太阳能电池的原理

纳米晶TiO2太阳能电池

摘要：太阳能电池的发明，为能源短缺的今天提供了一条很好的解决途径。本文详细论述了太阳能电池的原理，以及二氧化钛太阳能电池的原理以及应用。

关键字：TiO2 太阳能电池

环境污染和能源短缺是现在面临的两大问题。电能是一种高品位能量，利用、传输和分配都比较方便。将太阳能转换为电能是大规模利用太阳能的重要技术基础，世界各国都十分重视。这里详细介绍TiO2太阳能电池。

一、太阳能电池

太阳能电池是一种利用光电材料吸收太阳光光能后发生光电转换反应的器件。太阳能光电池可分为固体光电池和液体光电池。前者如硅太阳能电池；后者如半导体电解质太阳能电池。制作太阳能电池主要是以半导体材料为基础。根据所用材料的不同,太阳能电池又可分为：

(1) 硅太阳能电池；

(2) 无机化合物太阳能电池如砷化镓、硫化镉、铜铟硒电池；

(3) 有机/ 聚合物太阳能电池；

(4) 纳米晶太阳能电池等。

尽管制作电池的材料不同, 但其材料一般应满足以下几个要求：

(1) 半导体材料的禁带不能太宽；

(2) 要有较高的光电转换效率；

(3) 对环境不造成污染；

(4) 便于工业化生产且性能稳定。

二、TiO2纳米太阳能电池的制备

合成TiO2纳米粒子，方法有很多，多数用水解法，然后制备TiO2纳米晶膜，即将TiO2纳米微粒均匀沉积在导电玻璃的导电面形成10 μm厚的纳米多孔膜，在控温炉内于450℃～500℃高温下煅烧30 min，形成纳米粒子间的电接触，其粗糙度达780。最后在纳米粒子上吸附一层高效染料敏化剂形成光阳极，其中染料为RuL2（μ-(CN)）Ru(CN)L2)2,( L 为2,2' -bipyridine-4,4'dicarboxylica cid,L'为2,2'-bipyridine)。电解液为0.5 mol/L 碘化四丙胺和0.04 mol/L碘，溶剂为v(碳酸乙烯酯):v(乙腈)＝80:20的混合物，对电极是沉积很薄一层铂且经缎烧的导电玻璃。这种电池对太阳模拟光总的光电转换效率为7.9％，对散射日光光电转换效率为10％。

三、电池的结构和工作原理

纳米晶化学太阳能电池是由一种在禁带半导体材料修饰、组装到另一种大能隙半导体材料上形成的,窄禁带半导体材料采用过渡金属Ru 以及Os 等的有机化合物敏化染料,大能隙半导体材料为纳米晶二氧化钛并制成电极,此外NPC 电池还选用适当的氧化一还原电解质。

电池的基本结构主要包括透明导电基片(导电玻璃)，多孔纳米TiO2薄膜、染料、敏化剂、电解液和透明对电极几个部分。

电子能级的相对位置决定光生电荷的产生和传输特征。当能量低于半导体纳米TiO2禁带宽度但等于染料分子特征吸收波长的人射光照射在电极上时，吸附于TiO2表面的染料分子中的电子受激发跃迁至激发态，处于激发态染料分子向TiO2纳米晶导带中注人电子，电子在TiO2纳米晶导带中靠浓度扩散流向基底传向外电路。由于纳米粒子掺杂浓度低，因而减少了复合机会，而染料分子失去电子后变为氧化态，此时氧化态的染料分子再由对电极提供电子而变为原状态，从而完成一个光电化学反应循环，形成光电流。整个过程由式(1)一(4)表示：

第一阶段是染料分子被激发,激发电子注入TiO2 导带,产生光电流；

S o+hν→S* (1)

S*→S＋＋e－ (2)

第二阶段是电子在TiO2 薄膜中的输运；第三阶段是电子在TiO2 薄膜中的收集；第四阶段是电子在外电路中传递；

第五阶段是电解质被还原；I-3 + 2e →3I -

第六阶段染料被还原；

TiO2(导带)＋e－→TiO2(e CB) S＋＋R→S o+ R+ (3)

R+＋e－→R (4)

其中： S o一基态染料分子；S*一激发态染料分子；S＋一氧化态染料分子；R+/R－氧化还原对。

四、纳米晶化学太阳能电池的影响因素

(1) 纳米二氧化钛膜

纳米二氧化钛的粒径和膜的微结构对光电性能的影响很大。首先, 纳米膜的多孔性使得它的比表面积远比其几何面积大,从而大大提高了其表面吸附能力,有利于染料分子的吸收和吸收太阳光, 同时提高光电量子效率。另外, 纳米二氧化钛的粒径小也会导致其大的比表面积, 但同时其电极的孔径将随着变小。一般情况下,表面积越大, 吸附能力越强, 吸附染料分子越多,光生电流也就越强。但另一方面,孔径变小不利于光电效率的提高,因为小孔吸附染料分子后,剩余的空间太小,导致电解质在其中的扩散速度降低,从而电流产生效率下降。除纳米二氧化钛外, 其它的半导体氧化物如氧化锌( ZnO) ,氧化锡( SnO2) 和氧化铌( Nb2O5) 也都可作为二氧化钛的替代品, 但其转化效率都远不及二氧化钛太阳能电池,分别只达到1. 2 %,1. 4 %和4 %,尽管它们的禁带宽度都在3. 2 左右,见表1 。

(2) 染料敏化剂

染料是染料敏化纳米晶太阳能电池中的重要组成部分。敏化剂与半导体表面的化学键合不仅可以使敏化剂牢固的吸附到表面上, 而且还可以增强电子耦合及改变表面态能量,有利于电荷的转移。研究结果表明通过优化染料敏化剂,如配位体和前趋体及其制备工艺,可以提高二氧化钛太阳能电池的光电转化效率。如利用铷系列配合物敏化剂,其光电转化效率可超过10%。

(3) 电解质

染料敏化纳米晶太阳能电池的电解质溶液中的氧化还原对一般为I3- / I- ,其作用是还原被氧化的染料分子。溶剂和金属离子的种类变化对电池的电流输出影响较大。另外对电极的影响也不可忽略。电解质中I3 - 需要在对电极上得到电子以便再生成I- 。一般的对电极是一层金属铂。但铂的成本太高, 不利于电池的广泛应用。由于碳高的导电性能和对I3- 高的催化性能,因此也可利用多孔碳电极作为对电极,同样可达到理想的效果。

( 4) 电池封装及结构

致密是影响电池性能和使用寿命的关键, 因此封装材料要求比较高,不仅要抗温度变化和太阳光爆晒,还要有对抗电解质腐蚀的长期稳定性。电池组是由多个单电池组成的, 可以提高其输出功率。它可以串联或/ 和并联的方式把多个单电池组合在一起。

五、纳米二氧化钛的优点:

①可以制成透明的产品；②可以在各种光照条件下使用；③对光线的入射角度不敏感,可充分利用折射光和反射光；④可在柔性基底上制备,扩大了应用范围；⑤工作温度宽,可高达70 摄氏度；⑥成本大大降低.