TiO2納米材料的光伏應用

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摘 要：TiO2納米材料因為其獨特的結構特性在許多方面得以應用。該文主要綜述了TiO2納米晶電極、TiO2納米二極管在太陽能電池中的光伏應用，為降低能量損耗和提高太陽能電池的效率提供了新的思路和方法。

關鍵詞：TiO2納米材料 光伏應用 太陽能電池 納米晶電極

中圖分類號：TB383.1 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2016）12（a）-0044-02

TiO2納米材料因其具有大比表面積、高表面活性及靈敏性等獨特結構及優異性能受到了廣泛關注，并且在許多方面取得了成功的應用。TiO2納米材料作為一種重要的無機功能材料在太陽能電池這一領域有著非凡的效果，因為它的發展使得太陽能電池的光電轉換效率得到了極大的提升，為開發新的可持續環保型能源提供了重要的手段。

1 在染料敏化太陽能電池中的應用

基于TiO2納米晶電極，染料敏化太陽能電池（DSSC）得到了廣泛的研究。DSSC系統的心臟是一個電荷轉移附著在單層介孔TiO2納米薄膜，該膜與氧化還原電解質或有機孔導體接觸，光激發的電荷注入TiO2的導帶，電子可以傳導到外部電路來驅動負載。電荷的原始狀態隨后由電解質捐贈電子恢復，電解質通常是含有氧化還原系統的有機溶劑。

在過去的幾十年里，研究人員努力提出大量優化的有機染料提高DSSC的效率，而近年來研究方向主要集中在TiO2納米晶電極，并取得了一些重要結果。

1.1 介孔TiO2納米電極

Zukalova等人發現有序介孔TiO2納米晶薄膜與隨機取向的相同厚度的銳鈦礦型納米晶傳統薄膜相比提高了50%的轉換效率[1]。

1.2 TiO2納米管電極

Adachi等發現無序單晶TiO2納米管電極（10 nm直徑，長度30～300 nm）染料敏化太陽能電池，顯示效率為4.88%，與那些在類似的薄膜厚度區域的P25 TiO2納米粒子電極相比顯示出了超過兩倍的短路電流密度，TiO2納米管基電極的太陽能電池效率更高[2]。

1.3 倒生的TiO2蛋白石

固態染料敏化太陽能電池獲得的效率比較低是由于進入到TiO2納米薄膜里面的材料滲透性比較差和空穴傳輸層與TiO2電極產生的非接觸。Somani等人提出一種提高固態染料敏化電池效率的方法，使用大的表面積的TiO2反蛋白石薄膜制備固態染料敏化有機無機雜化太陽能電池電極。反蛋白石TiO2薄膜的使用與TiO2薄膜相比會使得光轉換效率至少提高1級以上，研究發現蛋白石電池更好的性能是由于TiO2介孔薄膜允許空穴傳輸，材料很容易就滲透到廣泛、良好的連通孔隙中，且允許與染料良好接觸，因此電池的效率最好。

1.4 混合TiO2納米電極

Han等發現一個混合的銳鈦礦相和金紅石TiO2電極與純銳鈦礦組成的電池相比較，太陽能電池轉換效率得到提高[3]。

染料敏化太陽能電池轉換效率降低是由于感光電子氧化染料分子的重組損失或者納米TiO2表面的氧化還原，已經采取了各種各樣的方法來防止這種損失。Kang等人在TCO基板和TiO2層之間添加一個TiO2-WO3復合材料的緩沖層并且發現緩沖層有效地隔離染料分子和電解質直接接觸導電基板。

染料敏化太陽能電池的操作條件下，電子需要擴散到周圍的TiO2層的在距離電子受體只有幾納米的幾微米深處。TiO2層的多孔結構提供了大量的表面積，允許吸收足夠的染料分子達到顯著的光學密度。然而，這種結構也提高了復合過程，也降低了DSSC的總轉換效率。已經證明核殼納米TiO2電極組成的納米TiO2薄膜表面覆蓋著的另一層金屬氧化物TiO2表面形成的能量勢壘使重組變得緩慢。Zaban等人發現，TiO2/Nb2O5多孔電極可提高染料敏化太陽能電池性能的35%[4]。

2 在金屬/半導體結的Schottky二極管太陽能電池中的應用

McFarlanda和Tang報道，一個多層光伏器件結構中光子的吸收發生于沉積在超薄金屬/半導體的肖特基二極管表面的光感受器上[5]。

光子器件的電子發生轉換有4個步驟：第一步，光的吸收發生在吸附的感光細胞表面，產生高能電子；第二步，激發態感光電子被注射到相鄰的導電水平的導體，它們以費米能級為Ef=1E的能量彈道學地穿過金屬；第三步，假如1E大于Schottky勢壘高度f，載流子的平均自由程比金屬厚度長，電子穿過金屬進入半導體傳導水平（內部電子發射）；第四步，被吸收的光子的能量被保存在剩下的自由能過剩的電子，當被后面的歐姆接觸收集產生光電壓V。熱化電子轉移使在相鄰的金屬態Ef附近的光氧化染料被還原。這種替代光伏能量轉換的方法可以為使用各種材料、耐用的低成本太陽能電池提供依據。

3 摻雜TiO2納米材料為基礎的太陽能電池

Lindgren等發現N-TiO2摻雜的納米多孔薄膜顯露出波長在400～535 nm范圍的可見光吸收，生成一個與電流效率響應的射光子光譜。為了獲得最佳的氮摻雜TiO2電極，相比純TiO2電極行為由于可見光增加約200倍的中等偏差，就產生了光生電流。

4 結語

TiO2納米材料在太陽能電池中的應用很大程度地提高了太陽能電池的光電轉換效率，從而盡可能地降低了能量損耗的問題，給新能源的開發提供了可行的思路。TiO2納米材料在光伏應用中非常活躍，在尋找可再生清潔能源技術中扮演著重要的角色。

參考文獻

[1] 趙斌，胡益錆，楊森，等.太陽能綜述[J].化工裝備技術，2012（1）：57-64.

[2] 虞華，郭宗林，陳光亞，等.新能源產業現狀及發展趨勢[J].中國電力，2011（1）：83-85.

[3] 許平昌，柳陽，魏建紅，等.溶劑熱法制備Ag/TiO2納米材料及其光催化性能[J].物理化學學報，2010（8）：2261-2266.