染料敏化太陽能電池技術

1 前言 　　在諸多新能源中，太陽能以其豐富的儲量、清潔無污染的優(yōu)點和較小的地域限制而受到廣泛關注。對太陽能的利用主要包括光熱轉換、光電轉換和光化學能轉換3種形式。太陽能電池是一種將太陽能轉換成電能的光電轉換器件，它可以直接為小型電器提供電能，也可以進行并網(wǎng)發(fā)電，因而有著十分廣闊的應用前景。硅基太陽能電池是最早發(fā)展起來，并且也是目前發(fā)展最成熟的太陽能電池。經(jīng)過數(shù)十年的努力。單晶硅太陽能電池的效率已經(jīng)超過了25％，在航天中起著舉足輕重的作用。但在民用方面目前性價比還不能和傳統(tǒng)能源相競爭。因此，各類新型太陽能電池應運而生。  　　在眾多新型太陽能電池中，染料敏化太陽能電池(Dye-Sensitized Sollar Cells，簡稱DSC)近年來發(fā)展迅速。其研究歷史可以追溯到20世紀60年代，德國Tributsch發(fā)現(xiàn)了染料吸附在半導體上在一定條件下能產(chǎn)生電流，為光電化學奠定了重要基礎。事實上，到1991年以前，大多數(shù)染料敏化的光電轉換效率比較低(<1％)。1991年，瑞士洛桑高等工業(yè)學院的Michael Gratzel教授領導的研究小組將納晶多孔薄膜引入染料敏化太陽能電池中，使得這種電池的光電轉換效率有了大幅度的提高。相比于硅基太陽電池，染料敏化太陽能電池(DSC)具有成本低廉、工藝簡單和光電轉換效率較高的特點。 　　2 染料敏化太陽能電池的結構和工作原理 　　2.1 染料敏化太陽能電池的結構 圖1 染料敏化太陽能電池的結構 　　典型的染料敏化太陽能電池的結構包括納米多孔Ti02半導體薄膜、透明導電玻璃、染料光敏化劑、空穴傳輸介質(zhì)和對電極。 　　多孔納米TiO2薄膜是電池的光陽極，其性能的好壞直接關系到太陽能電池的效率。這種薄膜一般是用TiO2納晶微粒涂覆在導電玻璃表面，在高溫條件下燒結而形成多孔電極。 　　透明導電玻璃一般為ITO玻璃或TCO玻璃等，它起著傳輸和收集電子的作用。 　　染料光敏化劑是吸附在多孔電極表面的，要求具有很寬的可見光譜吸收及具有長期的穩(wěn)定性。 　　空穴傳輸介質(zhì)主要起氧化還原作用和電子傳輸作用。各種染料敏化電池的主要區(qū)別也是在于空穴傳輸介質(zhì)的不同。 　　對電極一般使用鉑電極或具有單電子層的鉑電極，主要用于收集電子。 　　2.2 染料敏化太陽能電池的工作原理 　　染料敏化太陽能電池的基本工作原理如下：當能量低于多孔納米TiO2薄膜禁帶寬度，但等于染料分子特征吸收波長的入射光照射在多孔電極上時，吸附在多孔電極表面的染料分子中的電子受激躍遷至激發(fā)態(tài)，再注人到TiO2導帶，而染料分子自身成為氧化態(tài)。注入到TiO2中的電子通過擴散富集到導電玻璃基板，然后進入外電路。處于氧化態(tài)的染料分子從電解質(zhì)溶液中獲得電子而被還原成基態(tài)，電解質(zhì)中被氧化的電子擴散至對電極，這就完成了一個光電化學反應的過程。在染料敏化太陽能電池中，光能被直接轉換成了電能，而電池內(nèi)部并沒有發(fā)生凈的化學變化。 　　DSC電池的工作原理類似于自然界的光合作用，與傳統(tǒng)硅電池不同。它對光的吸收主要通過染料來實現(xiàn)，而電荷的分離傳輸則是通過動力學反應速率來控制。電荷在TiO2中的運輸由多數(shù)載流子完成，所以這種電池對材料純度和制備工藝的要求并不十分苛刻，使得制作成本大幅下降。 　　3 染料敏化太陽能電池的優(yōu)勢 　　3 .1 價格和工藝優(yōu)勢 　　傳統(tǒng)的太陽能電池的光吸收和載流子的傳輸是由同種物質(zhì)來完成的，為了防止電子與空穴的重新復合，所用的材料必須具有很高純度，并且沒有結構缺陷，因此對半導體的工藝要求很高，導致成本難以降低。而染料敏化的光電化學電池僅在一個帶上產(chǎn)生載流子，即陽極發(fā)生光敏化后，電子注入納米Ti02導帶，而空穴仍留在表面的染料上。