染料敏化太阳能电池讲义
合集下载
- 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)。
染料敏化太阳能电池具有生产成本低、制备工艺简单、可大批 量生产和环境友好等优点，加之中国土地面积广，尤其西北地 区光照强烈，决定了染料敏化太阳能电池的良好产业化前景， 是具有相当广泛应用前景的新型太阳电池。相信在不久的将来， 染料敏化太阳电池将会走进我们的生活。
应用领域
根据DSSC的透光性高，请便易携带，制作成本低的优点，应 用领域十分广泛，包括航空航天，建筑产业，电子产业，生活 家居等都可以使用该产品。
2. DSSC的制作原理及工艺流程
DSSC工艺流程
3，对电极的制备
将C纳米管/Pt电镀在导电玻璃上面， 加快电子的运动，提高氧化还原的速 率
4，DSSC电解液制备
常用的电解质包括液态、准固态、全 固态等。采用电解质将碘和碘化钠溶 于有机溶液中制备而成。
2. DSSC的制作原理及工艺流程
DSSC工艺流程
⑥ 纳米晶膜中传输的电子与进入TiO2 膜的孔 导带中： 中的I3-离子复合：
S* → S+ + e-(CB) I3 2e-(CB) → 3I-， ③-I-+ 离子还原氧化态染料可以使染料再生： ⑦ I3-离子扩散到对电极上得到电子使I-离子再 3I- + 2S+ → I3- + 2S， 生： ④ 导带中的电子与氧化态染料之间的复合： I3- + 2e-(CE) → 3I-， S+ + e-(CB) → S，
5，电池封装
采用热膜封装技术，将电池的四周用 绝缘加热封装固定。封装膜不宜太厚， 保证电池内部接触良好
6，DSSC电解液注入
将前面配制好的电解液用直径 100μ m的针孔将电解液注入到封装 好的DSSC中，完成后即为成品
2. DSSC的制作原理及工艺流程
TiO2纳米管制作
模板合成法
模板法是利用模板的形态结构，通过 沉积和分解作用来合成与模板具有类 似结构的材料，是制备一维纳米材料 的常用方法；
1、DSSC的提出背景及发展历程
发展历程
1970年起，R.Memming，H.Gerischer，Hauffe，H.Tributsh等人大量研究 了各种染料敏化剂与半导体纳米晶间光敏化作用，研究主要集中在平板电 极上，这类电极只有表面吸附单层染料，光电转换效率小于1%。 1993年, Gratzel M.等人再次研制出光电转换效率达10 %的染料敏化太阳 能电池, 已接近传统的硅光伏电池的水平。
在DSSC的工作过程中，电解液 需要快速的氧化还原反应才能提 供足够多的电子来进行光电转换， 一般利用Pt做催化剂
3. DSSC转化效率的主要参数
DSSC转化效率的影响因子 3、封装技术
DSSC的封装有很严格的要求，既要保证电解液不能泄漏，同时也要保证电池的组成部 分接触良好，封装用的塑料薄膜不能够太太阳能电池
工作原理
半导体纯度 成本 可制备性 光照角度 吸收弱光的能力 对温度的敏感性
光生电子和空穴的产生、传输都在硅片 中进行 要求很高，硅纯度至少要达到 99.999% 以上 高 制备条件要求高 角度增大，效率降低
光生电子和空穴由染料产生，分别经二 氧化钛电极和电解质传递 纯度要求较低
行业领军人物 戴松元 博士，研究员，博导。国家重点基础研究规划 项目（973项目）首席科学家（2006年～2011年 ，中国科学院新型薄膜太阳电池重点实验室 主任， 中国科学院等离子体物理研究所太阳能材料与工 程研究室主任。1994年开始主要从事染料敏化太 阳电池研发工作。近5年来已在国内外会议、期刊 上发表论文150余篇，已申请发明专利19项，获授权发明专利8项，实用新型 专利授权3项。先后完成中科院院长特别基金、世界实验室项目、973项目、 中科院知识创新项目和安徽省重大科技攻关项目12项等。目前本人和团队作 为首席承担单位正在承担973项目一项，协助承担863重点课题一项、科学院 和安徽省等项目15项。
2002 年, STA建立了迄今为止独一无二的面积为200m2 DSC 显示屋顶,使 用 含有离子液态聚合物凝胶电解质的准固态染料敏化纳米晶太阳能电池， 其光电转换效率可达5.3 % 。
