染料敏化纳米晶太阳能电池

本书较全面系统地讨论了染料敏化纳米晶太阳能电池研究的各个方面。主要内容包括:太阳能电池及染料敏化太阳能电池的基本原理、半导体纳米粒子及纳米晶薄膜的制备及性质、染料的合成及性质、电解质中及对电极上的电子转移、染料敏化太阳能电池机理研究、超快光谱技术及其……

第1章 太阳能电池概况

1.1 引言

1.2 太阳能电池的种类

1.3 半导体能带结构概念

1.4 半导体能带位置的测定方法

1.5 半导体的掺杂

1.6 光与半导体的作用

1.7 半导体的PN结

1.8 固态太阳能电池的光伏过程

第2章 染料敏化纳米晶太阳能电池基本原理

2.1 半导体-溶液界面

2.2 半导体的导带及价带的测定方法

2.3 染料敏化半导体表面以及光诱导电荷分离

2.4 染料敏化太阳能电池工作原理

2.5 染料敏化太阳能电池的测试方法

第3章 半导体纳米粒子与纳米晶薄膜

3.1 半导体纳米粒子的特性

3.2 半导体纳米粒子的制备方法

3.3 二氧化钛纳米晶薄膜的制备方法

3.4 二氧化钛纳米晶及其薄膜的表征方法

3.5 薄膜的表面电子能谱技术

第4章 染料敏化太阳能电池的敏化剂

4.1 染料敏化剂的概况

4.2 染料敏化剂的特点

4.3 敏化剂的种类

4.4 光敏染料的性质研究

第5章 氧化还原电解质及对电极

5.1 染料敏化太阳能电池的电解质体系

5.2 电解质中的电子转移反应

5.3 对电极上的电子转移反应

5.4 电解质中Li+的影响

5.5 4-叔丁基吡啶(TBP)的影响和作用机理

5.6 染料敏化太阳能电池空穴传输材料研究进展

第6章 染料敏化纳米晶太阳能电池的机理研究

6.1 光诱导电子转移反应

6.2 TiO2纳米晶薄膜电极的光电化学性质

6.3 TiO2纳米晶薄膜电极中的电子输运过程

6.4 TiO2纳米晶薄膜电极与电解液界面的复合反应

第7章 超快光谱及染料敏化太阳能电池中的电子注入

7.1 超快光谱简介

7.2 超短光脉冲与实验方法

7.3 染料与半导体纳米晶薄膜间电子注入研究

第8章 半导体纳米晶及薄膜光电化学体系的研究

8.1 硫化物复合敏化TiO2纳米晶膜电极的光电化学研究

8.2 N3敏化Sr2+表面修饰TiO2纳米晶膜电极光电化学

8.3 染料敏化稀土离子修饰TiO2纳米晶电极的光电化学性质

8.4 InSe纳米粒子的光物理化学性质研究

参考文献

书名: 染料敏化纳米晶太阳能电池

关键词:染料 敏化 纳米材料 半导体晶体 太阳能电池 杨术明

分类: 工业技术 >独立电源技术(直接发电)

继多晶硅及薄膜太阳能电池之后，第三代太阳能电池产品--染料敏化太阳能电池产业化开发取得突破。上周河北汉光重工有限责任公司透露，该公司承担的国内首个染料敏化太阳能电池产业化项目攻克了光电材料、单元封装、组件封装等难关，把电池从2×2平方厘米、5×5平方厘米、15×15平方厘米，做到了80×72平方厘米。经检测，这种大面积的染料敏化太阳能电池的技术指标及稳定性均达到了产业化要求。

染料敏化太阳能电池是以低成本的纳米二氧化钛和光敏染料为主要原料，模拟自然界中植物利用太阳能进行光合作用，将太阳能转化为电能。与传统太阳能电池相比，它的最大优势在于其制作工艺简单、不需昂贵的设备和高洁净度的厂房设施，制作成本仅为硅太阳能电池的1/10~1/5。该电池使用的纳米二氧化钛、N3染料、电解质等材料价格便宜且环保无污染，同时它对光线的要求相对不那么严格，即使在比较弱的光线照射下也能工作。

