染料敏化太阳能电池原理

染料敏化太阳能电池原理
发布时间 2009-02-25
宽带隙半导体材料由于其较高的热稳定性和光化学稳定性，是一类具有应用前景的半导体材料。尽管宽带隙半导体本身捕获太阳光的能力非常差，但将合适的染料吸附到半导体表面上，借助于染料对可见光的强吸收，可以将半导体的光谱响应拓宽到可见区，这种现象称为半导体的染料敏化作用，而载有染料的半导体称为染料敏化半导体电极。对宽带隙半导体材料的染料敏化研究具有很长的历史。早期的研究工作主要是集中在平板电极的染料敏化上，由于只有吸附到电极表面的单分子层染料分子在光照下能够将电子注入到半导体材料的导带中，因此这类染料敏化电极对太阳光的利用效率特别低，光电转换效率一直无法得到提高。

自20世纪80年代以来，瑞士洛桑联邦高等技术学院Graetzel教授的研究组一直致力于染料敏化纳米多孔电极的研究，他们以纳米二氧化钛多孔膜吸附了过渡金属Ru络合物染料，选用适当的氧化-还原电解质，发展了一种染料敏化纳米晶薄膜电池（Dye-sensitized Solar Cell，DSC）。基于这一原理的电池研究在1991年取得突破，O'Regan和Graetzel在Nature上报道了这类新型低成本光伏电池，在 AM1.5模拟日光照射下，其总光电转换效率可达7.1~7.9%。1993年，Graetzel研究组再次报道了光电转换效率达10%的染料敏化太阳能电池。这种电池的出现为光电化学电池的发展带来了革命性的创新，这类电池通常被称为Graetzel电池。

染料敏化太阳能电池具有类似三明治的结构，将纳米二氧化钛烧结在导电玻璃上，再将光敏染料镶嵌在多孔纳米二氧化钛表面形成工作电极，在工作电极和对电极（通常为担载了催化量铂或者碳的导电玻璃）之间是含有氧化还原物质对(常用I2和I-) 的液体电解质，它浸入纳米二氧化钛的孔穴与光敏染料接触。在入射光的照射下，镶嵌在纳米二氧化钛表面的光敏染料吸收光子，跃迁到激发态，然后向二氧化钛的导带注入电子，染料成为氧化态的正离子，电子通过外电路形成电流到对电极，染料正离子接受电解质溶液中还原剂的电子，还原为最初染料，而电解质中的氧化剂扩散到对电极得到电子而使还原剂得到再生，形成一个完整的循环，在整个过程中，表观上化学物质没有发生变化，而光能转化成了电能。



染料敏化太阳能电池结构与工作原理示意图


与光合作用中心叶绿体结构相比，染料敏化太阳能电池具有类似的结构。它的纳米晶半导体网络结构相当于叶绿体中的类囊体，起着支撑染料敏化剂分子、增加吸收太阳光的面积和传递电子的作用；染料敏化剂分子则相当于

叶绿体中的叶绿素，起着吸收太阳光光子的作用。和光合作用一样，基于纳米晶电极的太阳能电池构成了由太阳光驱动的分子电子泵。模拟植物光合作用原理制造太阳能电池一直是人类的一个梦想，经过近二十年的发展，这一梦想越来越接近于实现并造福人类社会。