染料敏化太陽能電池技術(shù)

1 前言 　　在諸多新能源中，太陽能以其豐富的儲(chǔ)量、清潔無污染的優(yōu)點(diǎn)和較小的地域限制而受到廣泛關(guān)注。對(duì)太陽能的利用主要包括光熱轉(zhuǎn)換、光電轉(zhuǎn)換和光化學(xué)能轉(zhuǎn)換3種形式。太陽能電池是一種將太陽能轉(zhuǎn)換成電能的光電轉(zhuǎn)換器件，它可以直接為小型電器提供電能，也可以進(jìn)行并網(wǎng)發(fā)電，因而有著十分廣闊的應(yīng)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(jià)比還不能和傳統(tǒng)能源相競(jìng)爭(zhēng)。因此，各類新型太陽能電池應(yīng)運(yùn)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(jiǎn)稱DSC)近年來發(fā)展迅速。其研究歷史可以追溯到20世紀(jì)60年代，德國Tributsch發(fā)現(xiàn)了染料吸附在半導(dǎo)體上在一定條件下能產(chǎn)生電流，為光電化學(xué)奠定了重要基礎(chǔ)。事實(shí)上，到1991年以前，大多數(shù)染料敏化的光電轉(zhuǎn)換效率比較低(<1％)。1991年，瑞士洛桑高等工業(yè)學(xué)院的Michael Gratzel教授領(lǐng)導(dǎo)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(zhuǎn)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(jiǎn)單和光電轉(zhuǎn)換效率較高的特點(diǎn)。 　　2 染料敏化太陽能電池的結(jié)構(gòu)和工作原理 　　2.1 染料敏化太陽能電池的結(jié)構(gòu) 圖1 染料敏化太陽能電池的結(jié)構(gòu) 　　典型的染料敏化太陽能電池的結(jié)構(gòu)包括納米多孔Ti02半導(dǎo)體薄膜、透明導(dǎo)電玻璃、染料光敏化劑、空穴傳輸介質(zhì)和對(duì)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(guān)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(dǎo)電玻璃表面，在高溫條件下燒結(jié)而形成多孔電極。 　　透明導(dǎo)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(duì)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(dāng)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(shí)，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(dǎo)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(kuò)散富集到導(dǎo)電玻璃基板，然后進(jìn)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(kuò)散至對(duì)電極，這就完成了一個(gè)光電化學(xué)反應(yīng)的過程。在染料敏化太陽能電池中，光能被直接轉(zhuǎn)換成了電能，而電池內(nèi)部并沒有發(fā)生凈的化學(xué)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(duì)光的吸收主要通過染料來實(shí)現(xiàn)，而電荷的分離傳輸則是通過動(dòng)力學(xué)反應(yīng)速率來控制。電荷在TiO2中的運(yùn)輸由多數(shù)載流子完成，所以這種電池對(duì)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(shì) 　　3 .1 價(jià)格和工藝優(yōu)勢(shì) 　　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(fù)合，所用的材料必須具有很高純度，并且沒有結(jié)構(gòu)缺陷，因此對(duì)半導(dǎo)體的工藝要求很高，導(dǎo)致成本難以降低。而染料敏化的光電化學(xué)電池僅在一個(gè)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(dǎo)帶，而空穴仍留在表面的染料上。因此，電荷的重新復(fù)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(jiǎn)單，成本也大為降低。目前，染料敏化太陽能電池的價(jià)格是硅太陽能電池的1/5～1/10。 　　3 .2 理論光電轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(jī)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(dá)到33％。 　　3 .3 其他優(yōu)勢(shì) 　　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(kuò)大了其應(yīng)用范圍；可以在各種光照條件下使用；對(duì)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(dá)70℃等優(yōu)點(diǎn)。  　　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(zhuǎn)換效率已達(dá)到11．04％。但是對(duì)于大面積、具有實(shí)用化意義的光電轉(zhuǎn)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(bào)道。比起傳統(tǒng)的硅太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率仍有一定的差距，染料敏化太陽能電池的光電轉(zhuǎn)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(jī)小分子化合物溶劑，其沸點(diǎn)低，易揮發(fā)，流動(dòng)性大，會(huì)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(gè)方面：高效電極(光陽極和對(duì)電極)的低溫制備和柔性化；廉價(jià)、穩(wěn)定的全光譜染料的設(shè)計(jì)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(guān)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(gè)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(jié)構(gòu)示意圖 　　全固態(tài)敏化太陽能電池主要由透明導(dǎo)電基片、致密二氧化鈦層、染料敏化的多相結(jié)和金屬電極組成。其中，引入致密二氧化鈦層是為了防止導(dǎo)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(jié)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(jié)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(dǎo)帶內(nèi)，而染料分子自身轉(zhuǎn)變?yōu)檠趸瘧B(tài)。注入到二氧化鈦中的電子富集于導(dǎo)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(dá)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(gè)過程中各種物質(zhì)表觀上沒有發(fā)生變化，而光能轉(zhuǎn)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(gè)方面：高效電極(光陽極和對(duì)電極)的低溫制備和柔性化；廉價(jià)、穩(wěn)定的全光譜染料的設(shè)計(jì)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(guān)問題的解決等。 　　5 總結(jié) 　　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(shù)的基礎(chǔ)下，進(jìn)一步降低成本、提高效率和穩(wěn)定性、推進(jìn)工業(yè)化的進(jìn)程是必然的發(fā)展趨勢(shì)，染料敏化太陽能電池相對(duì)其它類型太陽能電池具有巨大的價(jià)格優(yōu)勢(shì)，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(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，這種太陽能電池將具有十分廣闊的應(yīng)用前景。