纳米二氧化钛太阳能电池

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• 3.制作正电极
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由染料着色的TIO2为电子流出的一极（即负极）。正电极可由导电玻璃的导电面（涂有 导电的SNO2膜层）构成，利用一个简单的万用表就可以判断玻璃的那一面是可以导电的， 利用手指也可以做出判断，导电面较为粗糙。如图所示，把非导电面标上‘+’，然后用铅 笔在导电面上均匀地涂上一层石墨。
• 硅系列太阳能电池中,单晶硅太阳能电池转换效率最高,技术也最为成熟。 • 单晶硅太阳能电池转换效率无疑是最高的，在大规模应用和工业生产中仍占据主导地位， 但由于受单晶硅材料价格及相应的繁琐的电池工艺影响，致使单晶硅成本价格居高不下， 要想大幅度降低其成本是非常困难的。为了节省高质量材料，寻找单晶硅电池的替代产品， 发展了薄膜太阳能电池，其中多晶硅薄膜太阳能电池和非晶硅薄膜太阳能电池就是典型代 表。 • 多晶硅薄膜电池由于所使用的硅远较单晶硅少，又无效率衰退问题，并且有可能在廉价衬 底材料上制备，其成本远低于单晶硅电池，而效率高于非晶硅薄膜电池，因此，多晶硅薄 膜电池不久将会在太阳能电地市场上占据主导地位。 • 非晶硅太阳能电池由于具有较高的转换效率和较低的成本及重量轻等特点，有着极大的潜 力。但同时由于它的稳定性不高，直接影响了它的实际应用。如果能进一步解决稳定性问 题及提高转换率问题，那么，非晶硅大阳能电池无疑是太阳能电池的主要发展产品之一。
• 6.电池的测试 • 在室外太阳光下，检测你的太阳能电池是否可以产生电流。
• ⑴ 染料分子受太阳光照射后由基态跃迁至激发 态;
• ⑵ 处于激发态的染料分子将电子注入到半导体 的导带中; • ⑶ 电子扩散至导电基底，后流入外电路中; • ⑷ 处于氧化态的染料被还原态的电解质还原再 生⑸ 氧化态的电解质在对电极接受电子后被还 原，从而完成一个循环; • ⑸ 氧化态的电解质在对电极接受电子后被还原， 从而完成一个循环;
• 4.加入电解质 • 利用含碘离子的溶液作为太阳能电池的电解质，它主要用于还原和再生染料。如图所示， 在二氧化钛膜表面上滴加一到两滴电解质即可。
• 5.组装电池
• 把着色后的二氧化钛膜面朝上放在桌上，在膜上面滴一到两滴含碘和碘离子的电解质， 然后把正电极的导电面朝下压在二氧化钛膜上。把两片玻璃稍微错开，用两个夹子把电池 夹住，两片玻璃暴露在外面的部分用以连接导线。这样，你的太阳能电池就做成了。
• 由于有机材料柔性好，制作容易，材料来源广泛，成本底等优势，从而对大规模利用太阳 能，提供廉价电能具有重要意义。但以有机材料制备太阳能电池的研究仅仅刚开始，不论 是使用寿命，还是电池效率都不能和无机材料特别是硅电池相比。能否发展成为具有实用 意义的产品，还有待于进一步研究探索。
(4)纳米晶太阳能电池（纳米晶二氧化钛(TIO2)太阳能电池）
寿命长：使用寿命可达15-20年;可用塑料 或金属薄板使之轻量化，薄膜化;可使用各种色彩鲜 艳的染料使之多彩化;另外，还可设计成各种形状的 太阳能电池使之多样化
•
开发太阳能电池的两个关键问题就是:提高转换效率和降低成本。由于目前市场上 的太阳能电池产品硅太阳能电池制造成本过高,不利于广泛应用。而九十年代发展起来的纳 米晶二氧化钛(TIO2)太阳能电池的优点在于它廉价的成本和简单的工艺及稳定的性能,已成为 传统太阳能电池的有力竞争对手。其光电效率稳定在10%,制作成本仅为硅太阳能电池的 1/5~1/10。寿命能达到2O年以上。因此自瑞士科学家GRATZEL教授研制成功纳米TIO2化学 太阳能电池以来,纳米二氧化钛太阳能电池一直是太阳能电池研究的一个热点课题,因为其机 理如内电阻和电子迁移率等影响其转换效率的因素一直存在争论。
• (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。 • (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。 • (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。
• 与硅太阳能电池相比,纳米二氧化钛太阳能电池除成本大大降低这一优点外还具有以下五个 方面的优势： • （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。
--------2005年4月第10卷第2期 新余高专学报
纳米二氧化钛太阳能电池
能源短缺与环境污染是目前人类面临的两大问题。太阳能作为人类 取之不尽用之不竭的洁净能源,不产生任何的环境污染,且基本上不受地理 条件的限制,因此太阳能利用技术研究引起了各国科学家的广泛重视。
太阳能电池的原理及分类
• (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;
• 无机化合物太阳能电池作为太阳能电池的半导体材料，具有价格低廉、性能良好和工艺简 单等优点，将成为今后发展太阳能电池的一个重要方向。唯一的问题是材料的来源，由于 铟和硒都是比较稀有的元素，因此，这类电池的发展又必然受到限制。
(3)有机/聚合物太阳能电池
染料敏化TIO2太阳能电池的手工制作
• (1)先把二氧化钛粉末放入研钵中与粘合剂进行研磨
(2)接着用玻璃棒缓慢地在导电玻璃上进行涂膜
• (3)把二氧化钛膜放入酒精灯下烧结10～15分钟，然后冷却
2.利用天然染料为二氧化钛着色
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如图所示，把新鲜的或冰冻的黑梅、山梅、石榴籽或红茶，加一汤匙的水并进行挤压， 然后把二氧化钛膜放进去进行着色，大约需要5分钟，直到膜层变成深紫色，如果膜层两面 着色的不均匀，可以再放进去浸泡5分钟，然后用乙醇冲洗，并用柔软的纸轻轻地擦干。
展望
• 提高转换效率和降低成本是太阳能电池制备中考虑的两个主要因素,对于目前的硅系 太阳能电池,要想再进一步提高转换效率是比较困难的。因此,开发新的电池材料将是今后 研究的重点。而在如何保证转换效率高的情况下,降低太阳能电池的成本也是今后发展急 需解决的问题。纳米晶二氧化钛太阳能电池以其廉价,稳定,高效的特点必将成为21世纪太 阳能电池的发展方向。
• ⑹ 和 ⑺ 分别为注入到TIO2 导带中的电子和氧 化态染料间的复合及导带上的电子和氧化态的 电解质间的复合。
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。