第三代太阳能电池

染料敏化太阳能电池的原理染料敏化太阳能电池主要是由光阳极， 电解质， 和对电极组成的。 光阳极半导体一般为二氧化钛，常用电解液一般是含有 I-和 I3-氧化还原电对的电解质，对电极主要是金属对电极和碳对电极。主要原理是 (1).染料分子（ D）在受到太阳光照射后由基态跃迁至激发态（ D*）， (2).处于激发态的染料分子将电子注入到光阳极半导体的导带中，激发态的染料分子被氧化， (3).电子经导电基底流入外电路。 (4).氧化态的染料被 I-还原成基态，使得染料分子再生， (5).I3-扩散到对电极后接受电子被还原， 从而完成一个循环。 (6).二氧化钛导带中接收的电子和氧化态染料复合， (7).导带上的电子和 I3-复合， 电池原理由主要由如上过程组成。1.D+hv→D * 2.D*→D ++e-3.电子经导电基底流入外电路4.3I-+2D+→ I3- +D5.I3-+2e-→ 3I-6.D++e-→ D7.I3-+2e-→ 3I-染料敏化太阳能电池的特点与传统的硅基太阳能电池相比较， 染料敏化太阳能电池具有生产成本廉价 [1] ， 生产过程简单，无毒，无污染且适合大规模生产，相对高的光电转化率等优势。在技术方面，染料敏化太阳能电池是一种光电化学太阳能电池，它主要由导电基底，光阳极，光敏染料，电解质和电极五部分构成。其中光阳极是 DSSC[2] 电池的核心部件之一，其结构和材料组成强烈影响着电池的光电转换效率。染料敏化太阳能电池中二氧化钛的制备方法用于染料敏化太阳能电池中的二氧化钛薄膜会对太阳能电池的效率产生重要的影响， 因此不同的制备方法具有不同的结构进而影响其性能和效率。 主要的制备方法如下。（ 1）溶胶—凝胶法溶胶—凝胶法是制备二氧化钛胶体最常用的一种方法， 通常采用钛酸丁脂为原料加入去离子水和无水乙醇配制成反应溶液， 并加入冰醋酸和乙酰丙酮作为催化剂， 以缓解钛酸丁脂的强烈水解， 在不断搅拌下即能形成均匀透明的溶液。 通过调节溶液的酸碱度可以得到不同晶相和尺寸的二氧化钛凝胶。 另外还可以采用四氯化钛水解后进行水热处理， 通过控制前驱体的合成条件可以得到不同显微结构和均质稳定的纳米氧化钛胶体。 但由于二氧化钛胶体结晶性能差， 且晶粒过细严重降低光生电流的扩散，导致电池性能低下。（ 2）水热合成法水热合成法是一种在密闭容器内完成的化学方法， 与凝胶溶胶法相比的主要区别在于温度和压力， 其最大的优点是不需要高温烧结即可得到结晶粉末， 从而省去了研磨和由此带来的杂质。 Secung Yong Chae等将异丙醇钛逐滴加到乙醇和水的混和溶液中，通过加入硝酸把溶液的 Ph 值调到 0.7，然后在 240℃保温 4h就能得到晶粒尺寸为 7— 25nm 的纯二氧化钛胶体。 Chung-Yi Huang 等研究了不同水热温度下氧化钛薄膜的特性，发现当水热温度从 180℃增加到 260℃时，薄膜颗粒尺寸从 13.9nm 增加到 24.2nm同时平均孔径也从 7.1nm增加到了 15.7nm，相应地比表面积从 111.3㎡ /ɡ 减小到了 63.8 ㎡ /ɡ 。（ 3）直接氧化法目前应用于染料敏化太阳能电池的纳米级二氧化钛的另一个重要发展方向是利用规整有序的纳米棒来制备二氧化钛电极。 直接氧化法是制备纳米级二氧化钛棒的一个重要方法之一。 WuJ等将干净的纯钛金属片置于 50ml 30％的过氧化氢溶液中，在 353K 保温 72h，然后通过加入无机盐如氯化钠或者硫酸钠即可得到纯二氧化钛溶胶， PengAndChen等在高温下将干净的金属钛片浸泡在丙醇溶液中，以丙醇为氧化源可以制备致密和高度定向排列的纳米氧化钛棒。染料敏化太阳能电池研究进展敏化染料在 DSSC 中起着吸收可见光并提供电子的作用， 是电池的关键组成部分。 高性能的敏化染料首先要能够很好的吸附在半导体表面， 其次敏化染料的禁带宽带需要比半导体薄膜的禁带宽度窄， 而且其氧化态电位要比半导体的导带电位低， 其还原态电位要比氧化还原电解质的电位高。 敏化染料的研究工作重点有两个方面， 一是合成和发展光谱响应范围更宽，成本更低，效率更高，稳定性更好的染料敏化剂。二是研究多种染料的协同敏化作用，拓宽光谱响应范围 [2]。