目前DSSC的光电转化效率已能稳定在10%以上，据推算寿命能达15～20年， 且其制造成本仅为硅太阳能电池的1/5～1/10。
染料敏化太阳能电池
Dye sensitized solar cell
主要类容
DSSC的提出背景及发展历程 DSSC的制作原理及工艺流程
DSSC的技术现状和效率分析
DSSC转化效率的主要参数 DSSC的优缺点和硅电池比较 DSSC的应用领域和发展前景
1、DSSC的提出背景及发展历程
提出背景
1960 年代，H.Gerischer，H.Tributsch，Meier及R.Memming发现染料 吸附在半导体上并在一定条件下产生电流的现象，成为光电化学电池的重 要基础。 20世纪70年代发展起来的硅，砷化镓窄禁带半导体等高效光伏电池效率基 本上大于18%，但窄禁带半导体具有严重的光腐蚀现象，需要高纯度的半 导体晶体。成本昂贵，难以大面积推广和多领域使用。 TiO2等宽禁带半导体具有较高的光、热稳定性，具有更强的使用范围。同 时价格低廉，制作成本较低 一次性能源枯竭，环境恶化。可再生能源成为现在的主流，DSSC相对更 加清洁。
2. DSSC的制作原理及工艺流程
DSSC结构
光阳极 半导体材料 染料 电解质 对电极
2. DSSC的制作原理及工艺流程
DSSC工作原理
① 染料(S)受光激发由基态跃迁到激发态 ⑤ （导带中的电子在纳米晶网络中传输到后接触 S*）： 面(back contact ，BC)后而流入到外电路中：
S + hυ → S* e -(CB) → e-(BC) ② 激发态染料分子将电子注入到半导体的
2. DSSC的制作原理及工艺流程 Ag/TiO2 纳米管制备
光化学沉积： 在AgNO3溶液中TiO2纳米管在紫外光照射下，将Ag+离子还原 为Ag单质，并沉积在TiO2纳米管表面 化学法（银镜镜反应） 在碱性条件下与AgNO3的葡萄糖,得到表面载Ag的二氧化钛纳米 管(Ag/TiO2) 银镜反应方程式：
CH2OH-CHOH-CHOH-CHOH-CHOH-CHO+2[Ag(NH3)2]OH CH2OH-CHOH-CHOH-CHOH-CHOH-COONH4+2Ag↓+3NH3+H2O
2. DSSC的制作原理及工艺流程
染料敏化液的制备技术
TiO2敏化剂可以采用天然染料，常用叶绿素酸酯和类黄酮类染料作为染料敏化剂。 类黄酮类，如花青苷，大量地存在与陆地上植物的叶子、果实和花中，它们的作用 是保护植物免受紫外线的侵害以及吸引昆虫和鸟类传授花粉，特别是它们非常稳定， 可以用来作为纳米晶体染料敏化光电池中的天然染料敏化剂。常采用天然叶绿素作 敏化剂。也可以，以四苯基卟啉为原料，合成金属卟啉为敏化剂，合成反应式为:
阳极氧化法 ：
将纯钛片置于电解溶液(如HF、 NH4F–(NH4)2SO4或Na2SO4–NaF 的混合液)中，经阳极腐蚀而获得不同 形貌、不同晶化度的TiO2纳米管。
2. DSSC的制作原理及工艺流程
TiO2纳米管制作 水热法制备二氧化钛纳米管：
将TiO2纳米粒子与强碱溶液放在一个密闭的反应容器中,通过对反应容器加热, 创造一个高温、高压反应环境制备TiO2纳米管的方法
3. DSSC转化效率的主要参数
DSSC的伏安特性
衡量光电化学太阳能电池的性能主要有四个评价参数： (1) 短路光电流(ISC)：太阳能电池在短路条件下的工作 电流。此时，电池输出的电压为零。 (2) 开路光电压(VOC)：太阳能电池在开路条件下的输 出电压。此时，电池的输出电流为零。 (3) 填充因子(FF)：填充因子定义为： FF= Pmax / Ioc *VOC。 (4) 能量转换效率(η)：定义为太阳能电池的最大输出功 率与入射太阳光的能量(Plight)之比。
6. DSSC的应用领域和发展前景
应用领域
根据DSSC的透光性高，请便易携带，制作成本低的优点，应 用领域十分广泛，包括航空航天，建筑产业，电子产业，生活 家居等都可以使用该产品。
Thank You !
