染料敏化太陽能電池材料合成及其性

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1、課題1.染料敏化太陽能電池材料合成及其性能研究1.1研究課題背景據(jù)有關(guān)專家預(yù)測，目前全世界對能源的需求量是13億瓦特；而且，隨著全世界人口的增長和科技的進(jìn)步，到2050年，全世界對能源的需求將是現(xiàn)在的2倍；而到本世紀(jì)末，將是現(xiàn)在的3倍，世界范圍的能源匱乏時(shí)代即將到來。另外，由于化石燃料的大量使用，全球范圍的環(huán)境問題已經(jīng)不容忽視。因此，減少化石燃料能源的使用，使用可再生的、無污染的替代能源，是未來能源利用的大趨勢。而太陽能轉(zhuǎn)換技術(shù)，則以其高效率、低成本、無污染和不受地域限制等一系列優(yōu)點(diǎn)，受到各國科學(xué)家的一致青睞。1839年，法國物理學(xué)家Becquerel發(fā)現(xiàn)光伏現(xiàn)象，可以視為太陽能電

2、池發(fā)展的肇始理論。1954年建立來第一個基于半導(dǎo)體的p-n光輻照注入電子的原理的太陽能電池，其工作原理如圖1.3所示。在光照射下，N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體分別產(chǎn)生載流子e’和h·，在內(nèi)電場作用下，電子經(jīng)過外電路與正極端的空穴復(fù)合，形成外電路中有電流形成。太陽光輻照接觸架電場電子通過后接觸與空穴復(fù)合，完成回路圖1.1半導(dǎo)體太陽能電池工作原理示意這種太陽能電池材料經(jīng)歷了兩代研發(fā)。第一代材料基本上以硅技術(shù)為主，尤其是單晶硅，也包括GaAs和InGaP。這種技術(shù)現(xiàn)在已經(jīng)相當(dāng)成熟，理論效率達(dá)到27%，但是，它昂貴的原料純化過程卻妨害了它的應(yīng)用。據(jù)估測，原料成本大約占了第一代太陽能電池的總成本的

3、70%，這使得其生產(chǎn)成本的降低和效率超過16%時(shí)其轉(zhuǎn)化率的提高變的幾乎不可能；第二代材料則以更為經(jīng)濟(jì)的薄膜材料為基礎(chǔ)，包括由CVD（化學(xué)氣相淀積）或者其他膜增長技術(shù)生產(chǎn)的無定型硅和多晶CdS、InSe、CuInSe2和CdTe等。該類電池，雖然比單晶原料花費(fèi)的成本低的多，但其效率一般只能達(dá)到15%，據(jù)報(bào)道最大效率也只能達(dá)到18%（Cu(In,Ga)Se2），遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于單晶材料太陽能電池，而且大多具有很高的毒性。毫無疑問，高效率低成本且環(huán)保的太陽能電池將是未來主流的太陽能電池發(fā)展方向。1991年，瑞士洛桑高等學(xué)院Gr?tzel教授研究小組發(fā)展了一種基于吸附染料光敏化劑的納米晶體TiO2

4、多孔膜的新型光化學(xué)電池。由于TiO2無毒、穩(wěn)定、抗腐性能好，且其光電轉(zhuǎn)換效率可達(dá)10%，是一種較有發(fā)展前途的光電轉(zhuǎn)換技術(shù)，已引起了全世界人們的關(guān)注。近年來，這種基于染料敏化的納米晶光電池的轉(zhuǎn)換效率已達(dá)到13%以上。這種電池，不同于傳統(tǒng)的太陽能電池，是一種全新類型的電池，稱作染料敏化太陽能電池（dye-sensitizedsolarcell，DSSC）。DSSC的基本結(jié)構(gòu)如圖45.2所示，它主要由透明--Pt導(dǎo)電玻璃、多孔納米TiO2膜、染料光敏化劑（S）、含有氧化還原電對（I/I3）的電解質(zhì)溶液和對電極組成。其工作原理為：當(dāng)能量低于半導(dǎo)體二氧化鈦禁帶寬度、等于染料分子特征吸收波長的

5、入射光照射在染料敏化納米TiO2的負(fù)極上時(shí)，染料分子中電子受激躍遷至激發(fā)態(tài)（TiO2/S*），然后將電子快速注入到二氧化鈦導(dǎo)帶內(nèi)，此時(shí)染料分子自身轉(zhuǎn)變成氧+化態(tài)（TiO2/S）。注入到二氧化鈦層的電子富集到導(dǎo)電薄膜上，并通過外電路流向?qū)﹄姌O-?正極。電解質(zhì)溶液中的氧化還原電對中的還原型（I）從正極接受電子被氧化成氧化型（I）,3后者擴(kuò)散到負(fù)極將氧化態(tài)敏化分子還原成還原態(tài)（TiO2/S）。這樣，就完成了一個光化學(xué)循環(huán)，在電池外電路中形成電流，不斷地將太陽能轉(zhuǎn)換為電能。光電化學(xué)反應(yīng)循環(huán)過程的相關(guān)光電化學(xué)反應(yīng)方程式在圖1.2右側(cè)給出。染料敏化TiO2電極Pt導(dǎo)電玻璃敏化劑1-1電解質(zhì)溶液

6、1-21-31-41-51-6圖1.2DSSC的結(jié)構(gòu)和光電轉(zhuǎn)換原理由DSSC的工作原理可見，其核心材料是染料敏化半導(dǎo)體氧化物構(gòu)成的負(fù)極電極材料以及含有氧化還原電對的液體電解質(zhì)。半導(dǎo)體氧化物多采用TiO2微晶。TiO2晶粒是一種禁帶寬度為3.2eV的寬禁帶半導(dǎo)體，由填滿電子的低能價(jià)帶（valenceband,VB）和空的高能導(dǎo)帶(conductionband,CB)構(gòu)成。當(dāng)光照射在TiO2晶粒表面時(shí)，能量大于或等于3.2eV的光子可激發(fā)價(jià)帶電子向?qū)кS遷，形成電子-空穴對。即hv·TiO2??→e’+h(1-7)活潑的電子和空穴可以分別從半導(dǎo)體的導(dǎo)帶（CB）和價(jià)帶（VB）遷移至半導(dǎo)體

7、/吸附物界面。正因?yàn)槿绱耍贒SSC中，要求敏化劑的激發(fā)能量不能高于TiO2的禁帶寬度。敏化染料研究的最多，其種類包括過渡金屬配位化合物、葉綠素、花青素、類胡羅卜素、香豆素等。圖1.3給出了其中3類敏化劑的分子結(jié)構(gòu)，（a）為聯(lián)吡啶釕絡(luò)合物，即Gr?tzel研究團(tuán)隊(duì)研發(fā)的所謂“N3”敏化劑，轉(zhuǎn)化效率可達(dá)10.8%，成為敏化劑研究的“記錄”；（b）為很有應(yīng)用前景的卟啉或金屬卟啉；（c）為聚噻吩類純有機(jī)染料。SCSCOOHCNNNRuNNNCOOHHOOCCOOH（a）金屬