染料敏化太阳电池 ppt
合集下载
相关主题
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
Ref:Nazeeruddin,M. K., Grätzel,M. ,J.Am.Chem.Soc.1993, 115, 6382
ηc是电极收集 注入电荷的效率
评价性能的参数（ 评价性能的参数（二）
总转化效率(输出功率与输入功率之比)：
η global = iph V oc ( ff ) / Is
iph ： 短路电流； 短路电流； Voc ：开路电压； 开路电压； ff ：填充因子； 填充因子； 填充因子 Is：入射光强度。 入射光强度。 入射光强度
影响电池光电பைடு நூலகம்化效率的因素
采光效率
有机光敏染料的光吸收性能
电子的注入
有机光敏材料与纳米微晶半导体材料的能级的匹配
收集效率
电子在薄膜中的扩散性能
研究进展
敏化剂 纳米半导体材料 电解质 其他方面…… 其他方面
敏化剂
吸收尽可能多的太阳光； 紧密吸附在纳米晶网络电极表面；（－COOH,-SO3H,－PO3H2等） 与相应的纳米晶的能带相匹配； 激发态寿命足够长； 具有长期的稳定性……
纯有机染料系列（ 纯有机染料系列（二）
---香豆素衍生物
CN
COOH N O O
NKX-2311
S S HOOC N O O CN
NKX-2677
Ref: Hara K., et al., New J. Chem. 2003,27,783
Ref: Hara K., et al., New J. Chem. 2003,27,783
Efficiency of Photovoltaic Devices
25 20
Efficiency (%)
15 10 5
crystalline Si amorphous Si nano TiO2 CIS/CIGS CdTe
1950
1960
1970
1980
1990
2000
Year
Margolis and Kammen, Science 285, 690 (1999)
敏化剂分类
联吡啶金属络合物系列 酞菁（Phthalocyanine）系列 卟啉（Porphyrin）系列 纯有机染料系列
联吡啶金属络合物系列
COOH
COOH
COOH HOOC N
N N SCN NCS N COOH HOOC N SCN
N NCS
Ru
NCS N
Ru
COOH
N3
Black dye
Ref: Nazeeruddin M.K., et al., J. Am. Chem. Soc., 1993,115,6382 Nazeeruddin M.K., et al., Chem. Commun., 1997,1705-1706
可再生能源：
风能；水能；地热；潮汐；太阳能等 太阳能等 风能；水能；地热；
具有明显的区域性
中华人民共和国 国家发展和改革委员会 《中国新能源与可再生能源发展规划1999白皮书》 中国新能源与可再生能源发展规划1999白皮书》 1999白皮书
太阳能的利用
资源丰富： 资源丰富： 40分钟照射地球辐射的能量＝全球人类 一年的能量需求 洁净能源： 与 石 油、煤炭等矿物燃料不同，不会 洁净能源： 导致“温室效应”，也不会造成环境污染 使用方便： 使用方便： 同水能、风能等新能源相比，不受地域 的限制，利用成本低。
CuInSe2 Dye-sensitized solar cells Bipolar AlGaAs/Si photoelectrochemic al cell Organic solar cell
19 1011 1920 2-3
12
7 -
M. Grätzel, Photoelectrochemical cells, Nature 2001(414), 338
Table 1 Performances of Main Solar Cells
Type of cell Efficiency (%) Research and technology needs Cell Crystalline silicon Multicrystalline silicon Amorphous silicon 24 18 13 Module 10-15 9-12 7 Higher production yields, lowering of cost and energy content Lower manufacturing cost and complexity Lower production costs, increase production volume and stability Replace indium (too expensive and limited supply), replace CdS window layer, scale up production Improve efficiency and hightemperature stability, scale up production Reduce materials cost, sale up Improve stability and efficiency
纯有机染料系列（ 纯有机染料系列（一）
---半菁染料衍生物
S CH N C18H37 O C H
S
S
N
COOH
Merocyanine derivative, Mb(18)-N with an overall η =4.2%
