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1、染料敏化纳米晶太阳能电池第一章绪论1.1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。传统的能源媒,石油和木材按目前的消耗速度只能维持五十至一百年。另外,由此所带来的环境污染,也正在威胁着人类赖以生存的地球。而在人类可以预测的未来时间内,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。太阳内部每时每刻都在发生热核聚变反应,进行质能转换,向宇宙辐射的总功率约为3*1023kW,投射到地球大气层之前的功率密度约为
2、1135kW/m2。太阳光进入大气层后,虽然大气成分和尘埃颗粒的散射以及太阳光中的紫外线被臭氧，氧气和水蒸气吸收,但到达地表的功率密度仍有很大。如果太阳辐射维持不变,则太阳半衰期寿命还有7*1012年以上,可以说太阳能是取之不尽用之不竭的天赐能源。我国陆地2/3以上地区的年日照时数大于2000h,太阳能相当丰富。目前,太阳能的利用主要有太阳能电池发电和太阳能热水器制热。而在一些名胜古迹和公园已经可以见到太阳能路灯了,为家庭住宅提供能源的太阳能发电系统(3kW)已经在发达国家作为示范工程而被推广,用太阳能电池提
3、供动力的汽车和游艇也已经出现在人们的眼前。1.1.1太阳能电池的工作原理当表面蒸发一层透光金属薄膜的半导体薄片被光照射时，在它的另一侧和金属膜之间将产生一定的电压，这种现象称为光生伏打效应，简称光伏效应。能将光能转换成电能的光电转换器叫太阳能电池，在半导体Ｐ—Ｎ结上，这种光伏效应更为明显。因此，太阳能电池都是由半导体Ｐ—Ｎ结构成的，最简单的太阳能电池由一个大面积的Ｐ—Ｎ结构成，例如Ｐ型半导体表面形成薄的Ｎ型层构成一个Ｐ—Ｎ结，见图1.1.1。图1.1.1Ｐ—Ｎ结太阳能电池原理示意图太阳辐射光谱的波长是从0.3
4、µm的近紫外线到几微米的红外线,对应的光子能量从4eV~0.3eV左右。由半导体能带理论可知,只有能量高于半导体带隙宽度(Eg)的光的照射,才能激发半导体中杂质捕获的电子通过带间跃迁从价带跃迁到导带,生成自由电子和空穴对,电子和空穴向左右极化而产生电势差。因此,制造太阳能电池的半导体材料的带隙宽度应在1.1eV~1.7eV之间,由太阳光谱可知,最好是1.5eV左右。当光照在半导体上满足Eg，在Ｐ型和Ｎ型两区内，就会光激发产生电子—空穴对。如果在一个扩散长度的范围内，这些被激发出来的电子或空穴，就都有可能在复合
5、之前通过扩散运动到达Ｐ—Ｎ结的强电场区。半导体Ｐ—Ｎ结的界面附近，电荷积累形成的阻挡层（耗尽层）中有一个强电场，场强方向由Ｎ区指向Ｐ区。这样，在强电场的作用下，空穴由Ｎ区漂移到Ｐ区，而电子则由Ｐ区漂移到Ｎ区。这样被激发的自由电子和空穴分别向左右漂移,将使Ｐ区带正电，Ｎ区带负电，从而产生光生电动势Vph,接上负载R就可产生光生电流Iph。1.1.2太阳能电池的种类和研究进展太阳能电池可分为固体电池和液体电池。前者如硅太阳能电池,后者如半导体电解质太阳能电池。制作太阳能电池主要是以半导体材料为基础。根据所用材料的
6、不同,太阳能电池又可分为:(1)硅太阳能电池;根据不同硅晶体材料可分成单晶硅太阳能电池,多晶硅太阳能电池和非晶硅太阳能电池有单晶硅(c－Si)，多晶硅(ploy－Si)，非晶硅(a－Si)；(2)无机化合物太阳能电池如砷化镓(GaAs)，铜铟镓硒(CuInGaSe)，碲化镉(CdTe)等;(3)有机/聚合物太阳能电池;(4)纳米晶太阳能电池等。尽管制作电池的材料不同,但其材料一般应满足以下几个要求:(1)半导体材料的禁带不能太宽;(2)要有较高的光电转换效率;(3)对环境不造成污染;(4)便于工业化生产且性能
7、稳定。而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染料敏化纳米晶二氧化钛(TiO2)太阳能电池（DSSC）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20年以上。1.2 DSSC的结构和基本原理太阳能发电是太阳能利用的重要领域之一,它具有高效、清洁、低成本的优势。1991年瑞士学者Gr
8、atzel等[2]在Nature上发表文章,研制出了以过渡金属Ru的配合物作为染料的纳米晶膜TiO2太阳能电池,其光电转换效率达到7.1%--7.9%,光电流密度大于12mA/cm2,引起了世人的广泛关注.目前,染料敏化纳米二氧化钛太阳能电池的光电转换效率已达到了11.18%[3,4,5].且成本比硅太阳能电池大为降低,性能稳定,应用前景十分诱人。1.2.1DSSC的结构染料敏化太阳能电池是由透明导
