钙钛矿电池和燃料敏化电池综述

CHANGSHA UNIVERSITY OF SCIENCE &

TECHNOLOGY

新能源材料（论文）

文献综述

题目：染料敏化太阳能电池与

钙钛矿太阳能电池概述

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2015年1月4日

染料敏化太阳能电池钙钛矿太阳能电池概述

一、引言

进入 21 世纪，世界人口的剧烈增长和环境污染的日益严重，还有能源的枯竭以及生态环境的破坏，使人类对能源尤其是清洁的新能源的开发利用有了更大的需求。太阳能是一种可再生能源，并且具有取之不尽，功率巨大，使用安全等优点，引起了人们极大的关注,而太阳能电池是开发利用太阳能最有效的方法之一。近年来太阳能电池的产量以每年 30%的速度增长。预计到本世纪中叶，它将占世界总发电量的 15～20%。

太阳能电池是利用太阳光和材料相互作用直接产生电能的，是对环境无污染的可再生能源。它的应用可以解决人类社会发展在能源需求方面的问题。太阳能是一种储量极其丰富的洁净能源，太阳每年向地面输送的能量高达 3×1024焦耳，相当于世界年耗能量的 1.5 万倍。因此太阳能电池作为人们利用可持续的太阳能资源，是解决世界范围内的能源危机和环境问题的一条重要途径。

然而，提高太阳能电池的转化效率以及降低成本一直是学者们努力的方向。其中，染料敏化太阳能电池和钙钛矿太阳能电池以其低价的成本和较高的转化效率获得了科学家们的青睐。

摘要：

关键词：染料敏化太阳能电池纳米多孔半导体单一敏化染料准固态电解质固态电解质染料敏化太阳能电池的效率钙钛矿太阳能电池钙钛矿材料

CH3NH3PbX3的制备方法钙钛矿太阳能电池研究进展

二、染料敏化太阳能电池的相关研究

2.1 工作原理

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。

2.2 染料敏化太阳能电池的研究现状

（1）光阳极上纳米多孔半导体的研究进展

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：①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；②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%。

（2）敏化染料的研究进展

A .单一敏化染料的研究进展

敏化染料按其结构中有无金属离子或原子分为无机染料和有机染料两大类。无机染料主要是指金属有机络合物，包括钌基多吡啶络合物、金属卟啉、金属酞菁、吲哚以及无机量子点染料；有机染料包括两大类，即天然染料和人工合成染料。无机染料中研究比较多的是钌系多吡啶配合物，最近，Gratzel 小组报道了 2 种新的混配多吡啶钌配合物 C101（如图 5）和 C102，通过扩展辅助配体的π共轭提高了染料的摩尔消光系数，C101 的 IPCE 在 480～660nm 光谱范围内超过80%，在 580nm 处达到最大值 89%。C101 敏化剂在初步测试中即获得了 11.0%～11.3%的高转化效率η值，是目前钌吡啶络合

物中总体性能最优光敏剂。目前有机染料中得到最好结果的是吲哚啉类染料 D205，敏化后电池的效率达到 9.5%。

B、准固态电解质

考虑到液体电解质的不足，准固态电解质和固态电解质的研究越来越受到重视。一般来讲，准固态电解质是在液体电解质中加入凝胶

剂而得到的，可有效地防止电解液的泄露，延长电池的使用寿命。现在所使用的凝胶剂大概可分为 3 种：低分子的交联剂、聚合物和纳米粒子。Yang 等采用偏二氟乙烯和六氟丙烯合成的凝胶电解质，其组装的太阳能电池的光电转换效率为 6.7%。Wang等在一种离子液体基电解质（0.5mol/L I2、0.45mol/L N-甲基苯并咪唑、溶剂为 1-甲基-3-丙基咪唑碘）中一份添加质量分数为 5%的二氧化硅纳米粉末（纳米颗粒的直径为 12nm）制备成准固态电解质，测试结果表明，准固态电解质电池的转换效率、离子扩散系数均与液态电解质电池相同。

C、固态电解质

准固态电解质还不是单纯的固态电解质，在微观上仍具有液体的特征，具有较高的流动性，也存在着长期稳定性的问题。全固态电解质完全克服了液体电解质和准固态电解质易挥发，寿命短和难封装的缺点。目前对无机 P 型半导体材料、有机空穴传输材料和导电聚合物的研究十分活跃。常用的无机 P 型半导体有 CuI、CuSCN等。DSSC 中，无机 P 型半导体制备复杂，技术难度大，常用有机空穴材料代替 P 型半导体作为空穴传输层，2006 年，Gratzel 等制备了非晶“液态”有机半导体空穴传输材料顺-4-(2-甲氧乙氧基)苯胺（TEMPA），将 NOBF4掺杂到这种材料中，组装成电池，得到的效率约 3%（10mW/cm2）和超过 50%的表观量子效率。这种非晶有机半导体空穴传输材料的发现，是光电有机材料领域的一个亮点。固体电解质代替液体电解质虽然克服了一些问题，但也存在明显的不足，如在半导体