据该项目负责人介绍，染料敏化太阳能电池于1991年由瑞士科学家实现了技术上的重大突破，之后美国、日本等发达国家投入大量资金也进入该研发领域。我国染料敏化太阳能电池研究始于1994年，由中国科学院化学研究所发起，目前，该课题已被列为国家"863"、"973"计划重大科研项目。

2008年初，中科院化学研究所与河北汉光重工有限责任公司签订长期合作协议，并成立汉光太阳能研究所。2009年底，邯郸市政府与河北汉光重工有限责任公司签订共同推进染料敏化太阳能电池研发项目合作协议。目前，汉光太阳能研究所已掌握核心材料如:N3染料、电解质、铂液、保护层、碳层的配方及生产合成工艺，具备了多种规格型号电池单元的制作能力，其光电流、光电压及光电效率都已满足小型用电器的电量要求，具备小批量生产能力。

该项目负责人还告诉记者，我国自主研发的这种新一代太阳能电池产品只在短短十几年内就迈向了产业化，目前国内在该领域的科研水平与世界保持同步，计划在2015年染料敏化太阳能电池达到20MW的生产能

其主要优势是:原材料丰富、成本低、工艺技术相对简单，在大面积工业化生产中具有较大的优势，同时所有原材料和生产工艺都是无毒、无污染的，部分材料可以得到充分的回收，对保护人类环境具有重要的意义。自从1991年瑞士洛桑高工(EPFL)M. Grtzel教授领导的研究小组在该技术上取得突破以来，欧、美、日等发达国家投入大量资金研发。

染料敏化太阳能电池 - 结构组成

主要由纳米多孔半导体薄膜、染料敏化剂、氧化还原电解质、对电极和导电基底等几部分组成。纳米多孔半导体薄膜通常为金属氧化物(TiO2、SnO2、ZnO等)，聚集在有透明导电膜的玻璃板上作为DSC的负极。对电极作为还原催化剂，通常在带有透明导电膜的玻璃上镀上铂。敏化染料吸附在纳米多孔二氧化钛膜面上。正负极间填充的是含有氧化还原电对的电解质，最常用的是KCl(氯化钾)。

(1)染料分子受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半导体的导带中;

电子扩散至导电基底，后流入外电路中;

(3) 处于氧化态的染料被还原态的电解质还原再生;

(4) 氧化态的电解质在对电极接受电子后被还原，从而完成一个循环;

(5) 和(6) 分别为注入到TiO2 导带中的电子和氧化态染料间的复合及导带上的电子和氧化态的电解质间的复合

研究结果表明:只有非常靠近TiO2表面的敏化剂分子才能顺利把电子注入到TiO2导带中去，多层敏化剂的吸附反而会阻碍电子运输;染料色激发态寿命很短，必须与电极紧密结合，最好能化学吸附到电极上;染料分子的光谱响应范围和量子产率是影响DSC的光子俘获量的关键因素。到目前为止，电子在染料敏化二氧化钛纳米晶电极中的传输机理还不十分清楚，有Weller等的隧穿机理、Lindquist等的扩散模型等，有待于进一步研究。

DSC与传统的太阳电池相比有以下一些优势:

⑴寿命长:使用寿命可达15-20年;

⑵结构简单、易于制造，生产工艺简单，易于大规模工业化生产;

⑶制备电池耗能较少，能源回收周期短;

⑷生产成本较低，仅为硅太阳能电池的1/5~1/10，预计每峰瓦的电池的成本在10元以内。

⑸生产过程中无毒无污染;

经过短短十几年时间，染料敏化太阳电池研究在染料、电极、电解质等各方面取得了很大进展。同时在高效率、稳定性、耐久性、等方面还有很大的发展空间。但真正使之走向产业化，服务于人类，还需要全世界各国科研工作者的共同努力。

这一新型太阳电池有着比硅电池更为广泛的用途:如可用塑料或金属薄板使之轻量化，薄膜化;可使用各种色彩鲜艳的染料使之多彩化;另外，还可设计成各种形状的太阳能电池使之多样化。总之染料敏化纳米晶太阳能电池有着十分广阔的产业化前景，是具有相当广泛应用前景的新型太阳电池。相信在不久的将来，染料敏化太阳电池将会走进我们的生活。