金属有机类光敏剂在染料敏化太阳能电池中的应用.pdf

2010年 2月第 31卷第 1期贵 金 属PreciousM etalsF eb. 2010V o.l 31, No. 1金属有机类光敏剂在染料敏化太阳能电池中的应用 *周 迪 , 佘希林 * , 宋国君(青岛大学 化学化工与环境学院 , 山东 青岛 266071 )摘 要 : 在染料敏化太阳能电池 ( DSSC)中 , 染料敏化剂用以吸收光子 , 具有较宽光谱吸收范围 , 它直接决定了电池的能量转换效率 , 因而近年来得到飞速发展 , 成果显著 。 论文以钌基多吡啶配合物染料为主 , 综述了包括卟啉 、 酞菁及纯有机染料在内的多种光敏剂的设计合成路线 、 特点及其对染料敏化太阳能电池性能的影响 , 并展望了今后染料敏化剂的研究与开发思路 。关键词 : 有机化学 ; 太阳能电池 ; 金属有机配合物 ; 光敏剂中图分类号 : TM 914. 4 文献标识码 : A 文章编号 : 1004- 0676( 2010)01- 0037- 06The Application ofM etal O rganic Photosensitizers in Dye Sensitized Solar CellZHOU D i, SHE X ilin* , SONG Guojun( School of Chemistry andEnv ironm ent, Q ingdaoUniversity, Q ingdao, Shandong266071, Ch ina)Abst ract: The dye- sensitizersof dye sensitized solar cell ( DSSC) enjoyw ide spectral absorption band,w hich has decisive effect on the photoelectric conversion efficiency ( ). In recent years, the sensitizershave been investigatedw idely and rapid development has been achieved. In this paper, the design andsynthesisof different dyes ( porphyrin, ph thalocyanine and the pure organic dyes, especially the ruthenium polypyridy l complexes), their properties and effects on the DSSC are review ed, and future developm ent is also introduced.K ey w ords: organic chem istry; solar cel;l m etal organic com plex; photosensitizer目前 , 能源 短缺、 环境 污染等 问题日 益突出。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。太阳能电池直接把太阳能转换成电能 , 是开发利用太阳能最有效的方法之一 , 愈来愈受到广泛重视 [ 1] 。太阳能电池不仅适用于居民家庭使用 , 而且可以利用大电池组件建设太阳能电站 , 但由于该产业链最前端的多晶硅材料成本居高不下 , 使电池产品售价较高 , 导致其发电成本是传统 发电成本 的 10倍 , 制约了 发展。 1991年 , G r tzel等报道了一种新型太阳能电池 , 它由吸附一层染料分子的二氧化钛半导体膜和适当的氧化还原电解质组成 , 称为染料敏化太阳能电池 ( DSSC)。在辐射强度为 1000W /m2 的模拟太阳光 , 即 AM 1. 5的太阳 光标准下 , 达到 7. 1% 的能 量转换 效率 [ 2] 。相对于传统硅电池 , 染料敏化太阳能电池因其低廉的成本 , 简 单 的 工 艺 与稳 定 的 性 能 , 受 到 广 泛 关注 [ 3- 4 ]。为了提高 DSSC的光电转换效率 , 人们对染料敏化剂进行了深入的研究。本文以钌基多吡啶配合物敏化剂为主 , 介绍了各种敏化剂的研究现状 , 展望了其应用前景。* 收稿日期 : 2000- 03- 17 基金项目 : 青岛市发展计划项目 ( 07- 2- 3 - 15- jch)作者简介 : 周 迪 , 女 , 硕士 , 主要从事染料敏化太阳能电池的研究课题。* 通讯联系人 : 佘希林 , 博士 , 教授 , 从事一维纳米材料和太阳能电池领域的研究。 E - m ai:l x lshe@ 126. com贵 金 属 第 31 卷1 染料敏化太阳能电池的基本构造及工作原理DSSC由沉积了 T iO2 膜的导电玻璃为负极 , 用染料对膜表面进行敏化 , 以 Pt电极为对电极 , 其间充入氧化还原电解质或有机电动型导体 , 构成如图1所示的三明治结构电池[ 5] 。图 1 染料敏化太阳能电池结构及原理示意图Fig. 1 The structure and principle of DSSC宽带隙 T iO2 半导体 (锐钛矿 )膜表面吸附一层染料。当太阳光 入射 , 染料分子 吸收光子 , 由基 态( S)跃迁至激发态 ( S*), 完成光电转化。激发态电子被注入 T iO2 导带中 , 电子 被瞬 间传导 至导电 玻璃 , 并通过导线流向外电路。染料分子靠氧化还原电解质的电子补给再生 , 氧化态电解质在对电极上接受外电路回流电 子被还原 , 从而形成 电子回路。光照条件下产生的电压与 T iO2 中电子不同 的费米能级和电解质的氧化还原电位相对应。总体来说 ,DSSC在发电的过程中没有永久的化学反应发生 [ 6] 。评价 DSSC性能的主要参数有入射光光电转换效率 ( IPCE)和能量转换效率 ( ), 可用下式计算 :IPCE = 1240Iph [ A ]P [ W ] [ nm ] , = JscVoc (FF )Pin式中 , Iph 单位面积入射光产生的光电流 , P 单位面积入射光产生的能量 , Jsc 短路电流 , Voc 开路电压 , P in 入射太阳光能量 , FF 填充因子 (电池最大输出功率与输出功率之比 )。在传统硅电池中 , 半导体担负光吸收与电子传导两项任务。但由于无机半导体较宽的禁带宽度 ,限制了其对光的广泛吸收。因此 , 在半导体上附一层染料分子 , 靠染料吸收光子 , 半导体只起到传导电子的作用。染料分子较宽的光波吸收范围大大提高了阳光的吸收效率。由此可见 , 染料的性质直接决定着能量转换效率的高低。2 常见染料敏化剂理想的染料敏化剂需要满足以下条件 : 对单质结光电池来说 , 在 AM 1. 5 标准光源照射下 , 可吸收波长 920 nm以下所有 光波 , 即全 吸收染料。 !带有羧基、 膦酸基类的侧基 , 使染料分子以配位键的形式牢固地吸附于金属氧化物半导体表 面。 ? 以统一的量子产率将电子注入半导体膜中。 # 染 料激发态能级应与半导体导带的能级相匹配 , 以减小电子转移过程中的能量损失。 ? 染料分子的电 子最低占据轨道 ( Low estUnoccup iedM olecular O rbita,lLUMO) 应具有比半导体导带边缘更高的能量 , 且有较多的轨道重叠以利于电子向半导体注 入。 % 染料应有比电解质更正的氧化还原电位 , 以从氧化还原电解质或电动型导体中获得电子而重 生。 二是采用复合敏化剂 , 利用多种染料协同敏化的作用 , 互补以获得良好敏化效果。另外 , 在对染料敏化剂进行设计的同时 , 也应考虑与其直接接触的 T iO2薄膜 , 二者之间合理的界面设计 , 比如 T iO2 晶体的氧化涂层设计等也有利于电池性能的提高。随着染料敏化剂的进一步发展 , 染料敏化太阳能电池必将取得更大发展。参考文献 :[ 1] R ichardA Kerr, Robert F Service. 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