染敏光伏技术存在的问题与对策分析

    虽然DSSC的研究已经取得了一定进展,但是电池各组成部分的性能仍存在很大的优化空间。下面从纳米晶TiO2多孔薄膜、对电极、电解质体系及染料光敏化剂等几个方面对当前DSSC研究中存在的问题及对策进行分析,并对今后的研究方向进行展望。

(1) 纳米晶TiO2多孔薄膜
    单层吸附染料的TiO2薄膜对入射光的吸收率小;多层吸附染料的TiO2薄膜存在内层染料阻碍外层染料电子传输的问题。解决这个问题的途径之一是使用分散均匀、高比表面、高结晶度、高电子传输能力的半导体纳米管、线、杆阵列膜或自组装阵列膜来代替平整膜,提高染料在TiO2薄膜表面的吸附能力。
    孔径对电解质的渗透和扩散有一定影响,寻找合适的孔径是目前有待研究的一个问题。
    TiO2纳米颗粒尺寸太小时,晶界势垒会阻碍载流子传输;但如果太大,比表面积就会降低,从而降低染料的吸附率。因此,寻找合适的纳米尺寸是待研究的问题。综上所述,可以在制备过程中控制和优化TiO2薄膜的微结构参数,还可以利用化学修饰的方法提高薄膜的性能。

(2) 对电极
    由于传统的铂对电极价格昂贵,电荷传输电阻较大,实际应用受到了限制。使用石墨、炭黑、碳纳米管、活性碳等碳材料作为对电极,虽然使成本降低,但是制作工艺仍需进一步优化。

(3) 电解质
    体系液态电解质存在易挥发、封装困难以及稳定性差等缺点。固态和准固态电解质虽然解决了封装的问题,但是存在浸润性差、电导率较低、高结晶性等问题。寻找高性能的电解质以及通过改变电解质结构和掺杂对其性能进行优化是今后研究的重点方向之一。

(4) 染料光敏化剂
    染料光敏化剂的发展趋势要从3个方面来考虑,即降低成本、提高稳定性及拓宽光谱响应范围。
    ①TiO2薄膜与染料之间和染料与电解质之间都存在界面问题,对界面之间的电子注入和传输机理是今后的一个研究方向。
    ②联吡啶钌配合物染料敏化剂价格昂贵,合成复杂,所以研究其它类型的敏化剂也非常重要。卟啉类配合物具有很大潜力,但稳定性还需提高。酞菁类配合物的化学性质很稳定,对可见光具有很强的吸收,但单色光光电转换效率偏低,要提高其敏化效率必须改善其溶解性和防止聚集。
    ③纯有机染料与金属配合物染料相比,单色光光电转换效率与电池的光电转换效率还有一定差距。目前存在的问题及解决的对策是:
      (1)吸收光谱是影响电池光电效率的一个重要因素,为了拓宽吸收光谱,可以从改善有机染料分子结构入手,合成多基元的超分子,每个基元都能吸收光能,从而增加吸收光谱的宽度。
      (2)纯有机染料在TiO2表面的团聚现象导致分子内能量转移,复合几率增大。解决的办法是可以通过优化染料分子的结构来控制染料与TiO2界面工艺,以降低复合几率以及团聚现象。
      (3)电子给体与受体之间的共轭基团有待优化。如引入噻吩基加长了??桥基体系,使染料的吸收光谱红移,吸收光谱更宽,但是形成的异构体使合成工艺复杂化,并导致染料分子的稳定性降低。因此要继续探索既能保证稳定性高又能使光谱红移并具有宽且强的光谱响应的新优化?共轭体系方法。

    ④多种染料共敏化的方式可以拓宽电极的吸收光谱和光电响应,但由于不同染料之间存在相互作用,可能会发生分子间的电子转移或能量传递,从而导致即使在可见光范围也有很好的吸收,也不能得到很好的光电响应。因此,研究重点应该是选择合理的共敏化方式,抑制共敏化体系中各染料的相互作用,既能拓宽染料的吸收光谱,又能使各染料之间能量匹配。

    总之,DSSC电池具有成本低、效率高的特点,虽然目前还存在一些问题,但应用前景十分广阔。相信通过相关研究人员的共同努力,进一步优化电池各组成部分的性能,在不久的将来这种太阳能电池将会得到广泛应用。