏化太阳能电池及材料
➢DSSC 电池结构和组成 导电基底材料
导电基底材料主要是透明导电玻璃，是在厚度为1-3mm的普通 玻璃表面镀上导电膜制成的。 主要成份是掺F的透明SnO2膜（FTO），在SnO2和玻璃之间有 一层几个纳米厚度的纯SiO2膜，目的是防止高温烧结过程中普 通玻璃中Na+ 和K+等离子扩散到SnO2导电膜中。 ITO也可作为该电池的导电衬底材料。
1976,H.Tsubomura,et al,ZnO,2.5%(at 563nm) 1993,M.Gratzel,Red-dye,10.0%(AM1.5) 1991,M.Gratzel,N3-dye,7.1-7.9%(AM1.5) 1998.K.Tennakone, CuI,4.5%(simulated sunlight)
有机太阳能电池
1 染料敏化太阳能电池及材料 2 有机聚合物太阳电池 3 有机光伏电池的理论及参数
太阳能电池归类及效率
Sorts of Solar Cell
結晶硅 硅
非晶硅
Materials 单晶硅(晶圆) 多晶硅(晶圆、薄膜) A-Si,a-SiC, a-SiGe
Cell (η%) module (η%)
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➢DSSC 电池结构和组成
TiO2光电阴极
宏观量子隧道效应
宏观量子隧道效应、量子尺寸效应将会是未来微电 子、光电子器件的基础，它确立了现存微电子器件进一 步微型化的极限。当微电子器件进一步微型化时必须要 考虑上述的量子效应。
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➢DSSC Байду номын сангаас池结构和组成
~12% ~8.3%
4~8%
太阳能电池应用
技术归类 III-V族
基本特性
应用领域
超高效率,超高稳定度
但成本极高
太空应用
单晶硅、多晶硅 有机化合物
高效率,高穩定度, 具成本竞争力
发电应用(取代传统发 电) ，电力供应源
效率及穩定度依產品訂 民生產品应用 定,極具成本竞争優勢 行动生活应用
以有机分子作为光作用材料的太阳能电池主要
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➢DSSC 电池结构
染料敏化纳米薄膜太阳电池电池主要由以下几部分组成： 透明导电玻璃、纳米多孔TiO2膜、染料光敏化剂、电解质和反电 极
1 染料敏化太阳能电池及材料
➢DSSC 电池结构
阳极：染料敏化半导体薄膜 TiO2膜:5~20um,1~4mg/cm2
阴极：镀铂的导电玻璃 电解质：I3-/I导电玻璃：8~10Ω/□
薄膜厚度一般约： 10 μm
粗糙度 > 1000 ，有效表面积
大
50-70% 的多孔性，使电解液
TiO2的SEM
充分渗入。
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▪ 一些无机纳米微粒暴露在大气中会吸附气体，并与气体 进行反应（储氢材料）
▪ 很大的比表面，加快化学反应过程 （高效催化剂）
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➢DSSC 电池结构和组成
TiO2光电阴极
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➢DSSC 电池结构和组成
TiO2光电阴极
宏观量子隧道效应
隧道效应：微观粒子具有贯穿势垒的能力 电子具有粒子性又具有波动性，存在隧道效应。一些宏观 物理量，如微颗粒的磁化强度、量子相干器件中的磁通量 等亦显示出隧道效应，称为宏观的量子隧道效应。
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➢DSSC 电池原理
导
电二 玻 氧染 璃 化料
钛
电 解 液
碳 电
导
极电
玻
璃
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➢DSSC 电池原理
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➢DSSC 电池原理
光
电子注入
染料
电解液
TiO2（20纳米左右）
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➢DSSC 电池结构和组成 导电基底材料
15~23%
14~18%
12~17%
10~16%
8~13%
6~9%
III-V族
GaAs(晶圆、薄膜) 18~35%
半导体 化合物
II-VI族 多元化合物
CdS,CdTe CuInSe2
10~14% 12~16%
染料敏化型 nMO(TiO2)/Dye/电解质
有机化合物 有机D/A型 高分子/小分子/纳米粉体