2. DSSC的制作原理及工艺流程
DSSC工艺流程
1、电池导电基底的选取 采用氧化铟锡（俗称ITO）导电玻璃， 它是在钠钙基或硅硼基基片玻璃的基 础上，利用磁控溅射的方法镀上一层 ITO膜加工制作成的
2、光阳极的制备 将制备好的TIO2纳米管，采用匀胶 机涂抹在导电玻璃的固定区域，然后 在扩散炉中用450 ℃退火30min。退 火后用染料敏化24小时后用N2吹干， 避光储存。
5. DSSC的优缺点和硅电池比较
优点 (1) 寿命长：使用寿命可达15-20年； (2) 结构简单、易于制造，生产工艺简单，易于大规模工业化生产； (3) 制备电池耗能较少，能源回收周期短； (4) 生产成本较低，仅为硅太阳能电池的1/5～1/10，预计每蜂瓦的电池的成 本在10元以内。 (5) 高清洁，生产过程中无毒无污染； (6)质量轻，便于携带。 (7)透光率高 缺点 光电转换效率比较低； 目前所用的电解质缺陷比较多:良好电解质的制备有待提升，研究一种准固态 电解质，既可以克服液态电解质DSSC漏液，不易密封等缺陷，又解决了全 固态电解质DSSC与光阳极的接触问题及传输效率低下等问题。
低，是多晶硅太阳能电池的1/5左右 容易制备
基本上角度增大，效率升高；在 0-75 °的角 度范围内随光照角度增大，效率增大
弱 多晶硅：敏感； 薄膜硅：不敏感 颜色 单一 透明性 不透明 柔性化、轻质化 可以 理论光电转换效 28% 率 应用范围 广泛
强 不敏感 丰富 透明 容易 33% 非常广泛
6. DSSC的应用领域和发展前景 发展前景
4、电解液制备
电解质的组成及溶剂配方对太阳能电池的影响很大。电解质中还原剂必须能迅速地还 原染料正离子，而自身还原电位要低于电池电位。电解质可分为液体电解质与固体电 解质。
5、暗电流影响
电池片在反偏压条件下,没有入射光时产生的反向直流电流 暗电流＝反向饱和电流＋漏电流
4. DSSC的技术现状和效率分析
η=P /P =FF ×I ×V /P
max
light
sc
oc
light
3. DSSC转化效率的主要参数
DSSC转化效率的影响因子 1、敏化液的选取
敏化液在DSSC中有至关重要的 作用，它可以提高TiO2的光谱， 从原来的350nm直接拓宽到整 个可见光光谱，极大的提升了 DSSC对光的吸收效率
2、催化效果
应用领域
根据DSSC的透光性高，请便易携带，制作成本低的优点，应 用领域十分广泛，包括航空航天，建筑产业，电子产业，生活 家居等都可以使用该产品。
2. DSSC的制作原理及工艺流程
DSSC工艺流程
3，对电极的制备
将C纳米管/Pt电镀在导电玻璃上面， 加快电子的运动，提高氧化还原的速 率
4，DSSC电解液制备
常用的电解质包括液态、准固态、全 固态等。采用电解质将碘和碘化钠溶 于有机溶液中制备而成。
2. DSSC的制作原理及工艺流程
DSSC工艺流程
⑥ 纳米晶膜中传输的电子与进入TiO2 膜的孔 导带中： 中的I3-离子复合：
S* → S+ + e-(CB) I3 2e-(CB) → 3I-， ③-I-+ 离子还原氧化态染料可以使染料再生： ⑦ I3-离子扩散到对电极上得到电子使I-离子再 3I- + 2S+ → I3- + 2S， 生： ④ 导带中的电子与氧化态染料之间的复合： I3- + 2e-(CE) → 3I-， S+ + e-(CB) → S，
5，电池封装
采用热膜封装技术，将电池的四周用 绝缘加热封装固定。封装膜不宜太厚， 保证电池内部接触良好
6，DSSC电解液注入
将前面配制好的电解液用直径 100μ m的针孔将电解液注入到封装 好的DSSC中，完成后即为成品
2. DSSC的制作原理及工艺流程
TiO2纳米管制作
模板合成法
模板法是利用模板的形态结构，通过 沉积和分解作用来合成与模板具有类 似结构的材料，是制备一维纳米材料 的常用方法；
1、DSSC的提出背景及发展历程
发展历程
