染料敏化太阳能电池

DSSC中电流产生机理
TiO2光 阳极
对电极
电解质
具体过程如下： 具体过程如下：
受到可见光激发由基态跃迁到激发态(Dye*)： ①染料Dye受到可见光激发由基态跃迁到激发态 染料 受到可见光激发由基态跃迁到激发态 ： ②激发态染料分子将电子注入到半导体的导带(CB)中： 激发态染料分子将电子注入到半导体的导带 中 离子还原Dye+ 使染料再生： 使染料再生： ③I-离子还原 之间发生复合： ④导带中的电子与Dye+之间发生复合： 导带中的电子与 之间发生复合 ⑤导带(CB)中的电子在二氧化钛网络中传输到导电玻璃后接触面 导带 中的电子在二氧化钛网络中传输到导电玻璃后接触面(BC)后而流入 后而流入 中的电子在二氧化钛网络中传输到导电玻璃后接触面 到外电路中： 到外电路中： ⑥在二氧化钛薄膜中传输的电子与进入二氧化钛膜间隙的I3-离子复合： 在二氧化钛薄膜中传输的电子与进入二氧化钛膜间隙的I 离子复合： 离子扩散到对电极(CE)上,得到电子，使I-再生： 再生： ⑦I3- 离子扩散到对电极 上 得到电子， 和其他太阳能电池不同，在染料敏化太阳能电池中， 和其他太阳能电池不同，在染料敏化太阳能电池中，光的捕获和光生 载流子的传输是由敏化剂和TiO 半导体分别完成的。 载流子的传输是由敏化剂和TiO2半导体分别完成的。
氮掺杂TiO2的制备方法
气氛下灼烧法： 或其前驱体在空气或含氮气氛(NH 或是NH 气氛下灼烧法：将TiO2或其前驱体在空气或含氮气氛(NH3，N2或是NH3， 与Ar气的混合气体)中锻烧，气体受热分解出高活性的N离子渗入TiO2表面， Ar气的混合气体)中锻烧，气体受热分解出高活性的N离子渗入TiO 表面， 气的混合气体 取代TiO 分子中少量的氧原子，生成TiO xNx型化合物 得到掺氮产品。 型化合物， 取代TiO2分子中少量的氧原子，生成TiO2-xNx型化合物，得到掺氮产品。 这种制备工艺是2001年Asahi提出的，目前较为常用。 这种制备工艺是2001年Asahi提出的，目前较为常用。 2001 提出的 水解沉淀法：先将氨水滴加到Ti(SO 水溶液中制得水解沉淀产物， 水解沉淀法：先将氨水滴加到Ti(SO4)2水溶液中制得水解沉淀产物，再将洗 净的沉淀干燥后， 400℃煅烧1h，制备出氮掺杂二氧化钛。 净的沉淀干燥后，在400℃煅烧1h，制备出氮掺杂二氧化钛。 1h 溶胶-凝胶法：将钛酸盐或钛合物与氨水等含氮物质反应制备出溶胶-凝胶， 溶胶-凝胶法：将钛酸盐或钛合物与氨水等含氮物质反应制备出溶胶-凝胶， 再干燥灼烧的方法制备出N掺杂TiO 再干燥灼烧的方法制备出N掺杂TiO2。 还有机械化学法，激光脉冲法等。 还有机械化学法，激光脉冲法等。
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光阳极：它是制备在导电玻璃上的纳米晶半导体薄膜， DSSC的关键部分。 光阳极：它是制备在导电玻璃上的纳米晶半导体薄膜，是DSSC的关键部分。目前 的关键部分 研究的电极材料只要有TiO 其中TiO 作为光阳极研究最为广泛 研究最为广泛。 研究的电极材料只要有TiO2,ZnO,SnO2等，其中TiO2作为光阳极研究最为广泛。
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电解质：在染料敏化太阳能电池中起着传输电子和再生染料的作用。 电解质：在染料敏化太阳能电池中起着传输电子和再生染料的作用。对纳晶染料 敏化太阳能电池的电解质而言，首先要求具有合适的与染料相匹配的氧化还原能 敏化太阳能电池的电解质而言， 级，其次电解质中离子输运要快。目前，最常用的电解液是将I-/I3－溶解在有机溶 其次电解质中离子输运要快。目前，最常用的电解液是将I 剂中。 剂中。
100
120
140
160
Photovoltage(V)
Time(s)
I-T曲线 曲线
I-V曲线 曲线
结果讨论
工作电极 Isc(mA/cm2) Voc(V) FF η(%)
TiO2 N-TiO2
5.578 7.746
0.648 0.703
0.661 0.576
5.97 7.84
I-V曲线表明了N-TiO2比TiO2光阳极的短路光电流和开路光电压 曲线表明了N 都高，电子传输速度更快，有利于电子与空穴分离， 都高，电子传输速度更快，有利于电子与空穴分离，光电转换 效率(η=7.84)比纯二氧化钛(η=5.97)有了显著提高， (η=7.84)比纯二氧化钛(η=5.97)有了显著提高 效率(η=7.84)比纯二氧化钛(η=5.97)有了显著提高，光电性 能得到明显改善， 曲线表明N 能得到明显改善，且I-T曲线表明N-TiO2比TiO2的电流响应更敏 感，二者曲线均较平稳，均有较好的稳定性。 二者曲线均较平稳，均有较好的稳定性。
