[摘 要] 本文介绍了染料敏化太阳能电池的结构，工作机理及各组分的学院研究概况，对电池研究做了较全面的描述，并对其未来发展前景做了展望。 [关键词] 染料敏化 太阳能电池 TiO2 引言 随着经济的迅猛发展，能源问题日益突出，作为太阳能领域主体的传统硅、砷化镓等半导体电池由于复杂的工艺和高昂的价格，很难得以大范围的推广应用，因此新型太阳电池的研究一直是热门领域。 1991年瑞士洛桑高等工业学校（EPFL）M.Gr・tzel教授等将纳米多孔电极应用到染料敏化太阳电池（DSC）并取得突破性进展（电池光电转换效率达到7.1%）以来[1]，由于其成本低，制作工艺简单，环境友好等优势，引起了世界各国科学家的浓厚兴趣，成为太阳电池研究领域新的热点。发展到今天，电池效率已超过11%[2]。 染料敏化太阳能电池由三部分组成：TiO2光阳极，电解液及对电极。在TiO2多孔膜表面吸附了一层染料分子，当染料吸光后从基态变为激发态产生电子空穴对，电子注入TiO2导带经TiO2膜扩散至导电基底，再经外电路转移到对电极，氧化态的染料则被电解液中I-还原完成一个循环。为了进一步提高电池的光电转换效率，并最终使其达到产业化应用的目标，国内外众多科研机构围绕染料、光阳极、电解液、电池稳定性等开展了大量研究和并对其机理进行了深入探讨。 1、染料敏化太阳能电池各组分研究 1.1 染料 在染料敏化太阳能电池中，染料敏化剂起着吸收能量的作用，直接影响到DSC（dye-sens[1]itized solar cells）的光电转换效率IPCE，具有非常重要的作用，研究表明，高性能的敏化剂需有以下特点： 1）染料分子激发态的能量应高于半导体导带，切有良好的能带重合便于电子注入（与TiO2电位差0.3V左右）； 2）染料分子需要牢固吸附于半导体表面，一般能有效吸附TiO2的基团为-COOH,-OH,-SO3H,-PO3H2等，其中-COOH，-PO3H2应用最广； 3）染料分子应具有比电解质中的氧化还原电对更正的氧化还原电势，这样才能够很快被I-还原而再生； 4）染料应具有长期光照下的良好化学稳定性，能够完成108次氧化还原循环反应，相当于在太阳光下暴露20年； 5）理想的染料在整个太阳光光谱范围内都应有较强的吸收。 基于以上对敏化剂的特殊要求，目前主要使用的是就金属配合物（联吡啶钌配合物）和纯有机染料敏化剂。 1.2 电解质 电解质是影响电池光电转换效率和长期稳定性的重要因素之一，目前的电解质系统主要分三类：液体电解质、准固态电解质和固态电解质。液体电解质由于其扩散速度快、光电转化效率高、组成成分易于设计和调节、对多孔膜渗透性好等优点一直被广泛研究。主要由三部分组成：有机溶剂（腈类、脂类）、氧化还原电对（I-/I3-）和添加剂（TBP）。腈类等对电极惰性较强，不参与电极反应，切不易导致染料脱附和降解，介电常数、电导率较高和较低的黏度都决定其为较好的电解质。I-/I3-与纳米半导体电极的能级及染料的HOMO能级相匹配，且在溶胶中的扩散速率较快。添加剂TBP的加入主要是为了提高电池的开路电压。 由于液体电解质易挥发、泄露等对电池长期工作造成影响，所以对准固态及固态电解质的研究一直都同步进行，但其电池效率比液体电解质要低许多。准固态主要是以液体电解质为基础的溶胶-凝胶电解质和以离子液体为基础的溶胶-凝胶电解质，而固态电解质系统则主要分为有机空穴传输材料和无机P-型半导体材料。 1.3 TiO2多孔膜TiO2多孔薄膜是光阳极的主体，也是电池里开展研究最多的组件，其性质主要取决于TiO2粒子的大小、形状、能带结构等。国内外众多研究机构都尝试对其进行各种物理、化学等优化处理以提高电池的光电转换性能，其中包括采用不同TiCl4溶液[3,4]以及酸[5]、溶胶[6]、电沉积[7,8]处理TiO2薄膜等，增强其对电子的传输性能，以及通过不同元素掺杂的方式[9,10]，改变其能级结构，以此改善电子在膜内的传输，提高电池的光电转换效率。 2、结论 目前主要通过I-V,暗电流，循环伏安，电化学阻抗谱，IPCE，IMPS-IMVS及超快光谱等测试表征手段对电池光伏性能及其内部电子的传输复合状况进行研究。虽然已有许多模型来解释电池内部机理，但其电子的传输特性仍不清晰。如何进一步提高电池效率及电池的长期稳定性也是有待解决的重要问题之一。因此，虽然目前国内外已有一些公司尝试对其进行商业推广，但要真正达到大面积推广并产业化的道路，染料敏化太阳能电池还有待更进一步研究。 参 考 文 献 [1] 徐炜炜,戴松元,方霞琴,胡林华,孔凡太,潘旭,王孔嘉2005物理学报54 5943 [2] Yang S M, Huang Y Y,Huang C H, Zhao X S 2002 Chem Mater 14 1500 [3] 杨术明, 李富有, 黄春辉 2003 中国科学（B辑）33 59 |