1970年起，R.Memming，H.Gerischer，Hauffe，H.Tributsh等人大量研究 了各种染料敏化剂与半导体纳米晶间光敏化作用，研究主要集中在平板电 极上，这类电极只有表面吸附单层染料，光电转换效率小于1%。 1993年, Gratzel M.等人再次研制出光电转换效率达10 %的染料敏化太阳 能电池, 已接近传统的硅光伏电池的水平。
在DSSC的工作过程中，电解液 需要快速的氧化还原反应才能提 供足够多的电子来进行光电转换， 一般利用Pt做催化剂
3. DSSC转化效率的主要参数
DSSC转化效率的影响因子 3、封装技术
DSSC的封装有很严格的要求，既要保证电解液不能泄漏，同时也要保证电池的组成部 分接触良好，封装用的塑料薄膜不能够太太阳能电池
工作原理
半导体纯度 成本 可制备性 光照角度 吸收弱光的能力 对温度的敏感性
光生电子和空穴的产生、传输都在硅片 中进行 要求很高，硅纯度至少要达到 99.999% 以上 高 制备条件要求高 角度增大，效率降低
光生电子和空穴由染料产生，分别经二 氧化钛电极和电解质传递 纯度要求较低
行业领军人物 戴松元 博士，研究员，博导。国家重点基础研究规划 项目（973项目）首席科学家（2006年～2011年 ，中国科学院新型薄膜太阳电池重点实验室 主任， 中国科学院等离子体物理研究所太阳能材料与工 程研究室主任。1994年开始主要从事染料敏化太 阳电池研发工作。近5年来已在国内外会议、期刊 上发表论文150余篇，已申请发明专利19项，获授权发明专利8项，实用新型 专利授权3项。先后完成中科院院长特别基金、世界实验室项目、973项目、 中科院知识创新项目和安徽省重大科技攻关项目12项等。目前本人和团队作 为首席承担单位正在承担973项目一项，协助承担863重点课题一项、科学院 和安徽省等项目15项。
2002 年, STA建立了迄今为止独一无二的面积为200m2 DSC 显示屋顶,使 用 含有离子液态聚合物凝胶电解质的准固态染料敏化纳米晶太阳能电池， 其光电转换效率可达5.3 % 。
目前DSSC的光电转化效率已能稳定在10%以上，据推算寿命能达15～20年， 且其制造成本仅为硅太阳能电池的1/5～1/10。
染料敏化太阳能电池
Dye sensitized solar cell
主要类容
DSSC的提出背景及发展历程 DSSC的制作原理及工艺流程
DSSC的技术现状和效率分析
DSSC转化效率的主要参数 DSSC的优缺点和硅电池比较 DSSC的应用领域和发展前景
1、DSSC的提出背景及发展历程
提出背景
1960 年代，H.Gerischer，H.Tributsch，Meier及R.Memming发现染料 吸附在半导体上并在一定条件下产生电流的现象，成为光电化学电池的重 要基础。 20世纪70年代发展起来的硅，砷化镓窄禁带半导体等高效光伏电池效率基 本上大于18%，但窄禁带半导体具有严重的光腐蚀现象，需要高纯度的半 导体晶体。成本昂贵，难以大面积推广和多领域使用。 TiO2等宽禁带半导体具有较高的光、热稳定性，具有更强的使用范围。同 时价格低廉，制作成本较低 一次性能源枯竭，环境恶化。可再生能源成为现在的主流，DSSC相对更 加清洁。
2. DSSC的制作原理及工艺流程
DSSC结构
光阳极 半导体材料 染料 电解质 对电极
2. DSSC的制作原理及工艺流程
DSSC工作原理
① 染料(S)受光激发由基态跃迁到激发态 ⑤ （导带中的电子在纳米晶网络中传输到后接触 S*）： 面(back contact ，BC)后而流入到外电路中：
S + hυ → S* e -(CB) → e-(BC) ② 激发态染料分子将电子注入到半导体的
2. DSSC的制作原理及工艺流程 Ag/TiO2 纳米管制备
光化学沉积： 在AgNO3溶液中TiO2纳米管在紫外光照射下，将Ag+离子还原 为Ag单质，并沉积在TiO2纳米管表面 化学法（银镜镜反应） 在碱性条件下与AgNO3的葡萄糖,得到表面载Ag的二氧化钛纳米 管(Ag/TiO2) 银镜反应方程式：
CH2OH-CHOH-CHOH-CHOH-CHOH-CHO+2[Ag(NH3)2]OH CH2OH-CHOH-CHOH-CHOH-CHOH-COONH4+2Ag↓+3NH3+H2O
