近年来，染料敏化太阳能电池由于具有低价格、易于制造成大面积和可接受的转换效率的潜力等优点而备受关注。首先简要介绍了类似植物光合作用的染料敏化太阳能工作原理,描述了只要由导电玻璃、半导体氧化物纳米薄膜、敏化染料、电解质和对电极组成的染料敏化太阳能电池结构。接着综述了染敏太阳能电池的最新研究成果。尤其对染料敏化太阳能电池电极材料、电解质的研究进行了详细地述说。然后介绍国内染料敏化太阳能电池的研究进展。最后介绍其未来的研究方向和前景。

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第一章  绪论

　　1.1  引言

　　自从1839年法国科学家Becquerel发现光伏效应以来，光电化学研究已经经历了100多年的历史。1954年贝尔实验室的研究人员把PN结引进单品硅，发现了光电现象，并由此开创了硅太阳能电池的研究领域。到20世纪70年代，用于航天领域的硅太阳能电池的光电转化效率已经超过了25％。在硅太阳能电池之后，科学家又先后发展了各种新型的太阳能电池，这些太阳能电池以薄膜太阳能电池为主流，包括硅薄膜型(非晶硅、单晶硅、多晶硅薄膜)，化合物半导体薄膜型(GaAs、InP、CdS、CdTe、CuInGaSn(即CIGS))，有机薄膜型等。最新的权威统计数据表明，单晶硅太阳能电池的光电转化效率已达到24.7％,多晶硅为19.8％,非晶硅为10.1％,CdTe为16.5％,CIGS为18.4％。目前光伏发电市场正是被上述发展较为成熟的太阳能电池所占据。

　　实际上，除了上述已经商业化的太阳能电池以外，科学家们仍在致力于研究新的太阳能电池材料和结构。其中一类染料敏化太阳能电池(Dye—SensitizedSolarCells，简称DSSC)近年来发展迅速。其研究历史可以追溯到20世纪60年代，德国料敏化的光电转换效率比较低(<1％)。1991年,瑞士洛桑高等工业学院的Gratzel教授和他的研究小组采用高比表面积的纳米多孔TiO2膜作半导体电极，以过渡金属Ru以及Os等有机化合物作染料，并选用适当的氧化还原电解质研制出一种纳米晶染料敏化太阳能电池，一举突破了光电转化效率7％。 1993年Gratzel等人再次报道了光电转化效率达10％的染料敏化纳米太阳能电池。最新的数据表明该太阳能电池目前最高的光电转化效率达到 10.96％，开路电压Voc为0.975V，短路电流Jsc为19.4mA／cm2，填充因子达到71％。

　　染料敏化太阳能电池与传统的太阳能电池有各自的优缺点，最引人瞩目的是染料敏化太阳能电池相对其他太阳能电池具有巨大的价格优势，据估计，染料敏化太阳能电池的价格仅为硅太阳能电池的1／5～1／10。一旦染料敏化太阳能电池的光电转化效率进一步提高，封装问题、使用寿命问题得到很好的解决，染料敏化太阳能电池很有可能在不远的将来成为一种具有竞争力的商业化产品。

第二章  染料敏化太阳能电池结构及工作原理

　　DSSC主要由导电玻璃、纳米半导体氧化薄膜、敏化材料、电解质和对电极组成。图1为DSSC的结构示意图。

　　DSSC的工作原理与叶绿体中光合膜的光合作用极其类似。图2为光合膜发生光合作用的原理。光子对光合膜作用的结果实质是光合膜内外造一个电场，电子由光合膜内传送到光合膜外，在膜内留下了空穴，在光子作用下的电子运动构成了内外电流。

　　图3为DSSC的工作原理图。当光照射到被敏化了的纳米半导体氧化薄膜上时，光照下染料分子的电子受激跃迁到激发态，自身变为氧化态；不稳定的激发态电子快速注入到紧邻的纳米半导体氧化薄膜导带上，瞬间在导电玻璃上迅速富集，然后向外电路输送电流；染料失去的电子很快从电解质中得到补偿，电解质中的氧化 -还原对将空穴传输到对电极，与电子完成一次循环。此外，激发态的电子注入纳米半导体氧化薄膜导带是造成电流损失的主要过程。这个过程包括注入到半导体导带中的电子与氧化染料分子和电解质中电子受体反应。

图1为DSSC的结构示意图

图2为光合膜发生光合作用的原理

图3为DSSC的工作原理图