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➢DSSC 电池简介
1998,Sommeling et al 1998,M,Gratzel,Black-dye,10.4%(AM1.5)
2001,A.Hagfektt et al 6.2% (AM1.5) 2002,W.Kubo et al,6.0%(AM1.5)
2003, 1993,M,Gratzel,N719-dye,10.58%(AM1.5) 2004,M,Gratzel,11.04%(AM1.5)
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➢DSSC 电池结构和组成 TiO2光电阴极
纳米半导体薄膜的特征: 具有大的比表面积，使其能够有效地吸附单分子层染料，更
好地利用太阳光； 纳米颗粒和导电基底以及纳米半导体颗粒之间应有很好的电
学接触，使载流子在其中能有效地传输，保证大面积薄膜的 导电性； 电解质中的氧化还原电对（一般为I3-/I-)能够渗透到纳米半导 体薄膜内部，使氧化态染料能有效地再生。
可区分为四大类：
(1)染料敏化太阳能电池(dye-sensitized solar cell, DSSC)； (2)全有机半导体材质的太阳能电池； (3)高分子掺混碳六十及其衍生物的太阳能电池； (4) 高分子掺混无机纳米粒子的太阳能电池
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➢DSSC 电池简介
全称：染料敏化纳米薄膜太阳能电池，是近年发展起来的一 种太阳能电池，是由瑞士的Graktzel教授领导的研究小组首次 提出的，是基于自然界中的光合作用原理 而发明的．这种电 池以廉价的TiO2 纳米多孔膜作为半导体电极⋯ ，以Ru及Os等 有机金属化合物作为光敏化染料，选用适当的氧化一还原电 解质做介质，组装成染料敏化TiO 2纳米晶太阳能电池 (简称 DSSC电池)．
TiO2光电阴极
表面效应
表面原子所处的晶体场环境及结合能与内部原子有所不同， 存在大量的表面缺陷和悬空键，具有不饱和性质，因而极易与 其他原子反应，具有很高的化学反应活性。
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➢DSSC 电池结构和组成
TiO2光电阴极
表面效应
▪ 金属铜或铝的纳米颗粒一遇空气就会燃烧，发生爆炸 (炸药、火箭）
2003,M.Gratzel, 6.6% (AM1.5)
图1.12 TiO2染料敏化太阳电池发展简况
1 染料敏化太阳能电池及材料
➢DSSC 电池简介
染料敏化太阳电池的优点：
• 从经济角度来讲： 若批量生产，电池的成本在5—10元/(峰瓦)左右[3]，而普通 的硅电池在20-40元/(峰瓦)，因而染料敏化纳米薄膜太阳电 池电池非常适合批量生产，满足城市居民以及广大农村的需 要，特别是对我国近七千万边远地区人口的用电具有实际的 意义。
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➢DSSC 电池结构和组成
TiO2光电阴极
纳米微粒尺寸 d(nm) 10 4 2 1
表面效应
包含总原子数
3×104 4×103 2.5×102
30
表面原子所占比例 (%) 20 40 80 99
纳米微粒尺寸与表面原子数的关系
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➢DSSC 电池结构和组成
1 染料敏化太阳能电池及材料
➢DSSC 电池结构和组成 TiO2光电阴极
半导体薄膜主要是纳米TiO2多孔薄膜。它是染料敏化太阳电池 的核心之一，作用是吸附染料光敏化剂，并将激发态染料注入 到电子传输到导电基底。 主要有TiO2，ZnO，Nb2O5，WO3，Ta2O5，CdS，Fe2O3和 SnO2等。
1 染料敏化太阳能电池及材料
➢DSSC 电池简介
染料敏化太阳电池的优点：
• 战略角度来讲 我国是一个能源的消耗大国，特别是电力的短缺严重影响 我国的经济持续稳定发展。但是无论是核电还是火电所需 要的燃料都是非常有限的，发电的同时也给环境造成了严 重的污染。 因此我国尤其应当注重太阳能这种可再生绿色能源的开发 与利用。为经济、环境、社会的协调发展奠定良好的基础 。
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➢DSSC 电池简介
▪ 1991年，瑞士Grätzel M. 以较低的成本得到了>7%的光 电转化效率。
▪ 1998年，采用固体有机空穴传输材料的全固态DSSCs电 池研制成功，其单色光电转换效率达到33%，从而引 起 了全世界的关注。
▪ 目前，DSSCs的光电转化效率已能稳定在10％以上，寿 命能达 15～20年，且其制造成本仅为硅太阳能电池的 1/5～1/10。