Ref:
Sayama K.,et al., Chem. Commun., 2000, 1173
Wavelength [nm]
Ref: Hagfeldt A. and Grätzel M., Acc. Chem. Res.,2000,33,269-277
N3 和Black Dye性能比较
Black dye
Ref: N azeeruddinM K, GratzelM J.Am.Chem.Soc.1993, 115: 6382 Hagfeldt A. and Grätzel M., Acc. Chem. Res.,2000,33,269
NKX－2677 性能
NKX-2677
Ref: Hara K., et al., New J. Chem. 2003,27,783
纳米半导体材料
金属硫化物、金属硒化物 、钙钛矿以及钛、锡、锌、钨、锆、铪、 锶 、铁 、铈等的氧化物均可用作DSSCs的中的半导体材料. 1999 年,Guo（1）报道了Nb2O5 染料敏化的太阳能电池. 2000 年,Poznyak
染料敏化纳米晶体太阳能电池
1991年 Grätzel M.于 Nature》 1991年※，Gr tzel M.于《Nature》上发表了关于染料敏化纳米 晶体太阳能电池（ Cells，简称DSSCs 晶体太阳能电池（ Dye Sensitized Solar Cells，简称DSSCs ）的文 章以较低的成本得到了>7%的光电转化效率， >7%的光电转化效率 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. 了一条新的途径. 1997年，该电池的光电转换效率达到了10%~11%，短路电流达 1997年 该电池的光电转换效率达到了10%~11%， 10%~11% 开路电压达到720mV 720mV； 到18mA/cm2,开路电压达到720mV； 1998年 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 Gratzel电池研制成功 其单色光电转换效率达到33% 电池研制成功， 33%， Gratzel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。 起了全世界的关注。 目前，DSSCs的光电转化效率已能稳定在10％以上，寿命能达15～ 目前，DSSCs的光电转化效率已能稳定在10％以上，寿命能达15～ 的光电转化效率已能稳定在10 15 20年 且其制造成本仅为硅太阳能电池的1/5 1/5～ 20年，且其制造成本仅为硅太阳能电池的1/5～1/10.
卟啉系列和酞菁系列 卟啉系列和酞菁系列
R R
R R
N
N
N
N
N
M
N N
N N
M
N
N
N
R
R
R
R
Ref: (1)A.Kay, M.Gratzel, et al.,J.Phys.Chem.1993,97,6272 (2) M.M. Ressler and R.K. Panday, Chemtech,1998,3.39
※ Ref： O’Regan B.and Grätzel M., Nature, 1991,353,737~740
优 点
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； 可在很宽温度范围内正常工作……
电池结构
染料敏化纳米晶体太阳能电池（DSSCs）（或称Grätzel型光电化学太阳能电 池）主要包括镀有透明导电膜的玻璃基底 染料敏化的半导体材料 对电极 镀有透明导电膜的玻璃基底，染料敏化的半导体材料 对电极以及 镀有透明导电膜的玻璃基底 染料敏化的半导体材料、对电极 电解质等几部分。 电解质 阳极：染料敏化半导体薄膜 染料敏化半导体薄膜 TiO2膜:5~20um,1~4mg/cm2 阴极：镀铂的导电玻璃 镀铂的导电玻璃 电解质：I3-/I导电玻璃：8~10Ω/□ Ω □
工作原理
S+hν S*
S* S++eCB(TiO2)
S++AA+e-(CE)
S+A A-
Voc=1/q【（Ef）TiO2 －(E（R/R-）)】 【 】
评价性能的参数（ 评价性能的参数（一）
入射单色光的光电转换效率( IPCE )
光吸收效率 φinj为电子注入 的效率 =LHE（λ）φinjηc （ ） LHE（λ）=1-10-Γδ(λ) （ ） φinj=kinj/(τ-1+kinj) Γ为每单位平方厘米膜表面覆盖染料的摩尔数; δ(λ)为染料吸收截面积。 kinj为电子注入的速率常数； τ为激发态寿命。
太阳能利用的重要途径之一是研制太阳能电池！ 太阳能利用的重要途径之一是研制太阳能电池！
太阳能电池
按照所用材料的不同： 按照所用材料的不同：
硅太阳能电池(单晶硅、多晶硅、非晶硅） 硅太阳能电池 单晶硅、多晶硅、非晶硅） 单晶硅 （光电转化效率高，成本高，制备工艺复杂！） 以无机盐如砷化镓、硫化镉、铜铟硒等多元化合物为材料的电池 （镉：剧毒。铟、硒：稀有元素） 功能高分子材料制备的大阳能电池 （处于研发初期、转化效率低、使用寿命短） 染料敏化纳米晶体太阳能电池 正在研发） （正在研发）
（2）等人还报道了纳米晶体In 2O3
薄膜电极
的光电化学性质. 在国内,目前北京大学的研究者（3）们对各种染料敏化纳米薄膜研 究得较多。在这些半导体材料中, TiO2 ,ZnO 和SnO2的性能较好.
