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1、 1991 年,ORegan 等首次組裝出光電轉(zhuǎn)換效率達(dá) 7.17.9的染料敏化納米晶太陽(yáng)能電池 (Nano-crystalline Dye-sensitized Solar Cells,DSSCs),開(kāi)創(chuàng)了太陽(yáng)能電池研究和發(fā)展的全新領(lǐng)域。 染料敏化太陽(yáng)能電池以其成本廉價(jià),制作工藝簡(jiǎn)單受到學(xué)術(shù)界的廣大關(guān)注。2012/4/8報(bào)告主要內(nèi)容:染料敏化太陽(yáng)能電池的結(jié)構(gòu)及其原理衡量器件特性的相關(guān)參數(shù)研究現(xiàn)狀2012/4/81.1染料敏化太陽(yáng)能電池結(jié)構(gòu) 染料敏化太陽(yáng)能電池主要由制備在導(dǎo)電玻璃或透明導(dǎo)電聚酯片上的 半 導(dǎo) 體 薄 (如 TiO2,ZnO,Nb2O5,SnO2等一系列寬禁帶半導(dǎo)體材料)、敏化劑

2、分子、電解質(zhì)和對(duì)電極 4 部分構(gòu)成:2012/4/81.2染料敏化太陽(yáng)能電池的原理 最具代表性的染料敏化太陽(yáng)能電池是Gratzel 電池,其工作原理如圖中實(shí)線(xiàn)箭頭所示。由于TiO2帶隙為3.2eV,可見(jiàn)光不能將其激發(fā),所以在TiO2表面吸附一層對(duì)可見(jiàn)光吸收特性良好的敏化劑。2012/4/81.2染料敏化太陽(yáng)能電池的原理 在可見(jiàn)光的作用下,敏化劑分子通過(guò)吸收光能躍遷到激發(fā)態(tài),由于激發(fā)態(tài)不穩(wěn)定,敏化劑分子與TiO2表面發(fā)生相互作用,電子很快躍遷到較低能級(jí)的TiO2導(dǎo)帶,進(jìn)入TiO2導(dǎo)帶中的電子最終進(jìn)入ITO導(dǎo)電膜,然后通過(guò)外回路產(chǎn)生光電流。氧化態(tài)的染料敏化劑被電介質(zhì)還原回到基態(tài),還原態(tài)的電解質(zhì)被從

3、陰極進(jìn)入的電子還原回到原來(lái)的狀態(tài),如此構(gòu)成了一個(gè)循環(huán)。2012/4/81.2染料敏化太陽(yáng)能電池的原理具體過(guò)程如下:基態(tài)染料 (S) + h 激發(fā)態(tài)染料(S*) ( 染料激發(fā) )激發(fā)態(tài)染料 (S*) + Ti O2 e-(T iO2導(dǎo)帶)+ 氧化態(tài)染料 ( S+) (光電流產(chǎn)生)氧化態(tài)染料(S+)+還原態(tài)電解質(zhì)(R-) 基態(tài)染料 (S) +氧化態(tài)電解質(zhì)(R) (燃料還原)氧化態(tài)電解質(zhì)(R)+e-(陰極) 還原態(tài)電解質(zhì)(R-) (電解質(zhì)還原)2012/4/81.2染料敏化太陽(yáng)能電池的原理 從光電轉(zhuǎn)換基本原理中可以看出,電子能級(jí)的相對(duì)位置決定著光電荷的產(chǎn)生和傳輸性質(zhì),電池中光的捕獲和光生載流子的傳輸

4、是由光敏化劑和TiO2分別執(zhí)行。這和傳統(tǒng)的p-n結(jié)光伏電池不同,因?yàn)樵诠夥姵刂羞@兩種作用均由半導(dǎo)體來(lái)完成。2012/4/82染料敏化太陽(yáng)能電池的特性參數(shù) 2.2 開(kāi)路電壓Voc 當(dāng)電池外回路處于開(kāi)路狀態(tài)時(shí),光生少子將在電極附近積累,最大程度的補(bǔ)償原來(lái)的接觸電勢(shì),此時(shí)將產(chǎn)生最大數(shù)值的光生電動(dòng)勢(shì),即電池的光生電動(dòng)勢(shì)Voc。2012/4/82染料敏化太陽(yáng)能電池的特性參數(shù)2.4 填充因子FF FF定義為電池所能提供的最大功率與Isc 、Voc乘積之比。2012/4/83染料敏化太陽(yáng)能電池的現(xiàn)狀3.1 TiO2納米多孔膜TiO2納米多孔膜的制備方法有很多,主要有:括溶膠凝膠法、水熱反應(yīng)法、醇鹽水解法、

