染料敏化太阳能电池的发展综述

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染料敏化太阳能电池的发展综述

【摘要】由于染料敏化太阳能电池具有优良的稳定性和高转换效率，它具有极大的应用前景。本文就染料敏化太阳能电池的原理、各电池组成结构的优化等，对国内外学者的研究工作做以综述评论。

【关键词】太阳能染料敏化电极TiO2薄膜

1前言

在能源危机日益加深的今天，由于化石能源的不可再生；氢能利用中的储能材料问题依然没有解决；风能、核能利用难以大面积推广；太

阳能作为另一种可再生清洁能源足以引起人们的重视。利用太阳能，已经

是各相关学科一个很重要的方向。

1991年之前，人们对太阳能的利用停留在利用半导体硅材料太阳能电池上，这种太阳能电池虽然已经达到了超过15%的转化效率，但是它的光电转化

机理要求材料达到高纯度且无晶体缺陷，再加之硅的生产价格居高，这种

电池在生产应用上遇到了阻力。

1991年，瑞士的Gr' tzel教授小组做出了染料敏化太阳能电池，他们的电池基于光合作用原理，以羧酸联吡啶钌配合物为敏化染料，以二氧

化钛纳米薄膜为电极，利用二氧化钛材料的宽禁带特点，使得吸收太阳光

激发电子的区域和传递电荷的区域分开，从而得到了7.1%的高光电转换效

率，这种电池目前达到最高的转换效率是10.4%。由于这种电池工艺简单，

成本低廉（约为硅电池的1/5~1/10），并且可选用柔质基材而使得应用范

围更广，最重要的是，它具备稳定的性质，有高光电转换效率，这无疑给

太阳能电池的发展带来了巨大的变革。

正因为染料敏化电池的上述优点，许多学者就它的机理、各个组成部分的优化等相关内容作了一系列实验，这篇论文将就这些方面做以综

述简介，并加以分析和评论。

2，染料敏化太阳能电池工作原理

2.1染料敏化太阳能电池的选材

TiO2材料具备稳定的性质，且廉价易得，是理想的工业材料。由于它的禁带宽度是3.2eV ，超过了可见光的能量（1.71eV~3.1eV），所以需要用

光敏材料对其进行修饰。其中的染料敏化剂指多由钌（Ru）和锇（Os）等

过渡金属与多联吡啶形成的配合物；实验证明，只有吸附在TiO2表面的单

层染料分子才有有效的敏化作用，所以人们往往采用多孔纳米TiO2薄膜，利用其大的比表面积吸附更多染料分子，利用太阳光在粗糙表面内的多次

反射从而被染料分子反复吸收提高电池效率；电解质随染料的不同而有不

同的选择，总的来说，以含I-/I3 -离子对的固态或液态电解质为主。由

于电解质状态的不同，染料敏化太阳能电池分为液相电解质的湿化学太阳

能电池和固相电解质的固态太阳能电池。

2.2湿化学染料敏化太阳能电池结构及原理

主要由纳米多孔半导体薄膜、染料敏化剂、氧化还原电解质、对电极和导电基底等几部分组成。纳米多孔半导体薄膜通常为金属氧化物

(TiO2、SnO2、ZnO等)，聚集在有透明导电膜的玻璃板上作为DSC的负极。

对电极作为还原催化剂，通常在带有透明导电膜的玻璃上镀上铂。敏化染料吸附在纳米多孔二氧化钛膜面上。正负极间填充的是含有氧化还原电对

-/I-。

的电解质，最常用的是I

3

(1)染料分子受太阳光照射后由基态跃迁至激发态（D*）[2];

(2) 处于激发态的染料分子将电子注入到半导体的导带中;

电子扩散至导电基底，后流入外电路中;

(3) 处于氧化态的染料被还原态的电解质还原再生;

(4) 氧化态的电解质在对电极接受电子后被还原，从而完成一个循环;

(5) 和(6) 分别为注入到TiO2 导带中的电子和氧化态染料间的复合及导带上的电子和氧化态的电解质间的复合

研究结果表明：只有非常靠近TiO2表面的敏化剂分子才能顺利把电子注入到TiO2导带中去，多层敏化剂的吸附反而会阻碍电子运输;染料色激发态寿命很短，必须与电极紧密结合，最好能化学吸附到电极上;染料分子的光谱响应范围和量子产率是影响DSC的光子俘获量的关键因素。到目前为止，电子在染料敏化二氧化钛纳米晶电极中的传输机理还不十分清楚，有Weller等的隧穿机理、Lindquist等的扩散模型等，有待于进一步研究。