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对电极：作为完整的电流回路，必须有一个对电极还原I3-离子，从而实现电子在 对电极：作为完整的电流回路， 必须有一个对电极还原I 离子， 回路的传导，该反应越快，光电响应越快。目前采用的对电极主要有载铂的导电 回路的传导，该反应越快，光电响应越快。目前采用的对电极主要有载铂的导电 玻璃和碳材料。 玻璃和碳材料。
TiO2光阳极
TiO2 优点 纳米TiO2具有 合适的禁带宽度， 化学稳定好、无毒， 具有优越的光电介 电效应，已在许多 方面获得了应用。 缺点 作为光阳极时 电子与空穴有一定 的复合，因此需要 对其进行改性研究， 其中掺杂TiO2的研 究占有很大部分。
电极结构极大的提高电极的染料吸附量， 多孔的纳米晶TiO2电极结构极大的提高电极的染料吸附量，同时增加光线 多孔的纳米晶 在薄膜电极中的散射性能，提高光的吸收效率,同时溶液渗透性能好， 在薄膜电极中的散射性能，提高光的吸收效率,同时溶液渗透性能好，几乎 每个纳米颗粒都与电解质接触，这为光生电子、 每个纳米颗粒都与电解质接触，这为光生电子、空穴进行的界面氧化和还 原反应提供了有利的坏境。 原反应提供了有利的坏境。
DSSC输出参数 DSSC输出参数
光电流光电流-光电压曲线 （1）短路光电流(Isc)：电路处于短路时的光电流， 短路光电流 ：电路处于短路时的光电流， 它等于光子转换成电子一空穴对的绝对数量，此时， 它等于光子转换成电子一空穴对的绝对数量，此时， 电池输出的电压为零。 电池输出的电压为零。 （2）开路光电压（Voc）：电路处于开路时的光电 开路光电压（ ）：电路处于开路时的光电 压称，此时，电池的输出电流为零。 压称，此时，电池的输出电流为零。 （3）填充因子(FF)：电池具有最大输出功率（Pmax） 填充因子 ：电池具有最大输出功率（ 时的电流（ 和电压（ 时的电流（Iopt）和电压（Vopt）的乘积与短路光电 流和开路光电压的乘积的比值称为填充因子； 流和开路光电压的乘积的比值称为填充因子；实际 上，填充因子在I-V曲线上是两个长方形面积之比。 填充因子在I 曲线上是两个长方形面积之比。 ）：电池的最大输出功 （4）光电能量转化效率（η）：电池的最大输出功 光电能量转化效率（ ）： 率与输入光的功率(P 的比值称为光电能量转化效 率与输入光的功率 in)的比值称为光电能量转化效 率。 Isc和Voc是电池最重要的两个参数， Isc和Voc是电池最重要的两个参数，较大的 是电池最重要的两个参数 Isc和Voc值是产生较高能量转化效率的基础。 Isc和Voc值是产生较高能量转化效率的基础。 值是产生较高能量转化效率的基础 对于两者都相同的两个电池， 对于两者都相同的两个电池，起作用的就是 填充因子了，填充因子高的电池， 填充因子了，填充因子高的电池，能量转化 效率就高。 效率就高。
太阳能电池是太阳能利用的重要途径之一
多晶硅太阳能电池
国际空间站太阳能电Βιβλιοθήκη Baidu板
Solar Cells分类
单晶硅，多晶硅， 单晶硅，多晶硅，非 晶硅 硅系太阳能电池
A
染料敏化纳米晶 太阳能电池 DSSC
B
多元化合物薄膜太阳能电池
C
纳米晶太阳能电池
D
有机太阳能电池
1991年 1991年，由瑞士的科学 Grätzel tzel等人采用二氧化钛 家Gr tzel等人采用二氧化钛 纳米粒子作为染料载体， 纳米粒子作为染料载体，制 作了染料敏化太阳能电池， 作了染料敏化太阳能电池， 将其转化效率提高到7% 7%， 将其转化效率提高到7%，继 而迎来了DSSC的新时代。 DSSC的新时代 而迎来了DSSC的新时代。
2.DSSC原理---组成部分 2.DSSC原理---组成部分
N3,N719
敏化剂
Pt,C
对电极
I-/I3-
纯TiO2, 掺杂修饰
DSSC
电解质 TiO2光 阳极
•
敏化剂：染料分子的作用就是吸收太阳光，将基态电子激发到高能态， 敏化剂：染料分子的作用就是吸收太阳光，将基态电子激发到高能态，然后再转 移到外电路， 移到外电路，它的性能是决定电池转换效率的重要因素之一 。在染料敏化太阳能 电池的发展中，钌的配合物一直起着重要的作用，所以将染料敏化剂分为多吡啶 电池的发展中，钌的配合物一直起着重要的作用，所以将染料敏化剂分为多吡啶 配合物敏化剂、有机染料敏化剂和窄带隙半导体敏化剂三类。 配合物敏化剂、有机染料敏化剂和窄带隙半导体敏化剂三类。 三类
染料敏化太阳能电池DSSC 染料敏化太阳能电池
目录
1. 引言 DSSC原理 原理 DSSC制作工艺 制作工艺 DSSC应用 应用 结语 参考文献
2.
