染料敏化納米晶體太陽能電池課件

染料敏化納米晶體太陽能電池SeminarI指導(dǎo)教師：辛勤研究員孫公權(quán)研究員2004.04.12學(xué)生：李煥巧DMFC-305

主要內(nèi)容研究背景工作原理研究進展

研究背景傳統(tǒng)化石能源能源枯竭

石油：42年，天然氣：67年，煤：200年。環(huán)境污染

每年排放的二氧化碳達210萬噸，并呈上升趨勢，造成全球氣候變暖；空氣中大量二氧化碳，粉塵含量己嚴(yán)重影響人們的身體健康和人類賴以生存的自然環(huán)境?？稍偕茉矗?/p>

風(fēng)能；水能；地?zé)?；潮汐；太陽能等具有明顯的區(qū)域性中華人民共和國國家發(fā)展和改革委員會

《中國新能源與可再生能源發(fā)展規(guī)劃1999白皮書》

傳統(tǒng)化石能源能源枯竭

石油：42年，天然氣：67年，煤：200年。環(huán)境污染

每年排放的二氧化碳達210萬噸，并呈上升趨勢，造成全球氣候變暖；空氣中大量二氧化碳，粉塵含量己嚴(yán)重影響人們的身體健康和人類賴以生存的自然環(huán)境?？稍偕茉矗?/p>

風(fēng)能；水能；地?zé)?；潮汐；太陽能等中華人民共和國國家發(fā)展和改革委員會

《中國新能源與可再生能源發(fā)展規(guī)劃1999白皮書》

太陽能電池按照所用材料的不同：硅太陽能電池(單晶硅、多晶硅、非晶硅）

（光電轉(zhuǎn)化效率高，成本高，制備工藝復(fù)雜?。┮詿o機鹽如砷化鎵、硫化鎘、銅銦硒等多元化合物為材料的電池（鎘：劇毒。銦、硒：稀有元素）功能高分子材料制備的大陽能電池（處于研發(fā)初期、轉(zhuǎn)化效率低、使用壽命短）染料敏化納米晶體太陽能電池（正在研發(fā)）

Table1PerformancesofMainSolarCellsM.Gr?tzel,Photoelectrochemicalcells,Nature2001(414),338TypeofcellEfficiency(%)ResearchandtechnologyneedsCellModuleCrystallinesilicon2410-15Higherproductionyields,loweringofcostandenergycontentMulticrystallinesilicon189-12LowermanufacturingcostandcomplexityAmorphoussilicon137Lowerproductioncosts,increaseproductionvolumeandstabilityCuInSe21912Replaceindium(tooexpensiveandlimitedsupply),replaceCdSwindowlayer,scaleupproductionDye-sensitizedsolarcells10-117Improveefficiencyandhigh-temperaturestability,scaleupproductionBipolarAlGaAs/Siphotoelectrochemicalcell19-20-Reducematerialscost,saleupOrganicsolarcell2-3-ImprovestabilityandefficiencyMargolisandKammen,Science285,690(1999)EfficiencyofPhotovoltaicDevices195019601970198019902000510152025Efficiency(%)YearcrystallineSiamorphousSinanoTiO2CIS/CIGSCdTe

優(yōu)點制成透明的產(chǎn)品，應(yīng)用范圍廣；在各種光照條件下使用；

光的利用效率高；對光陰影不敏感；可在很寬溫度范圍內(nèi)正常工作……

電池結(jié)構(gòu)

染料敏化納米晶體太陽能電池（DSSCs）（或稱Gr?tzel型光電化學(xué)太陽能電池）主要包括鍍有透明導(dǎo)電膜的玻璃基底，染料敏化的半導(dǎo)體材料、對電極以及電解質(zhì)等幾部分。陽極：染料敏化半導(dǎo)體薄膜陰極：鍍鉑的導(dǎo)電玻璃電解質(zhì)：I3-/I-

