DSSC理論認知

李滑兵(中山市技師學院,廣東 中山 528400)

DSSC理論認知

李滑兵(中山市技師學院,廣東 中山 528400)

描述了DSSC的基本原理；從電子轉移及分子動力學角度出發，通過染料生色團分子與半導體界面構造、電子從染料生色團注入到半導體以及回傳電子轉移過程介紹了DSSC之光化學與光物理理論研究。

生色團分子；基態；激發態；電子注入

染料敏化太陽能電池簡稱DSSC（Sensitized Solar Cells）主要是指以染料敏化多孔納米結構TiO2薄膜為光陽極的一類半導體光電化學電池。隨著DSSC相關技術、材料、設備進一步突破，染料敏化太陽能電池的性價比優勢在日常生產應用中能得到充分的展現，必將在太陽能電池領域占有重要一席。對它的研究將有利于緩解當今世界的能源、環境危機問題，其現實意義不言而喻。

1 基本原理

當有入射光時，染料生色團分子吸收適當的光子的能量后首先被激發，處在分子外層軌道的電子就會發生能級躍遷,從最高占有軌道(HOMO)躍遷到最低空軌道(LUMO),分子由基態變為激發態，此時染料生色團將電子注入半導體的導帶，失去電子呈氧化態的染料生色團粒子被中繼電解質所還原，然后中繼電解質分子擴散到對電極充電，這時整個閉環電路就產生了（圖1）。

圖1 染料敏化太陽能電池工作原理圖

1、染料生色團分子受光激發由基態(Dye)躍遷到激發態（Dye*）：

Dye+hν→Dye*

2、激發態染料生色團分子將電子注入到半導體的導帶（CB）中：

Dye*→Dye++e-

3、電解質中的還原態離子還原氧化態染料可以使染料再生：

Red+Dye+→Ox+Dye

4、導帶中的電子與氧化態染料之間的復合：

Dye++e-→Dye

5、導帶中的電子通過Back contact（背接觸）流入到外電路中：

e-(CB)→e-(BC)

6、電解質氧化態離子擴散到Counter electrode(對電極)上得到電子再次生成電解質氧化態離子：

Ox+e-(CE)→Red

上述原理中，染料生色團分子激發態的壽命越長，越有利于電子注入到半導體中，而激發態的壽命越短，激發態分子有可能來不及將電子注入到半導體的導帶中就已經通過非輻射衰減而返回到基態。

2 DSSC中的電子轉移及分子動力學

對染料敏化太陽能電池中發生的電子轉移及分子動力學，光化學及光物理做出合理的解析，為尋找新的染料敏化太陽能電池材料提供必要的幫助。

2.1 染料生色團分子與半導體界面構造

染料生色團分子半導體結構造型主要涉及到以下幾個方面：一是物質本身，二是染料生色團分子和半導體的方向，三是染料生色團分子和半導體的相對位置，四是橋鍵，五是溶劑，電解質等其它因素。當前，大部分染料敏化太陽能電池的研究者一般選TiO2作為半導體材料。理想的染料應滿足：（1）有盡可能寬的波長響應范圍和盡可能大的摩爾消光系數,這樣才能捕獲盡可能多的太陽光,提高DSSC對入射光的捕獲效率；（2）具有羧酸根、膦酸酯等強吸附基團,使其能牢固地自組裝在半導體氧化物薄膜的表面；（3）激發態能級要位于半導體氧化物導帶底的能級之上,這樣才有利于電子的注入；（4）染料的氧化還原電勢要盡可能地高,這樣染料陽離子才能夠更有效地與電解質中的電子給體發生反應,獲得再生；（5）要有足夠的穩定性,這樣才能保證DSSC很長的使用壽命[1-2]。