3.
4. 5.
6.
1.引言
1.随着能源危机与环境污染问题越来越严重，社会各界对 能源消耗的可持续性发展日益重视，尤其引起了各国政府对 清洁的、可再生能源的关注和青睐。 2.太阳能作为一种新能源,具有取之不尽,用之不竭,就地取 材,对环境友好等特点。
TiO2与N-TiO2光阳极性能对比
9 8 7
8
light on
off
N-TiO2
N-TiO2 Photocurrent(mA/cm )
6
2
Phtocurrent(mA/cm )
2
6 5 4 3 2 1 0 20 40 60 80
TiO2
TiO2
4
2
0 0.0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
3.DSSC制作工艺 制作工艺
合成纳米晶TiO2
NH3气氛中中压灼烧
得到N-TiO2
以N719为敏化剂 铂电极为对电极
分别组装成染料敏化太阳能电池
纳米晶TiO2多孔薄膜电极的制备方法 纳米晶
目前制备纳晶TiO 多孔薄膜电极的方法主要有两种: 目前制备纳晶TiO2多孔薄膜电极的方法主要有两种: • (1)采用商品化的TiO2纳米颗粒为原料，加入一定的溶剂制成TiO2 (1)采用商品化的TiO 纳米颗粒为原料，加入一定的溶剂制成TiO 采用商品化的 胶体，通过刮涂、丝网印刷等技术制备TiO 薄膜电极: 胶体，通过刮涂、丝网印刷等技术制备TiO2薄膜电极: • (2)以钛盐作原料，采用溶胶一凝胶水热法制备TiO2胶体，之后通 (2)以钛盐作原料，采用溶胶一凝胶水热法制备TiO 胶体， 以钛盐作原料 过刮涂、丝网印刷等技术制备TiO 薄膜电极。 过刮涂、丝网印刷等技术制备TiO2薄膜电极。
应用
• 全球染料敏化太阳能电池（DSSC）的产业先驱者--G24 全球染料敏化太阳能电池（DSSC）的产业先驱者--G24 Innovations -（G24i）总部位于美国加州。全球首批商用DSSC由G24i公司研发并上市，其 G24i）总部位于美国加州。全球首批商用DSSC由G24i公司研发并上市， DSSC 公司研发并上市 组件可替代传统的硅太阳能电池，且成本更低，更轻便耐用， 组件可替代传统的硅太阳能电池，且成本更低，更轻便耐用，在地形和光线 条件受限的地方均能适用G24i公司采用滚对滚(roll-to-roll） 条件受限的地方均能适用G24i公司采用滚对滚(roll-to-roll）技术在柔性 G24i公司采用滚对滚(roll 基板上流水线快速制作， 基板上流水线快速制作，而国内企业目前还没有掌握染料敏化太阳能电池生 产线技术。 产线技术。 目前已有美国G24i公司、澳大利亚DYESOL公司、德国BOSCH公司、 目前已有美国G24i公司、澳大利亚DYESOL公司、德国BOSCH公司、日本 G24i公司 DYESOL公司 BOSCH公司 SONY公司等多个国际大企业与中国长春应化DSSC研究组建立了密切合作关系， SONY公司等多个国际大企业与中国长春应化DSSC研究组建立了密切合作关系， 公司等多个国际大企业与中国长春应化DSSC研究组建立了密切合作关系 汽车、 致力于使这种新型太阳电池应用于汽车 电动工具、便携电子产品等多个领 致力于使这种新型太阳电池应用于汽车、电动工具、便携电子产品等多个领 域。美国G24i公司利用该成果生产的可用于日常生活的太阳电池，仅有10张 美国G24i公司利用该成果生产的可用于日常生活的太阳电池，仅有10张 G24i公司利用该成果生产的可用于日常生活的太阳电池 10 A4纸重叠在一起那么厚，也像纸一样柔软，且绚丽美观，即使在普通灯光下， A4纸重叠在一起那么厚，也像纸一样柔软，且绚丽美观，即使在普通灯光下， 纸重叠在一起那么厚 这种电池也能发挥作用。 这种电池也能发挥作用。