染料敏化太陽能電池答辯資料

1、新生化學挑戰(zhàn)賽A5組 李磊 王立豐 王瑞主講人：王立豐染料敏化太陽能電池12 3 工業(yè)誕生背景4 產(chǎn)品優(yōu)越性工作相關原理 當今瓶頸問題染料敏化太陽能電池在能源危機日益加深的今天，由于化石能源的不可再生；氫能利用中的儲氫材料問題依然沒有解決；核能、風能利用難以大面積推廣；太陽能作為另一種可再生清潔能源足以引起人們的重視。利用太陽能，已經(jīng)是各相關學科一個很重要的方向。化石能源核能風能太陽能1 工業(yè)誕生背景能源危機問題1 工業(yè)誕生背景單晶硅太陽能電池1991年之前，人們對太陽能的利用停留在利用半導體硅材料太陽能電池上，這種太陽能電池雖然已經(jīng)達到了超過25%的轉化效率但是它的光電轉化機理要求材料達到高

2、純度且無晶體缺陷，再加之硅的生產(chǎn)價格居高，這種電池在生產(chǎn)應用上遇到了阻力1 工業(yè)誕生背景新型太陽能電池1991年，瑞士的Gr tzel教授小組做出了染料敏化太陽能電池，他們的電池基于光合作用原理，以羧酸聯(lián)吡啶釕配合物為敏化染料，以二氧化鈦納米薄膜為電極，利用二氧化鈦材料的寬禁帶特點，使得吸收太陽光激發(fā)電子的區(qū)域和傳遞電荷的區(qū)域分開，從而得到了7.1%的高光電轉換效率，這種電池目前轉換效率已高達15%。2工作相關原理染料敏化太陽能電池主要由納米多孔半導體薄膜、染料敏化劑、氧化還原電解質、對電極和導電基底等幾部分組成。納米多孔半導體薄膜通常為金屬氧化物(TiO2、SnO2、ZnO等)，聚集在有透明

3、導電膜的玻璃板上作為負極。對電極作為還原催化劑，通常在帶有透明導電膜的玻璃上鍍上鉑。敏化染料吸附在納米多孔二氧化鈦膜面上。正負極間填充的是含有氧化還原電對的電解質，最常用的是I/I3。染料敏化太陽能電池 2工作相關原理1）當能量低于半導體的禁帶寬度且大于染料分子特征吸收波長的入射光（h）照射到電極上時，吸附在電極表面的基態(tài)染料分子（D）中的電子受激躍遷至激發(fā)態(tài)。 D + h D* （染料激發(fā)） （1-1） 2）激發(fā)態(tài)染料分子(D*)將電子注入到半導體導帶中，此時染料分子自身轉變氧化態(tài)。 D* D+ + e- Ecb （1-2） 3）處于氧化態(tài)的染料分子（D+）則通過電解質（I-/I3-）溶液中

4、的電子給體（I-），自身恢復為還原態(tài)，使染料分子得到再生。3I- + 2D+ 2D + I3-（染料還原） （1-3）染料敏化納米TiO2太陽能電池工作原理染料敏化太陽能電池 2工作相關原理4）注入到半導體導帶中的電子與氧化態(tài)的染料發(fā)生復合反應：D+ + e- D（電子復合） （1-4） 5）注入到半導體導帶中的電子與電解液中的I3-發(fā)生復合反應：I3- + 2e- 3I-（暗電流） （1-5） 6）電解質溶液中的電子供體I-提供電子后成為I3-，擴散到對電極，在電極表面得到電子被還原： I3- + 2e- 3I-（電解質被還原） （1-6） 000 7）注入半導體導帶的電子被收集到導電基片，

5、并通過外電路流向對電極，形成電流。染料敏化納米TiO2太陽能電池工作原理染料敏化太陽能電池 2工作相關原理其中，反應（1-4）的反應速率越小，電子復合的機會越小，電子注入的效率就越高；因此，第（1-4）步導帶電子與氧化態(tài)染料的復合是研究電解質溶液的核心內(nèi)容之一。染料敏化納米TiO2太陽能電池工作原理染料敏化太陽能電池 染料敏化太陽能電池效率, 1993, 10染料敏化太陽能電池效率, 2011, 12.3染料敏化太陽能電池效率, 2014, 13染料敏化太陽能電池效率, 2016, 150510152025301993201120142016染料敏化太陽能電池效率（%）染料敏化太陽能電池效率D

6、SC 與傳統(tǒng)的太陽電池相比有以下一些優(yōu)勢：（1）壽命長：使用壽命可達 15-20 年;（2）結構簡單、易于制造，生產(chǎn)工藝簡單，易于大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn);（3）制備電池耗能較少，能源回收周期短;（4）生產(chǎn)成本較低，僅為硅太陽能電池的 1/51/10，預計每蜂瓦的電池的成本在10 元 以內(nèi);（5）生產(chǎn)過程中無毒無污染;這一新型太陽電池有著比硅電池更為廣泛的用途：（1）可用塑料或金屬薄板使之輕量化， 薄膜化;（2）可使用各種色彩鮮艷的染料使之多彩化;（3）可設計成各種形狀的太陽能電池使 之多樣化?？傊玖厦艋{米晶太陽能電池有著十分廣闊的產(chǎn)業(yè)化前景，是具有相當廣泛應染料敏化太陽能電池 電解質問題染料敏化

7、太陽能電池的發(fā)展?jié)摿︼@而易見，但現(xiàn)在大多數(shù)染料敏化太陽能電池采用液態(tài)電解質，其電極腐蝕、電解液泄露、壽命短等一系列問題還有待解決。尋找合適的固態(tài)空穴傳輸材料來代替液態(tài)電解質，制備全固態(tài)的染料敏化太陽能電池將是一個重要的研究方向。對電極問題對電極在反應中起著收集外電路電子和催化還原I、再生I的作用。對電極必須具有優(yōu)異的電子傳導能力和高催化活性，目前，Pt仍是最佳的催化材料，但由于Pt是貴金屬，成本當然高，當前的碳對電極 、導電聚合物制作的電極較好的解決了此問題，但尋找合適的催化材料來降低成本同時又要具有較高催化效率仍是面臨的主要任務染料敏化太陽能電池 敏化材料問題染料分子被稱為電池中的光子馬達，正是它對光子的響應才驅動了整個器件的運作。以銳鈦礦型以銳鈦礦型TiO2為例為例，其禁帶寬度為3.2eV，僅對紫外光有響應，只有通過染料敏化才能實現(xiàn)對可見光的吸收，同時高效率的染料必須同時具備以下特征:能夠與TiO2表面形成牢固的