染料敏化太阳电池
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阳极发生的净反应为: 1.5I－+ｈν→0.5I3-+ｅ-(TiO2)
对电极: 0.5I3-+ｅ-(Pt)→1.5I－(电解质还原)
整个电池的反应结果为: ｅ-(Pt)7+ｈν→ｅ-(TiO2)(光电流)
+.
8
DSSC的评价技术指标
（1）短路电流（Isc )：当太阳电池的 输出端短路时（V=0)。与入射光强 度成正比。
FF愈大则输出功率愈高；FF取决于入射光强、材料的禁带宽度、串联
和并联电阻等
9
（4）太阳电池转换效率（ ）：最大输出功率与照射到 太阳电池的总辐射能（Pin）之比。
Pm VOC I SC FF
Pin
Pin
首要的关键指标：决定着电池的成本、质量、材料 消耗、辅助设施等许多因素
10
11
12
提高DSSC光电效率的研究 ——重点研究的三大方面
26
1 电解质体系
• 作用： （1）复原染料，传输电荷 （2）引起半导体、染料和氧化还原对能级的改变，
导致体系动力学特性变化，从而对光电压和 转换效率产生很大影响。
27
• 关键：氧化还原电对 （1）快速与阴极电子反应，减少电子在阴极的积累； （2）对阳极光电子反应活性低，减少暗反应； （3）氧化还原电势与染料能级匹配，能迅速还原氧 化态染料，减少注入电子与之的反向复合
微观结构（孔径气孔率）24
**ZnO一维结构
(a–d) silicon substrate (e–h) substrate
D.-I. Suh et al. Chemical Physics Letters 44225 ຫໍສະໝຸດ Baidu2007) 348–353
提高DSSC光电效率的研究 ——重点研究的三大方面
2013年由瑞士洛桑联邦理工学院 (Michael Grätzel)的研究小组、英国 牛津大学和日本桐荫横滨大学的研究3小组，分别独立开发出了转换效率超 过15％的固体型染料敏化太阳能电池。
优势
✓生产工艺简单，易于大规模工业化生产； ✓制备电池耗能较少，能源回收周期短； ✓制成透明的产品，应用范围广； ✓在各种光照条件下使用； ✓光的利用效率高； ✓对光阴影不敏感……
不过，宫坂等人在2009年试制时，采用了传统的DSSC电 解液，转换效率只有3.8％。
39
>20%(2015) 19.3%(2014)
15.36%
40
随着工艺不断优化，转换效率仅三四年时间就猛增至20％。
宫坂表示: 此次的太 阳能电池 采用现在 的材料和 技术，转 换效率能 达到17％。 将来，还 能够达到 21％
（2）开路电压（Voc ) ：当太阳电池的 输出端开路时（I=0).
（3）填充因子：接上负载R时，所得的 太阳电池受载特性曲线 负载I-V曲线如图。当负载Rm使功率输出为最大时，对应的最大功率
Pm ImVm
Im、Vm：最佳工作电流和最佳工作电压。填充因子 FF Pm Vm Im Voc I SC VOC I SC
23
2 氧化物半导体薄膜
** （1）TiO2纳米晶（用的最多、效率最高） 优点：含量丰富、价格便宜、无毒、稳定、抗腐蚀性好 一般采用锐钛型TiO2。
粉体制备方法：溶胶-凝胶法、TiCl4水解法、电化学等
易实现对TiO2晶型和粒径的有效控制
多孔薄膜制备法：浸渍法、旋涂法、丝网印刷法、溅射法、 水热反应法、醇盐水解法、高温溶胶喷射沉积、等离子喷涂 等
13
性能优的敏化剂：钌的多吡啶配合物
（* 较强的可见光吸收、良好的光电化学性能、激发态稳定）
14
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16
17
18
19
20
Coupled semiconductor (耦合式结构半导体)
Capped semiconductor (核壳式结构半导体)
21
22
提高DSSC光电效率的研究 ——重点研究的三大方面
4
DSSC的组成
5
DSSC和植物的光合作用
叶绿体的结构
纳米晶半导体网络结构相 当于叶绿体的内囊体，起 着支撑敏化剂染料分子、 增加吸收太阳光的面积和 传递电子的作用。
敏化剂染料分子相当于叶 绿体中的叶绿素，起着吸 收太阳光光子的作用。
6
DSSC的工作原理
光电阳极: Dye + hν→Dye* (染料激发) Dye*→Dye++ｅ-(TiO2)(产生光电流) Dye++1.5I－ →Dye+0.5I3-(染料还原)
1997年，该电池的光电转换效率达到了10%~ 11%，短路电流达到18 mA/cm2,开路电压达 到720 mV。