Ref
（1）Guo P ,Aegenter M A. . Thi n Soli d Film ,1999 ,351 :290 （2）Poznyak S K,Kulak A Electrochimica Acta ,2000 ,45 :1595 （3）李斌等，感光科学与光化学 ,2000，18，336
Seminar I
染料敏化纳米晶体太阳能电池
学 生： 李焕巧
指导教师：辛 勤研究员 孙公权研究员
DMFC-305
2004.04.12
主要内容
研究背景 工作原理 研究进展
研究背景
传统化石能源
能源枯竭 环境污染
石油：42年，天然气：67年，煤：200年 。 每年排放的二氧化碳达210万吨，并呈上升趋势，造成 全球气候变暖；空气中大量二氧化碳，粉尘含量己严重 影响人们的身体健康和人类赖以生存的自然环境。 。
纳米TiO 纳米TiO2 薄膜极材料
制备方法： 制备方法： 溶胶凝胶法； 溶胶凝胶法； 水热反应法； 水热反应法； 溅射法； 溅射法； 醇盐水解法； 醇盐水解法； 溅射沉积法； 溅射沉积法； 等离子喷涂法 子喷涂法； 等离子喷涂法； 丝网印刷法等 微观结构
Scanning electron micrograph of the surface of a mesoporous anatase film prepared from a hydrothermally processed TiO2 colloid. The exposed surface planes have mainly {101} orientation. Porosity: 50%. Average pore size :15nm;
ηc是电极收集 注入电荷的效率
评价性能的参数（ 评价性能的参数（二）
总转化效率(输出功率与输入功率之比)：
η global = iph V oc ( ff ) / Is
iph ： 短路电流； 短路电流； Voc ：开路电压； 开路电压； ff ：填充因子； 填充因子； 填充因子 Is：入射光强度。 入射光强度。 入射光强度
影响电池光电பைடு நூலகம்化效率的因素
采光效率
有机光敏染料的光吸收性能
电子的注入
有机光敏材料与纳米微晶半导体材料的能级的匹配
收集效率
电子在薄膜中的扩散性能
研究进展
敏化剂 纳米半导体材料 电解质 其他方面…… 其他方面
敏化剂
吸收尽可能多的太阳光； 紧密吸附在纳米晶网络电极表面；（－COOH,-SO3H,－PO3H2等） 与相应的纳米晶的能带相匹配； 激发态寿命足够长； 具有长期的稳定性……
纯有机染料系列（ 纯有机染料系列（二）
---香豆素衍生物
CN
COOH N O O
NKX-2311
S S HOOC N O O CN
NKX-2677
Ref: Hara K., et al., New J. Chem. 2003,27,783
Ref: Hara K., et al., New J. Chem. 2003,27,783
Efficiency of Photovoltaic Devices
25 20
Efficiency (%)
15 10 5
crystalline Si amorphous Si nano TiO2 CIS/CIGS CdTe
1950
1960
1970
1980
1990
2000
Year
Margolis and Kammen, Science 285, 690 (1999)
敏化剂分类
联吡啶金属络合物系列 酞菁（Phthalocyanine）系列 卟啉（Porphyrin）系列 纯有机染料系列
联吡啶金属络合物系列
COOH
COOH
COOH HOOC N
N N SCN NCS N COOH HOOC N SCN
N NCS
Ru
NCS N
Ru
COOH
N3
Black dye
Ref: Nazeeruddin M.K., et al., J. Am. Chem. Soc., 1993,115,6382 Nazeeruddin M.K., et al., Chem. Commun., 1997,1705-1706
可再生能源：
风能；水能；地热；潮汐；太阳能等 太阳能等 风能；水能；地热；
具有明显的区域性
中华人民共和国 国家发展和改革委员会 《中国新能源与可再生能源发展规划1999白皮书》 中国新能源与可再生能源发展规划1999白皮书》 1999白皮书
太阳能的利用
资源丰富： 资源丰富： 40分钟照射地球辐射的能量＝全球人类 一年的能量需求 洁净能源： 与 石 油、煤炭等矿物燃料不同，不会 洁净能源： 导致“温室效应”，也不会造成环境污染 使用方便： 使用方便： 同水能、风能等新能源相比，不受地域 的限制，利用成本低。
