染料敏化薄膜太陽能電池的研究進展

陳明昌

摘 要：隨著社會的不斷發展，對于能源的重視程度不斷增加。近年來，染料敏化太陽能電池的研究不斷深入，它基于低廉的價格、較高的轉換效率受到了廣泛的關注。本文首先對染料敏化薄膜太陽能電池的基本原理進行介紹，并對結構進行初步分析，對國內染料敏化太陽能電池的研究進展，并對未來的使用前景進行預測。

關鍵詞：染料敏化 薄膜 太陽能 電池 能源

中圖分類號：TM914.4 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2014）03（a）-0116-02

隨著人類經濟社會的不斷發展，對能源的需求也不斷增多，在過去的工業革命時代以來，尤其是21世紀以來，全球對能源的消耗每年都不斷增多，所帶來的環境污染問題也不斷嚴重，大氣污染、水污染、核污染等時刻都在提醒著人們需要去尋找新的能源利用點。太陽能作為一種取之不盡的能源，在利用率轉化方面效率非常高，而且使用成本低，不會產生任何的污染，在所有的地區幾乎都可以得到廣泛應用。將太陽能轉化為電能是一種典型的濕化學學科，目前研究不斷深入的梁料敏化薄膜為光陽極的太陽能電池，因為其光電轉換效率高得到了廣泛的關注。電解質結合薄膜制成固態電池，單色光電轉換率達到33%。本文通過對染料敏化薄膜太陽能電池的原理與構造進行介紹，并對目前的研究進展與成果進行分析，對未來的研究趨勢進行一定的預測。

1 染料敏化薄膜太陽能電池的工作基理與構造

染料敏化薄膜太陽能電池與以往的晶體硅太陽能電池相比，在很多個方面都存在著巨大的優勢，首先它的成本更低，在環保、制作工藝方面更有優勢，高光電轉換效率更高。染料敏化薄膜太陽能電池的組成十分簡單，只是通過幾種部分組合而成。主要有導電玻璃、半導體氧化薄膜、電解質、敏化材料等組成。與植物的光合作用相似，光子對于光合膜作用的結果是在合膜內外制造一個電場，制造一種光與電相互變化的環境。電子通過光合膜內向外進行傳送，光子不斷作用，形成了內外電流。首先在結構中有半導體氧化薄膜，當光照在上面時，光照下的染料分子內部的電子將會受到刺激，開始進入到激發狀態，變為氧化態，當不穩定的電子快速地進入到相鄰導帶上時，就可以瞬間在導電玻璃上進行聚集，不斷向外電路來輸送電路。對于失去電子的染料，將會從電解質中不斷得到補償，這時電解質內部的氧化-還原把空穴送到對電極，與電子完成一次完整地循環。電流損失的主要過程是激活態的電子導入半導體氧化薄膜導帶。

2 染料敏化薄膜太陽能電池最新研究進展

2.1 電極材料研究進展

基于納米晶多孔膜材料沒有內部電場，允許電解質進入到電極內部，使電荷轉移更快，它與致密膜的光電傳輸特性有著明顯的區別。目前，應用較為廣泛的是TiO2晶多孔膜材料，同時也對其他的寬帶隙半導體材料開始了研究。TiO2的制造方法較多，有溶膠凝膠法、水熱反應法等我達近十種，目前也只是在實驗階段，并未形成產業規劃。TiO2的粒徑、氣孔率結構優勢對于太陽能電池的光電效率轉換十分有用。在TiO2的基礎上，研究者還進行了離子摻雜，可以對TiO2電極材料的能帶結構形成影響，有利于光電轉化效率進一步提升，另外在TiO2納米晶薄膜表面上復合其他的半導體薄膜，復合膜提高了電子的傳輸效率。

2.2 電解質研究進展

染料敏化薄膜太陽能電池電解液的主要作用是將電子輸送給染料分子，把空穴傳給對電極。電解液為透明的，并不會對染料吸收光形成阻礙作用，同時可以覆蓋膜，有利于電荷的傳輸，具有良好的透光性能與高擴散系數。為了取代電解液作為空穴傳輸材料制備染料化全固體太陽能電池。目前電解質多為P型半導體材料，高分子材料將是重要的發展方向，凝膠電解搟雖然流動性好，光電轉換效率高，但存在泄漏的問題是其最大的缺點。隨著研究的不斷深入，光電性能將會在固態電解質中向著傳統的液態電解質方面大力發展，甚至突破。

2.3 3TiO2納米薄膜制備方法

目前對于納米薄膜的制備，多采用溶膠-凝膠法、電化學沉積法、化學氣相沉積法。采用溶膠-凝膠法，使用的設備相對簡單，在各種規格的形狀上都可以形成涂層，獲得的粒徑分布更加均勻，負載膜催化劑易回收，在催化反應之后更容易處理。電化學沉積法容易受到電流、電位與電解質濃度的影響，同時溶液pH值與沉積溫度的變化，也會對制備的薄膜性能與結構產生一定的影響，甚至會造成沉積層成分的變化。

3 國內對于染料敏化薄膜太陽能電池的未來研究趨勢

目前針對染料敏化薄膜太陽能電池的研究還處于進步階段，雖然有了一定的成果，但離成熟還距離很遠。北京大學稀土材料化學實驗室的多位專家在對染料的研究已經相當深入，對電極材料的優化也有很好的效果。另外，中科院孟波等人對染料敏化太陽能電池組件以及封裝技術都進行了系統化的研究，為染料敏化薄膜太陽能電池產業化發展提供了基礎保障。在未來一個階段，針對納米TiO2的制備與敏化染料的研究將會進一步深入，在固態電解質方面，研究其代替液態電解質將是今后的研究重點，固態將是未來的趨勢，適應社會的不斷發展，同時它也是染料敏化薄膜太陽能電池實用化的前提條件。最后，需要對電子的導入與傳輸的內部運轉進行深入研究，通過一定的方法使得電池進一步優化，設計出更有利于光吸收的太陽能電池，實現實用化與產業化。

4 結語

染料敏化薄膜太陽能電池的成本非常低，制作工藝相對簡單，更易實現產業化方面發展，這是相對于其他太陽能電池的優勢所在，但從研發階段到實用階段還需要很長的一段路要走，在未來，將會集中于解決提高電池的光電轉化率、高效固態電解質、光感材料的探索方面的問題。隨著科學技術的不斷進步，染料敏化薄膜太陽能電池的前景將會更加廣闊，彌補其他能源帶來的環境污染問題。

參考文獻

[1] 梅翠玉，王小平，王麗軍，等.染料敏化太陽能電池的研究進展[J].材料導報，2011（13）：148-152.

[2] 孫旭輝，包塔娜，張凌云，等.染料敏化太陽能電池的研究進展[J].化工進展，2012（1）：47-52，111.

[3] 胡濱，劉國軍，張桂霞，等.染料敏化太陽能電池中電解質的研究進展[J].化工新型材料，2009（9）：14-17.

[4] 周嫻，潘華錦.染料敏化納米薄膜太陽能電池[J].染料與染色，2010（4）：9-16.

[5] 林原，周曉文，肖緒瑞，等.固態染料敏化二氧化鈦納晶薄膜太陽能電池的研究進展[J].科技導報，2006（6）.endprint