染料敏化太阳能电池

染料敏化太阳能电池

摘要：与硅基太阳能电池相比，染料敏化太阳能电池（DSSC）具有成本低、制备工艺简单、理论光电转化效率高、制备过程无毒无污染等优点，因而迅速成为该领域的研究热点，目前染料敏化太阳能电池的最高转化效率已达到12%以上，被认为是实现下一代光伏器件大规模利用的主要候选者，是极具研发潜力的太阳能电池之一。

关键词：太阳能电池，染料敏化，光阳极

前言

染料敏化太阳能电池被人们称为神奇的人造树叶，因此以天然植物色素作为光敏剂的太阳能电池一直都被各国所关注。染料敏化太阳能电池是1991年由瑞士科学家O’Regan与Gräztel首先发明的，并发表在Nature上，其报道了光电转化效率达7.1%的染料敏化太阳能电池。染料敏化太阳能电池具有原材料丰富、成本低、制作工艺简单及生产过程都是无毒无害等优点，成为最有发展前景的太阳能电池之一。染料敏化剂是染料敏化太阳能电池的重要组成部分，它通过吸收太阳光将基态的电子激发到激发态中产生光电子，然后再注入半导体的导带上。因此，染料敏化剂的好坏对染料敏化太阳能电池的光电性能起着决定性的作用。目前，已开发的染料敏化剂主要有金属配合物染料和纯有机染料。染料敏化太阳能电池是仿照光合作用原理研制出来的，因此天然染料作为纯有机染料的一部分，从染料敏化太阳能电池研究初期就引起各国专家的注意。1997年，Gräztel从黑莓中提取天然染料作为敏化剂敏化太阳能电池，得到的光电转化效率为0.56%。为了提高天然染料敏化太阳能电池的光电转化效率，研究者们在天然染料分子的基础上进行了改性，经过不断努力，Hara等合成了光电转化效率7.6%由香豆素衍生染料敏化太阳能电池，使天然染料敏化太阳能电池的光电性能得到了很大提高，更增加了人们研究天然染料的信心。天然染料原材料丰富分布广泛种类繁多，可以直接从天然的植物中提取，制备过程简单无污染，大大降低了染料敏化太阳能电池的生产成本[1]。

一、染料敏化太阳能电池（DSSC）的结构与原理

DSSC的基本结构如图1所示，主要包括：TCO透明导电玻璃（光阳极）、TiO2纳米晶粒薄膜、光敏染料、电解液以及对电极。当太阳光照射在染料敏化太阳能电池上，染料分子中基态电子被激发，激发态染料分子将电子注入到纳米多孔半导体的导带中，注入到导带中的电子迅速富集到导电玻璃面上，传向外电路，并最终回到对电极上。而由于染料的氧化还原电位高于氧化还原电解质电对的电

位，这时处于氧化态的染料分子随即被还原态的电解质还原。然后氧化态的电解质扩散到对电极上得到电子再生，如此循环，即产生电流。电池的最大电压由氧化物半导体的费米能级和氧化还原电解质电对的电位决定。[2]

图1. DSSC结构示意图

二、染料敏化太阳能电池的研究进展

1、光阳极

DSSC的光阳极是电池的核心部分，其制备方法和显微结构直接影响电池的光电转换效率。DSSC光阳极上的半导体材料多采用纳米多孔TiO2，它是染料分子的载体，同时分离并传输电荷。目前光阳极的研究重点主要是两方面：寻找制备半导体光阳极薄膜时，可以增大TiO2比表面积和改善TiO2表面活性的方法；由于电子在TiO2薄膜中电子的传输阻力大，影响电池转换效率的进一步提高，故寻找可以替代TiO2的其它半导体材料。

制备光阳极纳米多孔薄膜的方法很多，包括溶胶- 凝胶法、粉末涂敷法、水热法、液相沉积法、化学气象沉积法、电化学法等。其中粉末涂敷法在工业生产中称为丝网印刷法，具有工艺简单、适合大规模生产等优点，为电池的大规模工业化奠定了基础。以上方法所制得的都是无序膜，内在的传导率较小，不利于电荷载流子的分离和传输。电子在纳米晶网络的传输过程中与电子受体的复合也会引起电流的损失，在电极面积放大时尤为突出。未来膜电极的发展方向是制备高度有序的薄膜结构，如纳米管、纳米棒、纳米线、纳米阵列等。这些氧化物半导

体薄膜垂直平行排列于导电玻璃片的表面，其结构的有序性，利于电子空穴对的分离和传输且易于控制，有望进一步提高短路电流和开路电压。Nicholas等比较了高度有序的TiO2纳米棒阵列、高度有序的TiO2纳米管阵列、烧结的纳米TiO2粉体薄膜的光电转换效率，结果表明高度有序的TiO2纳米棒阵列薄膜作为光阳极时，光电转换效率最高，达到了5.4% [3]。

为了提高DSSC半导体薄膜中电子的传输效率，需要对薄膜表面进行修饰，常用的方法有：表面改性、半导体复合、离子掺杂以及紫外诱导等。[4]表面改性有TiCl4表面处理，TiCl4表面处理后的TiO2膜电子注入效率提高，单位体积内的TiO2量增多，TiO2的导电带边位置降低，最终提高了电池的开路电压与短路电流。黄春辉等还使用酸处理对薄膜表面进行改性，电池的电流、电压与转换效率都有提高。

半导体复合敏化是在TiO2膜表面包覆一层导带位置比较高的氧化物半导体，敏化后的薄膜能更有效地吸收光能，复合膜的形成能够改变薄膜中电子的分布，抑制载流子在传导过程中的复合，提高电子传输效率。周红茹等制备了CuCr2O4/TiO2复合薄膜，与纯TiO2薄膜相比，转化效率提高了22.6%达到6.5%。其原因是：两种半导体的导带、价带不同而发生交叠，激发到TiO2价带的电子很容易注入Cu-Cr2O4导带上，降低了电子-空穴对的复合几率，减小了暗电流；此外还改善了薄膜的结构，使吸附的染料增加，并且促进光生电子的导出，增大了光生电流。[5]

离子的掺杂会影响电极材料的能带结构，会抑制电子空穴对的复合，提高光生电荷的分离效率，离子掺杂一般是掺杂稀土元素与过渡金属元素。刘秋平等用Al3+掺杂TiO2薄膜，发现Al3+的存在增强了对半导体内电子和空穴的捕获，有效地降低了电子-空穴对的复合几率，并且TiO2平带电位发生正移，使电子从染料注入到TiO2的驱动力提高，其光电效率达到6.48%。吴季怀等研究了某些稀土离子的掺杂，主要是把染料不能吸收的红外光或者是紫外光转化为可以吸收的可见光，使其光电转化率得到很大提高。[5]

UV紫外照射也会提高电池的光电转换效率，2001年，Suzanne等用紫外光照射TiO2电极后发现，光电流得到大幅度的提高，整体的光电转换效率提高45倍，并且当停止紫外光照射后，UV对电池的影响作用仍然存在一段时间。

2、染料敏化剂

在染料敏化太阳能电池中，染料敏化剂的性能与DSC的光电转换效率有非常密切的关系，染料敏化剂就像捕获光的天线，起着收集能量的作用。敏化染料研究的工作重点有两个方面，一是合成和发展光谱响应范围更宽、成本更低、效率更高、稳定性更好的染料敏化剂；二是研究多种染料的协同敏化作用，拓宽光谱响应范围。用于DSSC的染料敏化剂可以分为合成染料敏化剂和天然染料敏化