3染料敏化太阳能电池的特点

染料敏化太阳能电池与传统的太阳电池相比有以下一些优势：

⑴寿命长：使用寿命可达15-20年;

⑵结构简单、易于制造，生产工艺简单，易于大规模工业化生产;

⑶制备电池耗能较少，能源回收周期短;

⑷生产成本较低，仅为硅太阳能电池的1/5～1/10，预计每蜂瓦的电池的成本在10元以内。

⑸生产过程中无毒无污染;

经过短短十几年时间，染料敏化太阳电池研究在染料、电极、电解质等各方面取得了很大进展。同时在高效率、稳定性、耐久性、等方面还有很大的发展空间。但真正使之走向产业化，服务于人类，还需要全世界各国科研工作者的共同努力。

这一新型太阳电池有着比硅电池更为广泛的用途：如可用塑料或金属薄板使之轻量化，薄膜化;可使用各种色彩鲜艳的染料使之多彩化;另外，还可设计成各种形状的太阳能电池使之多样化。总之染料敏化纳米晶太阳能电池有着十分广阔的产业化前景，是具有相当广泛应用前景的新型太阳电池。相信在不久的将来，染料敏化太阳电池将会走进我们的生活。

4染料敏化剂

染料光敏化剂的性质是将直接影响染料敏化纳米晶太阳能电池的光电转换效率。对敏化染料分子的一般要求是：

(1) 能紧密吸附在TiO2 表面，要求染料分子中含有羧基、羟基等极

性基团；

(2) 对可见光具有吸收性能好；

(3) 激发态能级与TiO2导带能级匹配，激发态的能级高于TiO2导带

能级，保证电子的快速注入；

(4) 其氧化态和激发态要有较高的稳定性和活性；

(5) 激发态寿命足够长，且具有很高的电荷传输效率。

在近20年染料研究中,人们合成了近千种染料,其中只有少数具有良好的光电敏化性能。这一类染料主要是钌的多联吡啶络合物。除了钌的

多联吡啶络合物系列染料外,其他几类染料也具备一定的应用价值和潜力。

这包括：

(1)有机类染料；紫菜碱和酞菁类有机物首先引起了研究者的注意。

(2)复合染料；为了最大限度的吸收可见光，近红外光波段的太阳光

能,除了研究像钌的多联吡啶络合物那样的全黑染料以外，还有一种途径

就是把两种或多种在不同光谱段有敏化优势的染料嫁接在一起,形成一种

综合了各种嫁接染料优势在可见，近红外全波段均有较强光响应的复合染

料。之前,已有研究者把紫菜碱和酞菁染料嫁接在一起, 并敏化到纳米晶

TiO2电极表面,结果显示该复合染料叠加了两种染料的敏化优势。

(3)半导体量子点染料；此类染料是由PbS或者InAs这类

II,VI,III,V族窄禁带的纳米半导体颗粒组成。

(4)天然染料；从自然界提取天然叶绿素用作染料也是一种途径.研究

表明,Cu叶绿素敏化纳米晶TiO2膜在630nm处,能达到10%的光电转换效

率，用它制得的太阳能电池总的光电转换效率为2.6%。

(5)透明染料；能源科学家们都有一个共同的理想,就是用太阳能电池

板做窗玻璃.这在传统的硅太阳能电池领域简直不可思议,但是具备与窗

玻璃实现一体化的潜力。

5存在的问题及发展趋势

目前，染料敏化型太阳能电池已引起全世界范围内研究者的广泛兴趣和重视，但它的发展仍有一些制约因素，如染料和电解质。目前这种电池

研究方向主要有以下几个方面。

1. 电极的制备，寻找简易、适于批量生产的制备工艺，制备出性能优

异的TiO2纳米晶多孔膜；其纳米粒子具有合适的尺寸、形状、晶体结构、表面结构和能级。

2.染料分子的光点化学反应机理和染料的设计合成。研究和改善分子