1998年，采用固体有机空穴传输材料替代液体 电解质的全固态 Grätzel 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，DSSC的光电转化效率已能稳定在13％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。低成本是DSSC的突出优 势。
染料敏化太阳能电池
（Dye-sensitized solar cell，简称 DSC或DSSC）
1
染料敏化太阳能电池（DSSC）
31
DSSC发展简介
32
DSSC的组成及工作原理
3
DSSC的技术指标
提高DSSC光电效率的研究
34
DSSC制备流程
35
DSSC产业化现状
36
2
DSSC发展简介
1991年，Grätzel M.于《Nature》上发表 了关于染料敏化纳米晶体太阳能电池(DSSC) 的文章，以较低的成本得到了>7%的光电转 化效率， 为利用太阳能提供了一条新的途径。
DSSC的电解质按物理状态分为液态电解质、 准固态电解质和固态电解质 。
28
29
30
DSSC制备流程
31
32
33
34
35
36
最新进展 钙钛矿基的有机无机混合结晶材料
CH3NH3PbI3作为敏化材料
首次实现了可与结晶硅型太3阳7 能电池相匹敌的转换效率
38
这种结构的DSSC的前身是日本桐荫横滨大学教授宫坂力 的研究小组于2009年4月提出的太阳能电池。当时，很多 人尝试采用无机半导体微粒——量子点作为敏化材料，制 造“量子点增感型太阳能电池”。宫坂指出“量子点效率 低，并且存在电流反向流动等许多课题”。因此，将目光 转见材向光料了到上波直CH长接3N化80H学03nP合mb成I的3。的广C特谱H点3光N。，H非3还P常b具I适3有不合能仅涂在能布T高i工O效2艺等吸。多收孔从质可
对电极: 0.5I3-+ｅ-(Pt)→1.5I－(电解质还原)
整个电池的反应结果为: ｅ-(Pt)7+ｈν→ｅ-(TiO2)(光电流)
+.
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DSSC的评价技术指标
（1）短路电流（Isc )：当太阳电池的 输出端短路时（V=0)。与入射光强 度成正比。
FF愈大则输出功率愈高；FF取决于入射光强、材料的禁带宽度、串联
和并联电阻等
9
（4）太阳电池转换效率（ ）：最大输出功率与照射到 太阳电池的总辐射能（Pin）之比。
Pm VOC I SC FF
Pin
Pin
首要的关键指标：决定着电池的成本、质量、材料 消耗、辅助设施等许多因素
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提高DSSC光电效率的研究 ——重点研究的三大方面
26
1 电解质体系
• 作用： （1）复原染料，传输电荷 （2）引起半导体、染料和氧化还原对能级的改变，
导致体系动力学特性变化，从而对光电压和 转换效率产生很大影响。
27
• 关键：氧化还原电对 （1）快速与阴极电子反应，减少电子在阴极的积累； （2）对阳极光电子反应活性低，减少暗反应； （3）氧化还原电势与染料能级匹配，能迅速还原氧 化态染料，减少注入电子与之的反向复合
微观结构（孔径气孔率）24
**ZnO一维结构
(a–d) silicon substrate (e–h) substrate
D.-I. Suh et al. Chemical Physics Letters 44225 ຫໍສະໝຸດ Baidu2007) 348–353
提高DSSC光电效率的研究 ——重点研究的三大方面
2013年由瑞士洛桑联邦理工学院 (Michael Grätzel)的研究小组、英国 牛津大学和日本桐荫横滨大学的研究3小组，分别独立开发出了转换效率超 过15％的固体型染料敏化太阳能电池。
优势
✓生产工艺简单，易于大规模工业化生产； ✓制备电池耗能较少，能源回收周期短； ✓制成透明的产品，应用范围广； ✓在各种光照条件下使用； ✓光的利用效率高； ✓对光阴影不敏感……
不过，宫坂等人在2009年试制时，采用了传统的DSSC电 解液，转换效率只有3.8％。
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>20%(2015) 19.3%(2014)
15.36%
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随着工艺不断优化，转换效率仅三四年时间就猛增至20％。
宫坂表示: 此次的太 阳能电池 采用现在 的材料和 技术，转 换效率能 达到17％。 将来，还 能够达到 21％
（2）开路电压（Voc ) ：当太阳电池的 输出端开路时（I=0).