因此，電荷的重新復合受到限制，從而可以使用多晶的及純度不高的材料，工藝較為簡單，成本也大為降低。目前，染料敏化太陽能電池的價格是硅太陽能電池的1/5～1/10。 　　3 .2 理論光電轉化效率高 　　目前的染料敏化太陽能電池以液態(tài)電解質(zhì)為主，其理論光電轉化率已能穩(wěn)定在10％以上，與多晶硅太陽能相比也毫不遜色，用固體有機空穴傳輸材料作電解質(zhì)的全固態(tài)電池在單色光下，甚至能達到33％。 　　3 .3 其他優(yōu)勢 　　染料敏化太陽能電池具有透明度高，可以制成透明的產(chǎn)品；在柔性基底上制備，電池可以制成各種形態(tài)，極大的擴大了其應用范圍；可以在各種光照條件下使用；對光線的入射角度不敏感，可充分利用折射光和反射光；工作溫度較寬，上限可高達70℃等優(yōu)點。  　　4 染料敏化太陽能電池存在的問題與發(fā)展前景 　　4.1 染料敏化太陽能電池現(xiàn)階段存在的主要問題 　　目前，染料敏化太陽能電池(面積<0.5cm2)的光電轉換效率已達到11．04％。但是對于大面積、具有實用化意義的光電轉化效率一直在5％左右(最高5．9％)，面積大于100cm2的電池尚未見報道。比起傳統(tǒng)的硅太陽能電池的轉換效率仍有一定的差距，染料敏化太陽能電池的光電轉化效率仍有待于提高。 　　目前使用較廣泛的液態(tài)電解質(zhì)染料敏化太陽能電池，主要采用液態(tài)有機小分子化合物溶劑，其沸點低，易揮發(fā)，流動性大，會造成給電極腐蝕、電解液泄露、壽命短等一系列問題，給電池的密封和長期使用帶來困難。 　　染料敏化太陽能電池的發(fā)展面臨的主要挑戰(zhàn)包括以下幾個方面：高效電極(光陽極和對電極)的低溫制備和柔性化；廉價、穩(wěn)定的全光譜染料的設計和開發(fā)；液體電解質(zhì)的封裝和高效固態(tài)電解質(zhì)的制備及相關問題的解決等。 　　4.2 染料敏化太陽能電池的發(fā)展前景 　　由于液態(tài)電解質(zhì)染料敏化太陽能電池存在一系列的問題，因此尋找合適的固態(tài)空穴傳輸材料來代替液態(tài)電解質(zhì)，制備全固態(tài)的染料敏化太陽能電池將是一個重要的研究方向。 圖2 全固態(tài)敏化二氧化鈦太陽能電池結構示意圖 　　全固態(tài)敏化太陽能電池主要由透明導電基片、致密二氧化鈦層、染料敏化的多相結和金屬電極組成。其中，引入致密二氧化鈦層是為了防止導電基片與空穴傳輸材料直接接觸而造成短路。染料敏化的多相結主要含多孔二氧化鈦膜、染料、空穴傳輸材料和一些添加劑。  　　全固態(tài)敏化太陽能電池的工作原理是，多相結中的染料的電子受到能量低于二氧化鈦禁帶寬度的光激發(fā)躍遷至激發(fā)態(tài)，然后注入到二氧化鈦的導帶內(nèi)，而染料分子自身轉變?yōu)檠趸瘧B(tài)。注入到二氧化鈦中的電子富集于導電基底，并通過外電路流向金屬電極。處于氧化態(tài)的染料分子通過空穴傳輸層得到電子（或者說染料分子中的空穴注入空穴傳輸層，并最終到達金屬電極而得到還原。與液態(tài)電解質(zhì)染料敏化太陽能電池相同，在整個過程中各種物質(zhì)表觀上沒有發(fā)生變化，而光能轉化為電能。 　　除全固態(tài)敏化太陽能電池之外，染料敏化太陽能電池未來的發(fā)展方向還包括以下幾個方面：高效電極(光陽極和對電極)的低溫制備和柔性化；廉價、穩(wěn)定的全光譜染料的設計和開發(fā)；液體電解質(zhì)的封裝和高效固態(tài)電解質(zhì)的制備及相關問題的解決等。 　　5 總結 　　目前，染料敏化太陽能電池已經(jīng)發(fā)展到向產(chǎn)業(yè)化過渡的階段。在現(xiàn)有技術的基礎下，進一步降低成本、提高效率和穩(wěn)定性、推進工業(yè)化的進程是必然的發(fā)展趨勢，染料敏化太陽能電池相對其它類型太陽能電池具有巨大的價格優(yōu)勢，雖然現(xiàn)在還存在一些問題，但我們相信在不久的將來，隨著技術的進一步發(fā)展，這種太陽能電池將具有十分廣闊的應用前景。