CuInSe2 Dye-sensitized solar cells Bipolar AlGaAs/Si photoelectrochemic al cell Organic solar cell
19 1011 1920 2-3
12
7 -
M. Grätzel, Photoelectrochemical cells, Nature 2001(414), 338
Table 1 Performances of Main Solar Cells
Type of cell Efficiency (%) Research and technology needs Cell Crystalline silicon Multicrystalline silicon Amorphous silicon 24 18 13 Module 10-15 9-12 7 Higher production yields, lowering of cost and energy content Lower manufacturing cost and complexity Lower production costs, increase production volume and stability Replace indium (too expensive and limited supply), replace CdS window layer, scale up production Improve efficiency and hightemperature stability, scale up production Reduce materials cost, sale up Improve stability and efficiency
纯有机染料系列（ 纯有机染料系列（一）
---半菁染料衍生物
S CH N C18H37 O C H
S
S
N
COOH
Merocyanine derivative, Mb(18)-N with an overall η =4.2%
Ref:
Sayama K.,et al., Chem. Commun., 2000, 1173
Wavelength [nm]
Ref: Hagfeldt A. and Grätzel M., Acc. Chem. Res.,2000,33,269-277
N3 和Black Dye性能比较
Black dye
Ref: N azeeruddinM K, GratzelM J.Am.Chem.Soc.1993, 115: 6382 Hagfeldt A. and Grätzel M., Acc. Chem. Res.,2000,33,269
NKX－2677 性能
NKX-2677
Ref: Hara K., et al., New J. Chem. 2003,27,783
纳米半导体材料
金属硫化物、金属硒化物 、钙钛矿以及钛、锡、锌、钨、锆、铪、 锶 、铁 、铈等的氧化物均可用作DSSCs的中的半导体材料. 1999 年,Guo（1）报道了Nb2O5 染料敏化的太阳能电池. 2000 年,Poznyak
染料敏化纳米晶体太阳能电池
1991年 Grätzel M.于 Nature》 1991年※，Gr tzel M.于《Nature》上发表了关于染料敏化纳米 晶体太阳能电池（ Cells，简称DSSCs 晶体太阳能电池（ Dye Sensitized Solar Cells，简称DSSCs ）的文 章以较低的成本得到了>7%的光电转化效率， >7%的光电转化效率 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. 了一条新的途径. 1997年，该电池的光电转换效率达到了10%~11%，短路电流达 1997年 该电池的光电转换效率达到了10%~11%， 10%~11% 开路电压达到720mV 720mV； 到18mA/cm2,开路电压达到720mV； 1998年 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 Gratzel电池研制成功 其单色光电转换效率达到33% 电池研制成功， 33%， Gratzel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。 起了全世界的关注。 目前，DSSCs的光电转化效率已能稳定在10％以上，寿命能达15～ 目前，DSSCs的光电转化效率已能稳定在10％以上，寿命能达15～ 的光电转化效率已能稳定在10 15 20年 且其制造成本仅为硅太阳能电池的1/5 1/5～ 20年，且其制造成本仅为硅太阳能电池的1/5～1/10.