TiO2膜:5~20um,1~4mg/cm2導(dǎo)電玻璃：8~10Ω/□工作原理S+hνS*

S*S++e-CB(TiO2)S++A-S+A

A+e-(CE)A-Voc=1/q【（Ef）TiO2－(E（R/R-）)】

iph：短路電流；Voc：開路電壓；ff：填充因子；

Is：入射光強度?？傓D(zhuǎn)化效率(輸出功率與輸入功率之比)：

評價性能的參數(shù)（二）影響電池光電轉(zhuǎn)化效率的因素采光效率電子的注入收集效率有機光敏染料的光吸收性能有機光敏材料與納米微晶半導(dǎo)體材料的能級的匹配電子在薄膜中的擴散性能研究進展敏化劑納米半導(dǎo)體材料電解質(zhì)其他方面……敏化劑分類聯(lián)吡啶金屬絡(luò)合物系列

酞菁（Phthalocyanine）系列卟啉（Porphyrin）系列純有機染料系列N3BlackdyeRef:NazeeruddinM.K.,etal.,J.Am.Chem.Soc.,1993,115,6382NazeeruddinM.K.,etal.,Chem.Commun.,1997,1705-1706聯(lián)吡啶金屬絡(luò)合物系列Ref:HagfeldtA.andGr?tzelM.,Acc.Chem.Res.,2000,33,269-277Wavelength[nm]卟啉系列和酞菁系列Ref:(1)A.Kay,M.Gratzel,etal.,J.Phys.Chem.1993,97,6272(2)M.M.ResslerandR.K.Panday,Chemtech,1998,3.39Ref:SayamaK.,etal.,Chem.Commun.,2000,1173Merocyaninederivative,Mb(18)-Nwithanoverallη=4.2%純有機染料系列（一）

---半菁染料衍生物Ref:HaraK.,etal.,NewJ.Chem.2003,27,783NKX-2311NKX-2677純有機染料系列（二）---香豆素衍生物NKX-2677Ref:HaraK.,etal.,NewJ.Chem.2003,27,783NKX－2677性能納米半導(dǎo)體材料

金屬硫化物、金屬硒化物、鈣鈦礦以及鈦、錫、鋅、鎢、鋯、鉿、鍶、鐵、鈰等的氧化物均可用作DSSCs的中的半導(dǎo)體材料.

1999年,Guo（1）報道了Nb2O5染料敏化的太陽能電池.

2000年,Poznyak（2）等人還報道了納米晶體In2O3薄膜電極的光電化學(xué)性質(zhì).在國內(nèi),目前北京大學(xué)的研究者（3）們對各種染料敏化納米薄膜研究得較多。在這些半導(dǎo)體材料中,TiO2,ZnO和SnO2的性能較好.Ref（1）GuoP,AegenterMA..ThinSolidFilm,1999,351:290（2）PoznyakSK,KulakAElectrochimicaActa,2000,45:1595（3）李斌等，感光科學(xué)與光化學(xué),2000，18，336納米TiO2薄膜極材料ScanningelectronmicrographofthesurfaceofamesoporousanatasefilmpreparedfromahydrothermallyprocessedTiO2colloid.Theexposedsurfaceplaneshavemainly{101}orientation.Porosity:50%.Averageporesize:15nm;制備方法：溶膠凝膠法；水熱反應(yīng)法；濺射法；醇鹽水解法；濺射沉積法；等離子噴涂法；絲網(wǎng)印刷法等微觀結(jié)構(gòu)（孔徑氣孔率）Ref：O’ReganB.andGr?tzelM.,Nature,1991,353,737

固態(tài)空穴傳輸材料

Gr?tzel等人在1998年用2,2’,7,7’-四(N,N-二對甲氧基苯基氨基)-9,9’-螺環(huán)二芴(OMeTAD,如下圖所示)作為空穴傳輸材料,得到了單色效率高達33%的電池。

BachU,LupoD,ComteP,etal.Nature,1998,395:583面臨的主要問題染料問題（現(xiàn)在公認(rèn)使用效果較好的N3制備過程較復(fù)雜,因而價格也比較昂貴。因此,尋找低成本而性能良好的染料成為當(dāng)前研究的一個熱點）納米材料（如何