染料敏化太陽(yáng)能電池的研究進(jìn)展

王海亮

摘 要：太陽(yáng)能是一種最具潛力成為將來人們使用的能源，而太陽(yáng)能電池正是實(shí)現(xiàn)這一夢(mèng)想的有效手段，其價(jià)格便宜、制作簡(jiǎn)單、污染較少是其他電池?zé)o可比擬的。而解決DSC電池電解質(zhì)、電極材料、光敏染料等技術(shù)核心問題依然需要我們化學(xué)工作者為之付出孜孜不倦的努力，將清潔的、高效的、方便的能源帶到千家萬戶是我們共同的理想，也是新世紀(jì)全面、協(xié)調(diào)、可持續(xù)發(fā)展的必然結(jié)果！

關(guān)鍵詞：染料敏化；結(jié)構(gòu)；原理；因素；優(yōu)勢(shì)

1 染料敏化太陽(yáng)能電池（DSSC）的結(jié)構(gòu)與原理

1.1結(jié)構(gòu)

DSSC的結(jié)構(gòu)是典型的“三明治”結(jié)構(gòu)，光敏染料太陽(yáng)能電池的構(gòu)造和原理，一般是由光陽(yáng)極、敏化染料、氧化還原電解質(zhì)以及對(duì)電極（通常為鉑電極）組成。其中光陽(yáng)極包括：透明導(dǎo)電基底（這里為導(dǎo)電玻璃）、納米多孔半導(dǎo)體。

1.2工作原理

當(dāng)太陽(yáng)光照射在染料敏化太陽(yáng)能電池上，染料分子中基態(tài)電子被激發(fā)，激發(fā)態(tài)染料分子將電子注入到納米多孔半導(dǎo)體的導(dǎo)帶中，注入到導(dǎo)帶中的電子迅速富集到導(dǎo)電玻璃面上，傳向外電路，并終回到對(duì)電極上。而由于染料的氧化還原電 位高于氧化還原電解質(zhì)電對(duì)的電位，這時(shí)處于氧化態(tài)的染料分子隨即被還原態(tài)的電解質(zhì)還原。然后氧化態(tài)的電解質(zhì)擴(kuò)散到對(duì)電極.上得到電子再生，如此循環(huán)，即產(chǎn)生電流。電池的大電壓由氧化物半導(dǎo)體的費(fèi)米能級(jí)和氧化還原電解質(zhì)電對(duì)的電位決定。

2 影響染料敏化太陽(yáng)能電池轉(zhuǎn)換效率的因素

2.1敏化染料

敏化染料直接影響到對(duì)光子的吸收和整個(gè)電池的光電轉(zhuǎn)化效率，因此敏化染料應(yīng)該具有以下條件：（l）與TiO2納米晶半導(dǎo)體電極表面有良好的結(jié)合性能，能夠快速達(dá)到吸附平衡，而且不易脫落；（2）在可見光區(qū)有較強(qiáng)的、盡可能寬的吸收帶以吸收更多的太陽(yáng)光，可以捕獲多的能量，提高光電轉(zhuǎn)換效率；（3）染料的氧化態(tài)和激發(fā)態(tài)的穩(wěn)定性較高，且具有盡可能高的可逆轉(zhuǎn)換能力；（4）激發(fā)態(tài)壽命足夠長(zhǎng)，且具有很高的電荷傳輸效率；（5）有適當(dāng)?shù)难趸€原電勢(shì)以保證染料激發(fā)態(tài)電子注入到TiO2導(dǎo)帶中；（6）敏化染料分子應(yīng)含有大二鍵、高度共扼、并且有強(qiáng)的給電子基團(tuán)。

2.2 TiO2納米多孔膜

TiO2納米多孔膜具有孔隙率高，比表面積大的優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用于DSC，一方面可吸收更多的染料分子；另一方面薄膜內(nèi)部晶粒間的互相多次反射，使太陽(yáng)光的吸收加強(qiáng)。納米TiO2電極是太陽(yáng)能電池的關(guān)鍵，其性能直接關(guān)系到太陽(yáng)能電池的效率。此外，TiO2膜晶粒的大小和有序程度，對(duì)電池的性能也有很大影響。

2.3電解質(zhì)