卟啉系列和酞菁系列 卟啉系列和酞菁系列
R R
R R
N
N
N
N
N
M
N N
N N
M
N
N
N
R
R
R
R
Ref: (1)A.Kay, M.Gratzel, et al.,J.Phys.Chem.1993,97,6272 (2) M.M. Ressler and R.K. Panday, Chemtech,1998,3.39
※ Ref： O’Regan B.and Grätzel M., Nature, 1991,353,737~740
优 点
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； 可在很宽温度范围内正常工作……
电池结构
染料敏化纳米晶体太阳能电池（DSSCs）（或称Grätzel型光电化学太阳能电 池）主要包括镀有透明导电膜的玻璃基底 染料敏化的半导体材料 对电极 镀有透明导电膜的玻璃基底，染料敏化的半导体材料 对电极以及 镀有透明导电膜的玻璃基底 染料敏化的半导体材料、对电极 电解质等几部分。 电解质 阳极：染料敏化半导体薄膜 染料敏化半导体薄膜 TiO2膜:5~20um,1~4mg/cm2 阴极：镀铂的导电玻璃 镀铂的导电玻璃 电解质：I3-/I导电玻璃：8~10Ω/□ Ω □
工作原理
S+hν S*
S* S++eCB(TiO2)
S++AA+e-(CE)
S+A A-
Voc=1/q【（Ef）TiO2 －(E（R/R-）)】 【 】
评价性能的参数（ 评价性能的参数（一）
入射单色光的光电转换效率( IPCE )
光吸收效率 φinj为电子注入 的效率 =LHE（λ）φinjηc （ ） LHE（λ）=1-10-Γδ(λ) （ ） φinj=kinj/(τ-1+kinj) Γ为每单位平方厘米膜表面覆盖染料的摩尔数; δ(λ)为染料吸收截面积。 kinj为电子注入的速率常数； τ为激发态寿命。
太阳能利用的重要途径之一是研制太阳能电池！ 太阳能利用的重要途径之一是研制太阳能电池！
太阳能电池
按照所用材料的不同： 按照所用材料的不同：
硅太阳能电池(单晶硅、多晶硅、非晶硅） 硅太阳能电池 单晶硅、多晶硅、非晶硅） 单晶硅 （光电转化效率高，成本高，制备工艺复杂！） 以无机盐如砷化镓、硫化镉、铜铟硒等多元化合物为材料的电池 （镉：剧毒。铟、硒：稀有元素） 功能高分子材料制备的大阳能电池 （处于研发初期、转化效率低、使用寿命短） 染料敏化纳米晶体太阳能电池 正在研发） （正在研发）
（2）等人还报道了纳米晶体In 2O3
薄膜电极
的光电化学性质. 在国内,目前北京大学的研究者（3）们对各种染料敏化纳米薄膜研 究得较多。在这些半导体材料中, TiO2 ,ZnO 和SnO2的性能较好.
Ref
（1）Guo P ,Aegenter M A. . Thi n Soli d Film ,1999 ,351 :290 （2）Poznyak S K,Kulak A Electrochimica Acta ,2000 ,45 :1595 （3）李斌等，感光科学与光化学 ,2000，18，336
Seminar I
染料敏化纳米晶体太阳能电池
学 生： 李焕巧
指导教师：辛 勤研究员 孙公权研究员
DMFC-305
2004.04.12
主要内容
研究背景 工作原理 研究进展
研究背景
传统化石能源
能源枯竭 环境污染
石油：42年，天然气：67年，煤：200年 。 每年排放的二氧化碳达210万吨，并呈上升趋势，造成 全球气候变暖；空气中大量二氧化碳，粉尘含量己严重 影响人们的身体健康和人类赖以生存的自然环境。 。
纳米TiO 纳米TiO2 薄膜极材料
制备方法： 制备方法： 溶胶凝胶法； 溶胶凝胶法； 水热反应法； 水热反应法； 溅射法； 溅射法； 醇盐水解法； 醇盐水解法； 溅射沉积法； 溅射沉积法； 等离子喷涂法 子喷涂法； 等离子喷涂法； 丝网印刷法等 微观结构
Scanning electron micrograph of the surface of a mesoporous anatase film prepared from a hydrothermally processed TiO2 colloid. The exposed surface planes have mainly {101} orientation. Porosity: 50%. Average pore size :15nm;