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染料敏化太阳电池及其产业化2016-10-07?摩尔光伏染料敏化太阳电池(DSC)是一种新型基于氧化还原反应的化学电池，其工作原理类似于植物的光合作用，由纳米多孔半导体薄膜、染料敏化剂、氧化还原电解质、对电极和导电衬底等几部分组成。1一、染料敏化太阳电池技术背景　　　　早在二十世纪八十年代，美国州立Arizona大学的Gust和Moore领导的研究小组，在三元化合物C-P-Q（卟啉Porphyrin、类胡萝卜素Carotenoid、苯醌Quinone）上第一个成功模拟了光合作用中光电子转移过程[1]。不过早期由于只采用致密的半导体薄膜层，染料吸收的太阳光不到1%，导致电池效率都很低。直到1991年，瑞士洛桑高等工业学院（EPFL）Gr?tzel教授采用纳米多孔薄膜代替以前的平板电极，电池取得了重大突破，在太阳光下，其光电转换效率达7.1%（AM1.5）[2]。DSC工作时染料分子受太阳光照射后由基态跃迁至激发态，将电子注入到纳米多孔半导体的导带中，然后扩散至导电基底流入外电路，处于氧化态的染料被电解质还原再生，电解质变成氧化态，氧化态的电解质再在正极处接受电子被还原，完成一个循环。DSC的主要优势是：原材料丰富、工艺技术相对简单、成本低，同时所有原材料和生产工艺都是无毒、无污染的，部分材料可以得到充分回收，对保护环境具有重要的意义。　图1DSC的结构和原理示意图2二、大面积染料敏化太阳电池研究现状　　自从1991年Gr?tzel教授领导的研究小组在DSC上取得7.1%的突破性效率以来，欧、美、日等发达国家投入了大量资金进行研发。DSC已成为目前十分活跃的研究领域，除了DSC在低成本、高效率以及未来可能产生巨大潜在市场的原因以外，相对比较低的门槛使工业界易于介入，区别于硅基太阳电池动辄上亿的资金投入是使公司更乐于投入的主要原因。　　日本在DSC的基础研究和应用研究方面都处于世界领先地位。早期日本的夏普公司[3]和Arakawa等人[4,5]分别报道了6.3%（26.5cm2）和8.4%（10cm×10cm）的DSC组件光电转换效率。日本的Han等人[6]在2009年研究出了Z型和W型DSC，报道了效率达8.2%的W型DSC组件，其面积为50mm×53mm，活性面积高达85%。日本的Fujikura公司采用Ni做栅电极，在面积为10cm×10cm的DSC中，整个组件的光电转换效率达到5.1%（有效面积为68.9cm2）[7]。2005年，日本Peccell公司和藤森工业株式会社及昭和电工共同开发的大面积高性能塑料DSC生产线试验成功，他们采用丝网印刷方法，实现了低成本连续性生产[8]，他们制作的大面积DSC组件，其单元尺寸长2.1m，宽0.8m，厚0.5mm，重量每800g·m-2，是世界上尺寸最大、重量最轻的DSC，该电池组件即使在室内也可以输出100V以上的高电压。日本桐荫横滨大学Miyasaka等人[9,10]也开发出基于低温TiO2电极制备技术的全柔性大面积DSC，面积为30cm×30cm的大面积全柔性DSC，包括10块输出电压为7.2V和电流为0.25~0.3A的电池单元。韩国的YongseokJun等人研究了DSC组件中TiO2膜的尺寸对DSC性能的影响，他们制作出了面积为10cm×10cm的大面积DSC组件的光电转换效率达到6.3%，TiO2膜加入散射层后光电转换效率可达到6.6%[11]。　　图2几种大面积DSC结构示意图，（a）W-型串联电池结构示意图，（b）Z-型串联电池结构示意图，（c）单极板电池结构示意图，（d）并联电池结构示意图[12-15]　　近年来，DSC的大面积化研究引起了众多人士的极大关注，在产业化应用研究方面也取得较大的进展。其中澳大利亚STA公司在2001年5月1日建成了世界上第一个中试规模的DSC工厂，他们采用内连接的方式设计出面积大于300cm2内部串联电池，并在不久后建立了200m2DSC显示屋顶[16]，为DSC的建筑一体化奠定了基础。2005年规范制备出了模块为22W的DSC电池板，尺寸为0.6m×0.9m，转换效率约为5%。2003年荷兰国家能源研究所（ECN）建立了面积为10cm×10cm电池组件生产线，获得电池的最高效率为5.9%[15]。在2006年10月，G24i股份公司在英国南威尔士宣布成立，主要采用美国Konarka公司与瑞士Gr?tzel教授的共有技术。2009年10月，英国G24i公司开始为香港MascotteIndustrialAssociates公司商业提供背包用DSC组件。　　在DSC的稳定性研究方面，澳大利亚Dyesol公司通过加速老化实验获得了DSC在室外长期稳定的数据：20000h的老化数据（0.8个太阳，55~60℃），这一结果相当于太阳电池在中欧室外