5、濺射沉積法、等離子噴涂法、絲網(wǎng)印刷法等。 溶膠凝膠法主要是將前驅(qū)物溶于溶劑中形成均勻的溶液, 溶質(zhì)與溶劑產(chǎn)生水解或醇鹽反應(yīng), 反應(yīng)生成物聚集成納米級(jí)粒子并組成溶膠。然后就可以選用多種方法, 如通過(guò)玻璃棒涂覆、旋涂、提拉等方式將溶膠覆蓋在襯底上, 再經(jīng)蒸發(fā)干燥或自然烘干轉(zhuǎn)變成凝膠成膜。2012/4/83染料敏化太陽(yáng)能電池的現(xiàn)狀3.2染料敏化劑 染料性能的好壞直接關(guān)系到DSC s電池的效率高一個(gè)好的染料敏化劑必須滿(mǎn)足下列條件:容易吸附在T iO2 表面, 對(duì)可見(jiàn)光吸收強(qiáng)。具有基態(tài)和激發(fā)態(tài)的高穩(wěn)定性, 保證電子傳輸?shù)母咝?。激發(fā)態(tài)壽命足夠長(zhǎng), 且具有很高的電荷傳輸效率。有適當(dāng)?shù)难趸€原電勢(shì),以保證染

6、料激發(fā)態(tài)電子注入到T iO2 導(dǎo)帶中, 即敏化染料能級(jí)與T iO2 能級(jí)匹配。2012/4/83染料敏化太陽(yáng)能電池的現(xiàn)狀3.3 電解質(zhì) DSC s電池中電解液的主要作用就是在光電極與對(duì)電極之間運(yùn)載電荷, 并使氧化態(tài)染料還原而重生。目前用于DSCs的電解質(zhì)有兩大類(lèi): 液態(tài)電解質(zhì)和固態(tài)電解質(zhì)。由于液態(tài)電解質(zhì)擴(kuò)散速率快, 組成成分易調(diào)節(jié), 對(duì)納米多孔膜的滲透性好, 因而利用液態(tài)電解質(zhì)得到了效率最高的DSC s電池, 其轉(zhuǎn)換效率為11. 04 %。目前固態(tài)電解質(zhì)典型的有P型半導(dǎo)體材料、空穴傳輸有機(jī)分子材料及固態(tài)復(fù)合電解質(zhì)。2012/4/83染料敏化太陽(yáng)能電池的現(xiàn)狀 近年來(lái),主要從以下幾方面入手來(lái)提高燃

7、料敏化太陽(yáng)能電池的性能:敏化燃料的選擇。公認(rèn)使用效果最好的染料RuL2 ( SCN ) 2的制備過(guò)程比較復(fù)雜, 而釕是稀有金屬, 價(jià)格較昂貴, 來(lái)源也比較困難。其次, 現(xiàn)有的染料光敏化劑的吸收光譜有限, 若能找到具有吸收范圍更寬的染料光敏化劑, 有助于提高光電轉(zhuǎn)換效率。2012/4/83染料敏化太陽(yáng)能電池的現(xiàn)狀 納米薄膜制備。電子在納米晶體網(wǎng)格中的傳輸過(guò)程中與電子受體的復(fù)合會(huì)引起電流損失, 這個(gè)問(wèn)題在電極面積放大時(shí)尤為嚴(yán)重。因此, 需要在探索電極微結(jié)構(gòu)與光電性質(zhì)的基礎(chǔ)上, 優(yōu)化納米晶膜, 使注入電子在傳輸過(guò)程中的損失達(dá)到最小, 探索多種半導(dǎo)體的復(fù)合膜是今后的主要研究?jī)?nèi)容。2012/4/8The

8、 effects of 100nm-diameter Au nanoparticles on dye-sensitized solar cells 99-253107在不同的Au/TiO2的質(zhì)量比時(shí)電流密度-電壓特性2012/4/8The effects of 100nm-diameter Au nanoparticles on dye-sensitized solar cells 99-253107在不同的Au/TiO2的質(zhì)量比時(shí)的IPCE光譜圖2012/4/8The effects of 100nm-diameter Au nanoparticles on dye-sensitized solar cells 99-253107燃料吸附以后薄膜的漫反射以及吸收2012/4/8The effects of 100nm-diameter Au nanoparticles on dye-sensitized solar cells 99-253107薄膜反射、吸收、投射率比較2012/4/8Low temperature processing solid-state dye sensitized solar cells 100-

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