DSC電解質(zhì)對(duì)整個(gè)電池的性能有很大影響，電解質(zhì)的關(guān)鍵作用是將電子傳翰給光氧化染料分子，并將空穴傳翰到對(duì)電極。液態(tài)電解質(zhì)是透明的液體，不會(huì)阻礙染料對(duì)光的吸收，而且能完全覆蓋涂有染料的納米多孔TiO2膜，充分利用了納米膜的高比表面，有利于電荷的傳輸，但也存在一些缺點(diǎn)：（1）液態(tài)電解質(zhì)的存在易導(dǎo)致吸附在TiO2薄膜表面的染料解吸，影響電池的穩(wěn)定性；（2）溶劑會(huì)揮發(fā)，可能與敏化染料作用導(dǎo)致染料發(fā)生光降解；（3）密封工藝復(fù)雜，密封劑也可能與電解質(zhì)反應(yīng)，因此所制得的太陽(yáng)能電池不能存放很久，一般不超過7d；（4）電解質(zhì)本身不穩(wěn)定，易發(fā)生化學(xué)變化，從而導(dǎo)致太陽(yáng)能電池失效。因此要使DSC走向?qū)嵱茫毷紫冉鉀Q電解質(zhì)問題.固體電解質(zhì)是解決上述問題的有效途徑之一。

3 DSC太陽(yáng)能電池存在的優(yōu)勢(shì)

DSC與傳統(tǒng)的太陽(yáng)電池相比有以下一些優(yōu)勢(shì)：⑴壽命長(zhǎng)：使用壽命可達(dá)15-20年；⑵結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于制造，生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)單，易于大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)；⑶制備電池耗能較少，能源回收周期短；⑷生產(chǎn)成本較低，僅為硅太陽(yáng)能電池的1/5～1/10，預(yù)計(jì)每蜂瓦的電池的成本在10元以內(nèi)。⑸生產(chǎn)過程中無毒無污染；經(jīng)過短短十幾年時(shí)間，染料敏化太陽(yáng)電池研究在染料、電極、電解質(zhì)等各方面取得了很大進(jìn)展。同時(shí)在高效率、穩(wěn)定性、耐久性、等方面還有很大的發(fā)展空間。但真正使之走向產(chǎn)業(yè)化，服務(wù)于人類，還需要全世界各國(guó)科研工作者的共同努力。這一新型太陽(yáng)電池有著比硅電池更為廣泛的用途：如可用塑料或金屬薄板使之輕量化，薄膜化；可使用各種色彩鮮艷的染料使之多彩化；另外，還可設(shè)計(jì)成各種形狀的太陽(yáng)能電池使之多樣化。總之染料敏化納米晶太陽(yáng)能電池有著十分廣闊的產(chǎn)業(yè)化前景，是具有相當(dāng)廣泛應(yīng)用前景的新型太陽(yáng)電池。相信在不久的將來，染料敏化太陽(yáng)電池將會(huì)走進(jìn)我們的生活。

4 國(guó)內(nèi)對(duì)于染料敏太陽(yáng)能電池的未來研究趨勢(shì)

目前針對(duì)染料敏化太陽(yáng)能電池的研究還處于進(jìn)步階段，雖然有了一定的成果，但離成熟還距離很遠(yuǎn)。北京大學(xué)稀土材料化學(xué)實(shí)驗(yàn)室的多位專家在對(duì)染料的研究已經(jīng)相當(dāng)深入，對(duì)電極材料的優(yōu)化也有很好的效果。另外，中科院孟波等人對(duì)染料敏化太陽(yáng)能電池組件以及封裝技術(shù)都進(jìn)行了系統(tǒng)化的研究，為染料敏化太陽(yáng)能電池產(chǎn)業(yè)化發(fā)展提供了基礎(chǔ)保障。在未來一個(gè)階段，針對(duì)納米TiO2的制備與敏化染料的研究將會(huì)進(jìn)一步深入，在固態(tài)電解質(zhì)方面，研究其代替液態(tài)電解質(zhì)將是今后的研究重點(diǎn)，固態(tài)將是未來的趨勢(shì)，適應(yīng)社會(huì)的不斷發(fā)展，同時(shí)它也是染料敏化太陽(yáng)能電池實(shí)用化的前提條件。最后，需要對(duì)電子的導(dǎo)入與傳輸?shù)膬?nèi)部運(yùn)轉(zhuǎn)進(jìn)行深入研究，通過一定的方法使得電池進(jìn)一步優(yōu)化，設(shè)計(jì)出更有利于光吸收的太陽(yáng)能電池，實(shí)現(xiàn)實(shí)用化與產(chǎn)業(yè)化。

5 結(jié)語(yǔ)

染料敏化太陽(yáng)能電池是一種新型的太陽(yáng)能電池，由于其制作工藝簡(jiǎn)單，制造成本低廉，有著廣泛的應(yīng)用前景，是太陽(yáng)能電池的重要發(fā)展方向。

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（作者單位：英利能源（中國(guó)）有限公司）