基于TiO2的染料敏化太阳能电池分析-材料物理与化学专业论文.docxVIP

1 绪论 1.1 染料敏化电池的国内外发展状况 染料敏化太阳能电池是一种非常规的太阳能发电技术，1991 年出版的一篇 Nature 的论文引起了光伏领域的广泛的关注[1]。染料电池的结构和原理不同于传统的 太阳能电池，但研究人员已经证明效率大于 10％，其基础是在光化学，而不是在固 体物理学。 从历史上看，太阳能电池是一种首次发现的光化学电池。法国科学家 Becquerel 在 1839 年发现了太阳能光电效应，当把他制备的装置放置于太阳下的时候产生电流 从而证实了光电转换的可能。20 世纪六十年代，H.Gerischer 等发现如果在半导体材 料上吸附有染料的话，在一定环境下受到光的照射的时候会有电流产生，这就是染 料敏化电池的重要基础[2]。七十到九十年代期间，R.Memming 等人研究了各种染料 敏化剂与纳米晶半导体之间光敏化作用，其研究的是只有表面吸附单层染料的平板 电极，其转换效率小于 1%[3]。 1991 年[4]瑞士科学家 Gr?tzel M.于《Nature》上发表 了染料敏华电池的制备获得了大于 7%转化效率的文章，从此研究人员的研究再次得 到突破，为太阳能的利用提供了新的途径，开辟了太阳能电池的新时代，在此后世 界各地掀起了研究染料敏华电池的热潮。1997 年染料敏化太阳能电池的转化效率达 到 11% [5]。采用液态的电解质制备的染料敏化太阳能电池转化效率高，但是有一个 致命的缺点就是电解质容易挥发，从而导致电池的寿命很短，稳定性不好。在这之 后有课题组开始做固态电解质来制备太阳能电池，1998 年，Gratzel M 课题组采用全 固态的有机空穴传输材料代替以往的液体电解质制备的染料敏化电池在单色光下转 化效率达到 33%，这项成功的研究再次引起全世界的关注[6]。2002 年，王鹏等人用 准固态的离子液态聚合物凝胶电解质制备了染料敏华太阳能电池，成功获得了 5.3% 的光电转化效率[7]。2004 年，韩国 Jong Hak Kim 等人通过使用复合的聚合物电解质 来制备全固态的染料敏化电池获得了 4.5%的光电转化效率[8]。2004 年，日本成功研 制了色素（染料）增感型太阳能电池，这种色素增感型太阳能电池是采用 Ru 金属错 体作为色素，将 Ru 金属错体吸在 TiO2 上，浸泡在碘化物离子的电解液中而成，在 实验室内进行的光电转换效率的测试，结果得到的数据为 9.3%[9]。2004 年，日本研 究组成功将 TiO2 纳米管用在染料敏化太阳能电池的制备上，结果制备的纳米晶太阳 能电池的光电转换效率可达 5 % [10]，随后又成功将 TiO2 纳米网络引入染料敏化太阳 能电池的光阳极，所制备的电池的光电转换效率达到 9.33%[11]。2006 年，日本的大 学开发的基于低温 TiO2 电极制备技术，在全柔性的基底上制备了染料敏化太阳能电 池，其光电转化效率超过了 6%[12]。由于 Ru 价格较高，阻碍了低成本为特点的电池 的开发，另外电解液容易挥发，会对电池的寿命有一定的影响。2008 年，Gratzel 等 开发新型色素增感型太阳能电池，在这项研究中没有使用 Ru 金属和挥发性电解液， 这种新的色素増感型太阳能电池是由被称为“Indoline 型”构造的有机色素“D205”、 具有不挥发的离子流体性以及二氧化钛等构成，其转化效率达到 7.2%[13]。随后，日 本产业技术综合研究所开发出了电池单元对阳光的光电转换效率达到了 11.0％的级 联式色素增感型太阳能电池[14]，这里的级联式是一种将两种色素增感型太阳能电池 重叠的形式。通过制造高透明度的 TiO2 电极，并将其使用于上部的电池，从而实现 了高效率。由于氧化钛需要在高温下烧结，而 ZnO 可以使用低温工艺，耐热性比较 差的塑料底板等也可以使用，可以大大降低制作的成本，目前 TDK 使用“湿式工艺” 形成 ZnO 薄膜，整个工序中最高的温度只有 80℃。 随着 2008 年 12 月 13 号在中国大连国际太阳能电池和太阳能燃料会议的召开， 中国的染料敏化电池方面的研究正在火热进行中。国内，中科院合肥研究院等离子 体物理研究所戴松元工作室和国内各个高校等对染料敏化电池的研究取得一定成果 [15]。2008 年，中科院长春应化所王鹏等人通过对染料成分的改造成功研发了便宜高 效率的染料电池；华中科技大学韩宏伟课题组对多孔薄膜材料以及高效电解液的制 备方面的研究均有所突破[16]。关于染料电池的产业化方面，河北的邯郸已经落户总 投资 1.5 亿元的全国首个染料敏化电池的产业化项目，目前已具有小批量的生产能 力。 染料敏化电池因为其低廉的成本而受到广泛的关注，但是电池的稳定性不好和 还不够高的转化效率限制了染料电池的产业化能力，我