2. DSSC的制作原理及工艺流程
染料敏化液的制备技术
TiO2敏化剂可以采用天然染料，常用叶绿素酸酯和类黄酮类染料作为染料敏化剂。 类黄酮类，如花青苷，大量地存在与陆地上植物的叶子、果实和花中，它们的作用 是保护植物免受紫外线的侵害以及吸引昆虫和鸟类传授花粉，特别是它们非常稳定， 可以用来作为纳米晶体染料敏化光电池中的天然染料敏化剂。常采用天然叶绿素作 敏化剂。也可以，以四苯基卟啉为原料，合成金属卟啉为敏化剂，合成反应式为:
阳极氧化法 ：
将纯钛片置于电解溶液(如HF、 NH4F–(NH4)2SO4或Na2SO4–NaF 的混合液)中，经阳极腐蚀而获得不同 形貌、不同晶化度的TiO2纳米管。
2. DSSC的制作原理及工艺流程
TiO2纳米管制作 水热法制备二氧化钛纳米管：
将TiO2纳米粒子与强碱溶液放在一个密闭的反应容器中,通过对反应容器加热, 创造一个高温、高压反应环境制备TiO2纳米管的方法
3. DSSC转化效率的主要参数
DSSC的伏安特性
衡量光电化学太阳能电池的性能主要有四个评价参数： (1) 短路光电流(ISC)：太阳能电池在短路条件下的工作 电流。此时，电池输出的电压为零。 (2) 开路光电压(VOC)：太阳能电池在开路条件下的输 出电压。此时，电池的输出电流为零。 (3) 填充因子(FF)：填充因子定义为： FF= Pmax / Ioc *VOC。 (4) 能量转换效率(η)：定义为太阳能电池的最大输出功 率与入射太阳光的能量(Plight)之比。
6. DSSC的应用领域和发展前景
应用领域
根据DSSC的透光性高，请便易携带，制作成本低的优点，应 用领域十分广泛，包括航空航天，建筑产业，电子产业，生活 家居等都可以使用该产品。
Thank You !
2. DSSC的制作原理及工艺流程
DSSC工艺流程
1、电池导电基底的选取 采用氧化铟锡（俗称ITO）导电玻璃， 它是在钠钙基或硅硼基基片玻璃的基 础上，利用磁控溅射的方法镀上一层 ITO膜加工制作成的
2、光阳极的制备 将制备好的TIO2纳米管，采用匀胶 机涂抹在导电玻璃的固定区域，然后 在扩散炉中用450 ℃退火30min。退 火后用染料敏化24小时后用N2吹干， 避光储存。
5. DSSC的优缺点和硅电池比较
优点 (1) 寿命长：使用寿命可达15-20年； (2) 结构简单、易于制造，生产工艺简单，易于大规模工业化生产； (3) 制备电池耗能较少，能源回收周期短； (4) 生产成本较低，仅为硅太阳能电池的1/5～1/10，预计每蜂瓦的电池的成 本在10元以内。 (5) 高清洁，生产过程中无毒无污染； (6)质量轻，便于携带。 (7)透光率高 缺点 光电转换效率比较低； 目前所用的电解质缺陷比较多:良好电解质的制备有待提升，研究一种准固态 电解质，既可以克服液态电解质DSSC漏液，不易密封等缺陷，又解决了全 固态电解质DSSC与光阳极的接触问题及传输效率低下等问题。
低，是多晶硅太阳能电池的1/5左右 容易制备
基本上角度增大，效率升高；在 0-75 °的角 度范围内随光照角度增大，效率增大
弱 多晶硅：敏感； 薄膜硅：不敏感 颜色 单一 透明性 不透明 柔性化、轻质化 可以 理论光电转换效 28% 率 应用范围 广泛
强 不敏感 丰富 透明 容易 33% 非常广泛
6. DSSC的应用领域和发展前景 发展前景
4、电解液制备
电解质的组成及溶剂配方对太阳能电池的影响很大。电解质中还原剂必须能迅速地还 原染料正离子，而自身还原电位要低于电池电位。电解质可分为液体电解质与固体电 解质。
5、暗电流影响
电池片在反偏压条件下,没有入射光时产生的反向直流电流 暗电流＝反向饱和电流＋漏电流
4. DSSC的技术现状和效率分析
η=P /P =FF ×I ×V /P
max
light
sc
oc
light
3. DSSC转化效率的主要参数
DSSC转化效率的影响因子 1、敏化液的选取
敏化液在DSSC中有至关重要的 作用，它可以提高TiO2的光谱， 从原来的350nm直接拓宽到整 个可见光光谱，极大的提升了 DSSC对光的吸收效率
2、催化效果