高分子太阳能电池的原理高分子太阳能电池的工作原理是基于 PN 结的光生伏特效应，当 N 型半导体与 P 型半导体通过适当的方法组合到一起时， 在二者的交界处就形成了 PN 结，由于两种材料载流子浓度存在差异，导致电子从 N 型半导体扩散到 P 型半导体中，空穴的扩散方向正好相反，当二者的费米能级平衡后， PN 结达到平衡，在结区形成内电场。而高分子太阳能电池因聚合物高分子的引用， 在原理和结构上有一些特别之处。 在聚合物高分子太阳能电池中， 光电效应过程是在光敏层中产生的。 共轭聚合物吸收光子以后并不直接产生可自由移动的电子和空穴， 而产生具有正负偶极的激子。 只有当这些激子被解离成可自由移动的载流子， 并被相应的电极收集以后才能产生光伏效应。 否则， 由于激子所具有的高度可逆性， 它们可通过发光，弛豫等方式重新回到基态， 不产生光伏效应的电能。 在没有外加电场的情况下，如何使光敏层产生的激子分离成自由载流子便成为聚合物太阳能电池正常工作的前提条件。 当光照到了电池的材料时， 就会激发产生激子。 如果光从给体材料一侧入射， 电子就顺着价带能量降低的方向。 从给体的导带转移至受体的导带， 同样当光照到了电池的受体材料时， 空穴就顺着导带能量升高的方向，从 N 区的价带转移至 P 区的价带。当电子和空穴从激子中分离开以后，就成为自由电子和空穴，分别扩散至电极，从而产生光电流。 在高分子太阳能电池中，我们通常将 P 型材料称为给体，把 N 型材料称为受体。电子给体 | 受体方式是实现有机光伏电池中激子分离的有效途径。 因此， 光敏层至少要使用两种功能材料即电子给体与电子受体组成。目前电子给体材料主要使用共轭聚合物如 PPV，聚噻吩类 (PThs)[3]的衍生物，但它们的能带间隙较高。 最近发展了低能带间隙的电子给体材料如噻吩等的共聚物。 而常用的电子受体材料主要是有机受体 C60 及其衍生物， 纳米 ZnO,Cdse 等无机受体材料以及含有氰基等吸电子基团的共轭聚合物受体材料。 为了使激子过程得以顺利进行， 要求所选用电子给体的最低空轨道能级比电子受体的最低空轨道能级稍高， 这样在能量的驱动之下， 电子由电子给体相的最低最低空轨道转移到电子受体的最低空轨道上。 一般情况下， 电子给体相的最低空轨道能级比电子受体的最低空轨道能级高 0.3~0.4Ev 时就能使激子有效地分离成自由载流子。影响高分子太阳能电池效率的因素目前聚合物太阳能电池的效率还很低， 如何提高它的转换效率是否能商业化和与传统无机光伏电池竞争的关键。 光敏层的响应范围和太阳光谱不匹配是当前限制聚合物电池能量转换效率的一个重要原因， 光敏层对太阳光谱的吸收程度直接影响着光伏电池的转换效率。 寻找光谱响应应与太阳光相匹配的有机光敏材料就成为目前研究的一个热点和解决聚合物电池转化效率低的一个突破口。高分子太阳能电池的特点由于有机高分子材料柔性好，制作容易， 材料来源广泛， 成本低等优势，从而对大规模利用太阳能， 提供廉价电能具有重要意义。 但以有机高分子材料制备太阳能电池的研究刚开始，不论是使用寿命，还是电池效率都不能和无机材料特别是硅电池相比。纳米结晶太阳能电池的原理和特点美国 Berkeley 实验室和加州大学从溶液中成功制取无机纳米结晶染料敏化二氧化钛太阳电池， 并第一次用作超薄太阳能电池。 用廉价的宽带隙氧化物半导体二氧化钛制备成纳米晶薄膜， 薄膜上吸附大量羧酸—联吡啶 Ru(+2)的配合物的敏化染料， 并选用含氧化还原电对的低挥发性盐作为电解质研制而成。 这种纳米结晶太阳能电池的优点在于廉价的成本， 简单的工艺且比从有机聚合物制取太阳能电池更易于制造， 因其不含有有机材料， 在空气中也更为稳定。其光电效率稳定在百分之十以上，制作成本仅为硅太阳电池的 1/5~1/10 ，寿命能达到 20 年以上。但此类电池的研究和开发刚刚起步，估计不久的将来会逐步走上市场。[1] 李晓冬 .高性能染料敏化太阳能电池的制备与研究 [D].上海 : 华东师范大学 ,2011:1-155. [2] 孙 旭 辉 , 包 塔 娜 , 张 凌 云 等 . 染 料 敏 化 太 阳 能 电 池 的 研 究 进 展 [J]. 化 工 进展 ,2012,31(1):47-52. [3] 张会京 ,候信 .有机高分子 / 无机半导体杂化太阳能电池的发展现状与展望 [J]. 化学进展 ,2012,24(11):2107-2115.