（3）填充因子：接上负载R时，所得的 太阳电池受载特性曲线 负载I-V曲线如图。当负载Rm使功率输出为最大时，对应的最大功率
Pm ImVm
Im、Vm：最佳工作电流和最佳工作电压。填充因子 FF Pm Vm Im Voc I SC VOC I SC
23
2 氧化物半导体薄膜
** （1）TiO2纳米晶（用的最多、效率最高） 优点：含量丰富、价格便宜、无毒、稳定、抗腐蚀性好 一般采用锐钛型TiO2。
粉体制备方法：溶胶-凝胶法、TiCl4水解法、电化学等
易实现对TiO2晶型和粒径的有效控制
多孔薄膜制备法：浸渍法、旋涂法、丝网印刷法、溅射法、 水热反应法、醇盐水解法、高温溶胶喷射沉积、等离子喷涂 等
13
性能优的敏化剂：钌的多吡啶配合物
（* 较强的可见光吸收、良好的光电化学性能、激发态稳定）
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Coupled semiconductor (耦合式结构半导体)
Capped semiconductor (核壳式结构半导体)
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提高DSSC光电效率的研究 ——重点研究的三大方面
4
DSSC的组成
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DSSC和植物的光合作用
叶绿体的结构
纳米晶半导体网络结构相 当于叶绿体的内囊体，起 着支撑敏化剂染料分子、 增加吸收太阳光的面积和 传递电子的作用。
敏化剂染料分子相当于叶 绿体中的叶绿素，起着吸 收太阳光光子的作用。
6
DSSC的工作原理
光电阳极: Dye + hν→Dye* (染料激发) Dye*→Dye++ｅ-(TiO2)(产生光电流) Dye++1.5I－ →Dye+0.5I3-(染料还原)
1997年，该电池的光电转换效率达到了10%~ 11%，短路电流达到18 mA/cm2,开路电压达 到720 mV。
1998年，采用固体有机空穴传输材料替代液体 电解质的全固态 Grätzel 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，DSSC的光电转化效率已能稳定在13％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。低成本是DSSC的突出优 势。
染料敏化太阳能电池
（Dye-sensitized solar cell，简称 DSC或DSSC）
1
染料敏化太阳能电池（DSSC）
31
DSSC发展简介
32
DSSC的组成及工作原理
3
DSSC的技术指标
提高DSSC光电效率的研究
34
DSSC制备流程
35
DSSC产业化现状
36
2
DSSC发展简介
1991年，Grätzel M.于《Nature》上发表 了关于染料敏化纳米晶体太阳能电池(DSSC) 的文章，以较低的成本得到了>7%的光电转 化效率， 为利用太阳能提供了一条新的途径。
DSSC的电解质按物理状态分为液态电解质、 准固态电解质和固态电解质 。
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DSSC制备流程
31
32
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最新进展 钙钛矿基的有机无机混合结晶材料
CH3NH3PbI3作为敏化材料
首次实现了可与结晶硅型太3阳7 能电池相匹敌的转换效率
38
这种结构的DSSC的前身是日本桐荫横滨大学教授宫坂力 的研究小组于2009年4月提出的太阳能电池。当时，很多 人尝试采用无机半导体微粒——量子点作为敏化材料，制 造“量子点增感型太阳能电池”。宫坂指出“量子点效率 低，并且存在电流反向流动等许多课题”。因此，将目光 转见材向光料了到上波直CH长接3N化80H学03nP合mb成I的3。的广C特谱H点3光N。，H非3还P常b具I适3有不合能仅涂在能布T高i工O效2艺等吸。多收孔从质可