染料敏化太阳能电池材料合成及其性

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1、课题1.染料敏化太阳能电池材料合成及其性能研究1.1研究课题背景据有关专家预测，目前全世界对能源的需求量是13亿瓦特；而且，随着全世界人口的增长和科技的进步，到2050年，全世界对能源的需求将是现在的2倍；而到本世纪末，将是现在的3倍，世界范围的能源匮乏时代即将到来。另外，由于化石燃料的大量使用，全球范围的环境问题已经不容忽视。因此，减少化石燃料能源的使用，使用可再生的、无污染的替代能源，是未来能源利用的大趋势。而太阳能转换技术，则以其高效率、低成本、无污染和不受地域限制等一系列优点，受到各国科学家的一致青睐。1839年，法国物理学家Becquerel发现光伏现象，可以视为太阳能电

2、池发展的肇始理论。1954年建立来第一个基于半导体的p-n光辐照注入电子的原理的太阳能电池，其工作原理如图1.3所示。在光照射下，N型半导体和P型半导体分别产生载流子e’和h·，在内电场作用下，电子经过外电路与正极端的空穴复合，形成外电路中有电流形成。太阳光辐照接触架电场电子通过后接触与空穴复合，完成回路图1.1半导体太阳能电池工作原理示意这种太阳能电池材料经历了两代研发。第一代材料基本上以硅技术为主，尤其是单晶硅，也包括GaAs和InGaP。这种技术现在已经相当成熟，理论效率达到27%，但是，它昂贵的原料纯化过程却妨害了它的应用。据估测，原料成本大约占了第一代太阳能电池的总成本的

3、70%，这使得其生产成本的降低和效率超过16%时其转化率的提高变的几乎不可能；第二代材料则以更为经济的薄膜材料为基础，包括由CVD（化学气相淀积）或者其他膜增长技术生产的无定型硅和多晶CdS、InSe、CuInSe2和CdTe等。该类电池，虽然比单晶原料花费的成本低的多，但其效率一般只能达到15%，据报道最大效率也只能达到18%（Cu(In,Ga)Se2），远远低于单晶材料太阳能电池，而且大多具有很高的毒性。毫无疑问，高效率低成本且环保的太阳能电池将是未来主流的太阳能电池发展方向。1991年，瑞士洛桑高等学院Grätzel教授研究小组发展了一种基于吸附染料光敏化剂的纳米晶体TiO2

4、多孔膜的新型光化学电池。由于TiO2无毒、稳定、抗腐性能好，且其光电转换效率可达10%，是一种较有发展前途的光电转换技术，已引起了全世界人们的关注。近年来，这种基于染料敏化的纳米晶光电池的转换效率已达到13%以上。这种电池，不同于传统的太阳能电池，是一种全新类型的电池，称作染料敏化太阳能电池（dye-sensitizedsolarcell，DSSC）。DSSC的基本结构如图45.2所示，它主要由透明--Pt导电玻璃、多孔纳米TiO2膜、染料光敏化剂（S）、含有氧化还原电对（I/I3）的电解质溶液和对电极组成。其工作原理为：当能量低于半导体二氧化钛禁带宽度、等于染料分子特征吸收波长的

5、入射光照射在染料敏化纳米TiO2的负极上时，染料分子中电子受激跃迁至激发态（TiO2/S*），然后将电子快速注入到二氧化钛导带内，此时染料分子自身转变成氧+化态（TiO2/S）。注入到二氧化钛层的电子富集到导电薄膜上，并通过外电路流向对电极-−正极。电解质溶液中的氧化还原电对中的还原型（I）从正极接受电子被氧化成氧化型（I）,3后者扩散到负极将氧化态敏化分子还原成还原态（TiO2/S）。这样，就完成了一个光化学循环，在电池外电路中形成电流，不断地将太阳能转换为电能。光电化学反应循环过程的相关光电化学反应方程式在图1.2右侧给出。染料敏化TiO2电极Pt导电玻璃敏化剂1-1电解质溶液

6、1-21-31-41-51-6图1.2DSSC的结构和光电转换原理由DSSC的工作原理可见，其核心材料是染料敏化半导体氧化物构成的负极电极材料以及含有氧化还原电对的液体电解质。半导体氧化物多采用TiO2微晶。TiO2晶粒是一种禁带宽度为3.2eV的宽禁带半导体，由填满电子的低能价带（valenceband,VB）和空的高能导带(conductionband,CB)构成。当光照射在TiO2晶粒表面时，能量大于或等于3.2eV的光子可激发价带电子向导带跃迁，形成电子-空穴对。即hv·TiO2⎯⎯→e’+h(1-7)活泼的电子和空穴可以分别从半导体的导带（CB）和价带（VB）迁移至半导体

7、/吸附物界面。正因为如此，在DSSC中，要求敏化剂的激发能量不能高于TiO2的禁带宽度。敏化染料研究的最多，其种类包括过渡金属配位化合物、叶绿素、花青素、类胡罗卜素、香豆素等。图1.3给出了其中3类敏化剂的分子结构，（a）为联吡啶钌络合物，即Grätzel研究团队研发的所谓“N3”敏化剂，转化效率可达10.8%，成为敏化剂研究的“记录”；（b）为很有应用前景的卟啉或金属卟啉；（c）为聚噻吩类纯有机染料。SCSCOOHCNNNRuNNNCOOHHOOCCOOH（a）金属