染料敏化太阳能电池

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1、纳米半导体薄膜电极的制备及光电效率研究杨彦秋2011.3.30太阳能电池概述1纳米及改性TiO2在太阳能电池中的应用2提高光电转换效率的方法3纳米TiO2与生物相结合技术4Contents太阳能是人类取之不尽用之不竭的可再生能源，也是清洁能源，不产生任何的环境污染，我们只需要利用其中很小的一部分就可以满足人类的需要在太阳能的有效利用当中，太阳能光电利用是近些年来发展最快，最具活力的研究领域，是解决世界范围内的能源危机和环境污染的一条重要途径。太阳能电池的研究意义：中国太阳能电池产业：多元化合物非晶硅多晶硅单晶硅纳米晶化学太阳能电池太阳能电池的发

2、展历史：太阳能的发展：1954年Bell实验室研发出第一个单晶硅太阳能电池，效率为6%。太阳能电池的比较：禁带宽度光电转化效率环保④材料便于工业化生产且性能稳定制作太阳能电池材料的一般要求：①半导体材料的禁带宽度不能太宽②具有较高的光电转化效率③材料本身对环境无污染稳定性太阳能电池概述1纳米及改性TiO2在太阳能电池中的应用2提高光电转换效率的方法3纳米TiO2与生物相结合技术4Content一方面纳米TiO2具有良好的光电转换能力，故一般将其修饰到透明的导电玻璃上作为光阳极。在太阳能电池中的应用另一方面纳米TiO2膜表面具有多孔的结构，可以通过

3、吸附作用把染料固定在纳米TiO2表面，以进一步提高电池的光电转换效率。所以纳米TiO2在太阳能电池上受到人们的普遍关注。TiO2在太阳能电池中的应用：第二步第一步制备钛的氢氧化物凝胶即前躯体，反应体系有四氯化钛与氨水体系和钛醇盐与水体系等。在这个过程中生成的凝胶大多是无定形，需要进一步结晶。将凝胶转入高压釜内，按一定的升温速度加热，达到所需温度(<250℃)，恒温一段时间，卸压后洗涤、干燥即可得到纳米级的二氧化钛。纳米TiO2粒子的制备方法：溶胶凝胶热蒸发电子束磁控溅射在大于10-3Pa真空下用钨、钼电阻发热至2000℃左右，使TiO2膜材料气化

4、，获得足够分子自由程及能量而沉积在被镀工件上形成不大于1um厚度TiO2薄膜。加速电子束轰击阳极TiO2膜材料，使TiO2获得热能而真空气化沉积凝结于被镀工上，形成厚度不大于1um的薄膜。TiO2阴极靶材，受到高速阳离子气体的动能、动量撞击传输，溅射高能的TiO2分子或分子团，这种获能粒子在电场作用下飞奔并沉积在阳极基板上。纳米TiO2薄膜的制备方法：制备溶胶，溶胶通过涂覆或者提拉浸泡法在电极上附着、晾干，最后通过在马弗炉中煅烧或红外灯烘烤等方法进行热处理。改性研究辐射到地球表面的太阳光中可见光43%，紫外光占4%，TiO2的禁带宽度为3.2eV

5、，吸收位于紫外区，对可见光的吸收较弱。DSSC电池把染料吸附在TiO2表面，借助染料对可见光的敏感效应，增加了整个染料敏化太阳能电池对太阳光的吸收率。增加对太阳光的利用率提高半导体的光电转换效率纳米TiO2的改性研究：在绝对零度温度下，半导体的价带是满带，受到光电注入或热激发后，价带中的部分电子会越过禁带进入能量较高的空带，空带中存在电子后成为导带，价带中缺少一个电子后形成一个带正电的空位，称为空穴，导带中的电子和价带中的空穴合称为电子－空穴对。光电转换原理：禁带空带e-满带导带电子跃迁示意图上述产生的电子和空穴均能自由移动，成为自由载流子它们在

6、外电场作用下产生定向运动而形成宏观电流。DSSC原理示意图：DSSC是由透明导电玻璃、TiO2、多孔纳米膜、敏化染料、电解质溶液以及镀Pt对电极构成的“三明治”式结构电池。(4)处于氧化态的染料分子(S*)与电解质(I-/I3-)溶液中的电子供体(I-)发生氧化还原反应而回到基态，染料分子得以再生；(5)在对电极附近，电解质溶液得到电子而还原。光电转换机理：(1)太阳光(hv)照射到电池上，基态染料分子(S)吸收太阳光能量被激发，染料分子中的电子受激跃迁到激发态(S*)；(2)激发态的电子快速注入到TiO2导带中；(3)电子在TiO2膜中迅速的传

7、输，在导电基片上富集，通过外电路流向对电极；TiO2薄膜电极的表征：染料敏化太阳能电池的性能分析：能量转换效率η的定义：—Pin太阳光模拟器的　　　　　　　　　　　　　　　入射折射功率密度—Voc开路电压—Jsc短路电流密度—FF填充因子由此计算出能量转化效率。将TiO2电极从染料溶液中取出，用乙醇冲洗，洗去吸附在表面的染料，薄膜电极作为光阳极，以镀铂电极为光阴极。用热封膜将TiO2电极和铂对电极封装，从侧面预留小孔中滴入电解液。把两片玻璃稍微错开，以便利用暴露在外面的部分作为电极的测试用。利用两个夹子把电池夹住，这样，你的太阳能电池就做成了。染

8、料敏化太阳能电池的组装：太阳能电池概述1纳米及改性TiO2在太阳能电池中的应用2提高光电转换效率的方法3纳米TiO2与生物相结合技术4C