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1、染料敏化納米晶太陽能電池第一章緒論1.1太陽能電池能源短缺與環(huán)境污染是目前人類面臨的兩大問題。傳統(tǒng)的能源媒,石油和木材按目前的消耗速度只能維持五十至一百年。另外,由此所帶來的環(huán)境污染,也正在威脅著人類賴以生存的地球。而在人類可以預(yù)測的未來時間內(nèi),太陽能作為人類取之不盡用之不竭的潔凈能源,不產(chǎn)生任何的環(huán)境污染,且基本上不受地理條件的限制,因此太陽能利用技術(shù)研究引起了各國科學(xué)家的廣泛重視。太陽內(nèi)部每時每刻都在發(fā)生熱核聚變反應(yīng),進行質(zhì)能轉(zhuǎn)換,向宇宙輻射的總功率約為3*1023kW,投射到地球大氣層之前的功率密度約為
2、1135kW/m2。太陽光進入大氣層后,雖然大氣成分和塵埃顆粒的散射以及太陽光中的紫外線被臭氧，氧氣和水蒸氣吸收,但到達地表的功率密度仍有很大。如果太陽輻射維持不變,則太陽半衰期壽命還有7*1012年以上,可以說太陽能是取之不盡用之不竭的天賜能源。我國陸地2/3以上地區(qū)的年日照時數(shù)大于2000h,太陽能相當(dāng)豐富。目前,太陽能的利用主要有太陽能電池發(fā)電和太陽能熱水器制熱。而在一些名勝古跡和公園已經(jīng)可以見到太陽能路燈了,為家庭住宅提供能源的太陽能發(fā)電系統(tǒng)(3kW)已經(jīng)在發(fā)達國家作為示范工程而被推廣,用太陽能電池提
3、供動力的汽車和游艇也已經(jīng)出現(xiàn)在人們的眼前。1.1.1太陽能電池的工作原理當(dāng)表面蒸發(fā)一層透光金屬薄膜的半導(dǎo)體薄片被光照射時，在它的另一側(cè)和金屬膜之間將產(chǎn)生一定的電壓，這種現(xiàn)象稱為光生伏打效應(yīng)，簡稱光伏效應(yīng)。能將光能轉(zhuǎn)換成電能的光電轉(zhuǎn)換器叫太陽能電池，在半導(dǎo)體Ｐ—Ｎ結(jié)上，這種光伏效應(yīng)更為明顯。因此，太陽能電池都是由半導(dǎo)體Ｐ—Ｎ結(jié)構(gòu)成的，最簡單的太陽能電池由一個大面積的Ｐ—Ｎ結(jié)構(gòu)成，例如Ｐ型半導(dǎo)體表面形成薄的Ｎ型層構(gòu)成一個Ｐ—Ｎ結(jié)，見圖1.1.1。圖1.1.1Ｐ—Ｎ結(jié)太陽能電池原理示意圖太陽輻射光譜的波長是從0.3
4、μm的近紫外線到幾微米的紅外線,對應(yīng)的光子能量從4eV~0.3eV左右。由半導(dǎo)體能帶理論可知,只有能量高于半導(dǎo)體帶隙寬度(Eg)的光的照射,才能激發(fā)半導(dǎo)體中雜質(zhì)捕獲的電子通過帶間躍遷從價帶躍遷到導(dǎo)帶,生成自由電子和空穴對,電子和空穴向左右極化而產(chǎn)生電勢差。因此,制造太陽能電池的半導(dǎo)體材料的帶隙寬度應(yīng)在1.1eV~1.7eV之間,由太陽光譜可知,最好是1.5eV左右。當(dāng)光照在半導(dǎo)體上滿足Eg，在Ｐ型和Ｎ型兩區(qū)內(nèi)，就會光激發(fā)產(chǎn)生電子—空穴對。如果在一個擴散長度的范圍內(nèi)，這些被激發(fā)出來的電子或空穴，就都有可能在復(fù)合
5、之前通過擴散運動到達Ｐ—Ｎ結(jié)的強電場區(qū)。半導(dǎo)體Ｐ—Ｎ結(jié)的界面附近，電荷積累形成的阻擋層（耗盡層）中有一個強電場，場強方向由Ｎ區(qū)指向Ｐ區(qū)。這樣，在強電場的作用下，空穴由Ｎ區(qū)漂移到Ｐ區(qū)，而電子則由Ｐ區(qū)漂移到Ｎ區(qū)。這樣被激發(fā)的自由電子和空穴分別向左右漂移,將使Ｐ區(qū)帶正電，Ｎ區(qū)帶負電，從而產(chǎn)生光生電動勢Vph,接上負載R就可產(chǎn)生光生電流Iph。1.1.2太陽能電池的種類和研究進展太陽能電池可分為固體電池和液體電池。前者如硅太陽能電池,后者如半導(dǎo)體電解質(zhì)太陽能電池。制作太陽能電池主要是以半導(dǎo)體材料為基礎(chǔ)。根據(jù)所用材料的
6、不同,太陽能電池又可分為:(1)硅太陽能電池;根據(jù)不同硅晶體材料可分成單晶硅太陽能電池,多晶硅太陽能電池和非晶硅太陽能電池有單晶硅(c－Si)，多晶硅(ploy－Si)，非晶硅(a－Si)；(2)無機化合物太陽能電池如砷化鎵(GaAs)，銅銦鎵硒(CuInGaSe)，碲化鎘(CdTe)等;(3)有機/聚合物太陽能電池;(4)納米晶太陽能電池等。盡管制作電池的材料不同,但其材料一般應(yīng)滿足以下幾個要求:(1)半導(dǎo)體材料的禁帶不能太寬;(2)要有較高的光電轉(zhuǎn)換效率;(3)對環(huán)境不造成污染;(4)便于工業(yè)化生產(chǎn)且性能
7、穩(wěn)定。而開發(fā)太陽能電池的兩個關(guān)鍵問題就是:提高轉(zhuǎn)換效率和降低成本。由于目前市場上的太陽能電池產(chǎn)品硅太陽能電池制造成本過高,不利于廣泛應(yīng)用。而九十年代發(fā)展起來的染料敏化納米晶二氧化鈦(TiO2)太陽能電池（DSSC）的優(yōu)點在于它廉價的成本和簡單的工藝及穩(wěn)定的性能,已成為傳統(tǒng)太陽能電池的有力競爭對手。其光電效率穩(wěn)定在10%,制作成本僅為硅太陽能電池的1/5～1/10,壽命能達到20年以上。1.2??DSSC的結(jié)構(gòu)和基本原理太陽能發(fā)電是太陽能利用的重要領(lǐng)域之一,它具有高效、清潔、低成本的優(yōu)勢。1991年瑞士學(xué)者Gr
8、atzel等[2]在Nature上發(fā)表文章,研制出了以過渡金屬Ru的配合物作為染料的納米晶膜TiO2太陽能電池,其光電轉(zhuǎn)換效率達到7.1%--7.9%,光電流密度大于12mA/cm2,引起了世人的廣泛關(guān)注.目前,染料敏化納米二氧化鈦太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率已達到了11.18%[3,4,5].且成本比硅太陽能電池大為降低,性能穩(wěn)定,應(yīng)用前景十分誘人。1.2.1DSSC的結(jié)構(gòu)染料敏化太陽能電池是由透明導(dǎo)