2.2 染料生色團分子與半導體界面電子特性

染料生色團半導體界面電子轉移的速度和產率是由染料生色團和半導體態的能量，態與態之間的電子耦合及電子振動相互作用所決定的。它們通過共軛體系的π*電子軌道形成，純有機發色團基態也是一個π態，但是過渡金屬生色團的基態位于n軌道由金屬未分離的電子對占據著。純有機發色團包含大的π共軛體系在可見光譜里建立起了小的π-π*能隙。

2.3 電子從染料生色團注入到半導體

時域從頭算模擬闡明了電子注入過程的許多特性，近態的從頭算電子結構計算既不是反應速率理論也不是當電子發生本質改變時能全面捕獲其過程并對電子轉移更高級的現象學處理，然而即時原子模擬更接近其真實情況[3-7]。

2.4 注入電子的分布

原子運動為電子轉移過程提供了一個初始狀態的分布。電子轉移既能通過絕熱機理也能通過非絕熱機理發生。絕熱電子轉移中電子保持相同的電子態，然而這種態自身改變其性質。原子核運動使得這個體系高于過渡態。供態位于過渡壁壘一邊，接受態在另一邊。一個小的能壁就能涉及到原子核的動能產生快速的絕熱電子轉移。相反非絕熱過程涉及到不同絕熱態的電子躍遷，如果初始的絕熱態在躍遷之前位于給電子體，終態在接受態上，非絕熱躍遷產生電子轉移。絕熱電子轉移被看成是一個純經典力學過程，可能涉及到量子力學遂穿效益通過這壁壘，也可能沒有此過程。非絕熱必須是一個量子力學的，這兩種機理有不同的特性[8-9]。

2.5 回傳電子轉移過程

理想狀態下，光激電子注入到半導體上，離開表面，傳遞到對電極上然后通過電解質到達發色團做有用功。然而常常電子釋放到TiO2導帶底部，被表面捕獲最終不能做有效功，通過回傳電子轉移到發色團基態或者到電解質。回傳電子轉移包括好幾個細節：（1）原子運動關系到回傳電子轉移過程；（2）電子與發色團的再結合；（3）電子遺失在電解質；（4）發色團和電解質兩者存在時電子釋放過程；（5）電子從電解質到發色團的轉移[10-13]。

3 結語

近年來染料敏化太陽能電池的研究重點放在以下幾個方面：（1）尋找或研制高效優質的染料；（2）修飾或改進優化染料內部分子結構；（3）研制復合染料增加對光譜帶的吸收寬度；（4）陽極端材料功能的提升。

[1]Bahani,Juris A,Venturi H,Campanga S,Sertoni S,Dend G. Harvesting sunlight by amlicial sup-ramolecular antenna[J].Sol En?ergy Mater Sol Cells,1995,38:159-173.

[2]Bignozzi CA,Argazzi R,Scandoh F,Sehoonover J R,Meyer GJ.Phomsensitization of wide ban-dgap semiconductors with anten?na molecules[J].Sol Energy Mater Sol,Cells,1995.38:187-198.

[3]魯厚芳，閻康平，涂銘旌，影響太陽能電池性能的因素，現代化工，2004(24),1.

表3 準確度數據結果匯總

測得值在證書不確定度范圍之內，滿足要求。

2.6 精密度驗證

使用同一標準溶液重復測6次，得到結果如表4

表4 精密度數據結果匯總

6組數據，相對標準偏差為0.2%，滿足要求。

綜上，通過實驗得出標準曲線、檢出限、精密度、準確度都可滿足要求。

3 結語

按照GB/T 18204.2-2014的方法要求對實驗室進行公共場所甲醛的測定進行確認。實驗室人員、設備、試劑耗材、檢測方法等，都可滿足要求。實驗室具備檢測公共場所空氣甲醛測定的能力。

參考文獻：

[1]黃湘源、徐春秀催化動力學測定食品中衡量甲醛（J）南昌大學學報，2003,27,（1）：78-81.

[2]GB/T 18204.2-2014公共場所中甲醛測定（S）.