染料敏化纳米tio2薄膜太阳能电池的研究进展

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1、染料敏化纳米Ti02薄膜太阳能电池的研究进展摘要:本文综述了染料敏化纳米Ti02薄膜太阳能电池的研究概况，阐述了Ti()2的结构、工作原理和制备方法，从掺杂离子和表面修饰等方面论述了改善Ti02光电性能的基本途径。关键词:染料敏化;Ti02薄膜;太阳能电池1引言染料敏化Ti02纳晶薄膜太阳能电池是一种新型的高效、低成本太阳能电池。自1991年由Grtzel提出以来，染料敏化纳晶二氧化钛太阳能电池一直是国内外研究的热门课题[1-4]o染料敏化Ti02纳晶薄膜太阳能电池生产工艺简单、制备电池过程耗能较少、能源回收周期短、生产成本较低(仅为硅太阳能电池的1/5〜1/10)、可弱光发电

2、、透明性好、光电转化率不受温度影响等优点。染料敏化Ti02纳晶薄膜太阳能电池有望成为下一代实用性高性能太阳能电池。本文重点对Ti02的结构和性能、染料敏化纳米Ti02薄膜的工作原理和制备方法的研究进展进行了综述。2Ti02的结构和性能Ti02俗称钛白粉，它有三种晶体结构，锐钛矿相、金红石相和板钛矿相。它们都是由[Ti06]8-八面体基本单位共顶点或共边组成[5],如图1所示。锐钛矿相结构是由钛氧八面体共边组成的四面体结构，而金红石和板钛矿结构是[Ti06]8-八面体共顶点且共边组成的稍有畸变的八血体结构。T102是一种宽禁带的半导体材料，其中锐钛矿型TiO2的禁带宽度为3.2e

3、V,并且T102资源丰富、安全无毒、化学性质稳定，其染料敏化Ti02薄膜太阳电池的理论光电转化率为32.4%o2染料敏化太阳电池(DSSC)的工作原理图2为DSSC太阳能电池工作原理图，当太阳光照射到电池上时，染料分了吸收太阳光能量，使染料分了中的电了受激跃迁到激发态。激发态的电子将会快速注入到Ti02导带中，染料分子因失去电子变成氧化态。注入到Ti02导带屮的电子在TiO2膜屮的传输非常迅速，可以瞬间到达膜与导电玻璃的接触面,并在导电基片上富集，通过外电路流向对电极。处于氧化态的染料分子，由电解质(I-/I3-)溶液中的电子供体I-提供电子而回到基态,染料分了得以再生。电解质

4、溶液中的电了供体I-在提供电了以后变为13-扩散到对电极,13-得到电子而还原I-从而完成一个光电化学反应循环，也使电池各组分都回到初始状态[6-7]o3Ti()2纳米薄膜的制备方法3.1溶胶-凝胶法溶胶-凝胶法制备Ti02薄膜，一般先制备溶胶，然后用浸渍提拉、旋转涂层或喷涂法将溶胶施于经过清洁处理的机体表面，最后再经干燥焙烧,在载体表面形成一层薄膜。以溶胶-凝胶法制备纳米粒子有两种途径，一种以有机钛化合物为原料,如钛酸正丁酯［8］、钛酸异丙酯［9］、钛酸四乙酯［10］。另一种以无机钛化合物为原料，如四氯化钛［11］、硫酸钛［12］。溶胶-凝胶法制备Ti02薄膜的优点为：(1)

5、可通过简单的设备，在各种规格和各种形状的机体表面形成涂层；(2)可获得高度均匀的多组分涂层和特定组分不均匀涂层；(3)可获得粒径分布比较均匀的涂层；(4)可通过多种方法对薄膜的表面结构和性能进行修饰；(5)负载膜催化剂易回收利用，在催化反应中后处理容易。溶胶-凝胶法制备T102薄膜的缺点：(1)干燥过程屮由于溶剂蒸发产生残余应力导致薄膜容易龟裂；(2)焙烧时由于冇机物的挥发及聚合骨架的破坏，也容易导致薄膜龟裂出现裂缝，甚至脱落；(3)由于薄膜的应力影响限制了薄膜的厚度；(4)溶胶的粘度、温度、浓度、机体的波动,会影响薄膜的质量；(5)采用浸渍提拉法，在提拉出液血后，因表烦张力作

6、用会在底部形成液滴，并在液滴周围产生一定的厚度梯度；(6)由于机体比较光滑，薄膜与机体Z间作用力小，负载牢固性差［13］。3.2电化学沉积法因为电化学共沉积是多相（固液相均为多相）交界面的物质基本粒子与物质颗粒的复合运动与交换,存在诸多影响因素。影响电沉积薄膜质量的主要因素包括电流、电位、电解质浓度配比、溶液的pH值及其沉积温度等。在制备过程中，上述参量中有一种发生变化，将会对制备薄膜的性能及结构造成很大的影响，并会因此而改变沉积层的成分。3.2.1电流和电位的影响二氧化钛薄膜只能在一定范围的电位和电流条件下才能得到，因为每种物质的氧化物还原均在一定条件下才能发生。一般来说，过

7、电位越大，沉积时所需电流密度也越大。恒电流沉积时过电位随时间延长而逐渐增大；恒电位沉积时，电流密度随时间延长而逐渐变小。无论是恒电流还是恒电位沉积，二氧化钛沉积量随时间延长逐渐增加，但只有在电化学沉积初期与理论值比较接近，以后随时间推移,二者偏差越来越大。3.2.2电解质浓度配比在溶液中，离子的浓度越高，其对应的电极电位就越大，该浓度高的离子将首先沉积出来，即在沉积成分屮的含量高。反Z,浓度越低，电极电位就越小，沉积出来的就少。调节离子浓度的比值，可以缩小它们之间电极电位的差值。这种调整一般