酞菁 在 染料 敏化太阳能电池中的应用

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1、酞菁在染料敏化太阳能电池中的应用摘要:文章在讲述太阳能电池的基础上，简单论述了何谓酞菁和燃料敏化太阳能电池，以及酞菁在燃料敏化太阳能电池中的运用。关键词:太阳能电池光电效应酞菁燃料敏化为了更好地了解酞菁在染料敏化太阳能电池中的应用，先来分别了解下何谓酞菁和染料敏华太阳能电池。何谓酞菁呢?酞菁是一类由8个N原子、8个C原子组成的16中心18π电子的芳香共轭体系的大环共轭配合物。它具有颜色鲜艳、生产成本较低、着色性优异、良好的光、热及化学稳定性、优异的光、电性质，在可见光区有较好的吸收以及分子结构的可调节性。除了用作传统的染料和颜料外，酞

2、菁类化合物很早就被用作太阳能电池中的光敏化剂。简单来说，太阳能电池是通过光电效应或者光化学效应直接把光能转化成电能的装置。而光电效应是电磁辐射与物质相互作用导致物质中的电子吸收光子能量而被激发的过程，亦即在光照射下介质产生光电子、电动势或光电导的现象。而光电效应又分为外光电效应(广电发射)和内光电效应(光电导)，外光电效应(光电发射)是凝聚体(固体、液体)吸收光子能量后逸出(发射)电子(光电子)的现象;内光电效应(光电导)为在光照射下介质(半导体和电介质)的载流子(电子、空穴)浓度增大而电阻减小的现象。光子能量hn0?纯物质的电导活化

3、能(能隙)Wa，电子吸收能量后从价带跃迁到导带，从而产生传导电子和空穴。n0称为光导红限。内光电效应(光电导)的特性:n-型半导体的光电导具有纯电子性;p-型半导体的光电导具有纯空穴性;物质的光电导与入射的单色光光强呈正比。但是由于光子加速电子和空穴的复合过程而降低邻区的电子浓度，因此光的强吸收使半导体的电导率减小。那就不得不讲光生伏特效应(阻挡层光电效应):是金属与半导体接触面附近由内光电效应而产生一定方向电动势的现象。该接触呈单向导电性，使得紧靠接触面的半导体层内载流子贫化。典型接触p-n结。太阳光照在半导体p-n结上，形成新的空

4、穴-电子对，在p-n结电场的作用下，空穴由n区流向p区，电子由p区流向n区，接通电路后就形成电流。这就是光电效应太阳能电池的工作原理。那么燃料敏化电池呢?染料敏化太阳能电池(dye-sensitizedsolarcell，DSSC)主要由透明Pt导电玻璃、多孔纳米TiO2膜、染料光敏化剂(S)、含有氧化还原电对(I-/I3-)的电解质溶液和对电极组成。其工作原理为:当能量低于半导体二氧化钛禁带宽度、等于染料分子特征吸收波长的入射光照射在染料敏化纳米TiO2的负极上时，染料分子中电子受激跃迁至激发态(TiO2/S*)，然后将电子快速注入

5、到二氧化钛导带内，此时染料分子自身转变成氧化态(TiO/2S+)。注入到二氧化钛层的电子富集到导电薄膜上，并通过外电路流向对电极正极。电解质溶液中的氧化还原电对中的还原型(I-)从正极接受电子被氧化成氧化型(I3-),后者扩散到负极将氧化态敏化分子还原成还原态(TiO2/S)。这样，就完成了一个光化学循环，在电池外电路中形成电流，不断地将太阳能转换为电能。由DSSC的工作原理可见，其核心材料是染料敏化半导体氧化物构成的负极电极材料以及含有氧化还原电对的液体电解质。光电池光电转换效率取决于材料对入射光的吸收率和光能-电能转换率。禁带宽度

6、(能隙)Wa是关键。Wa在0.9-1.5eV范围内的半导体太阳光电池，光能-电能转换率可达50%。那么酞菁在这方面有何特性呢?除了文章开始所叙述的酞菁独特的结构，同时酞菁环内有1个空穴,可以容纳铁、铜、钴、铝、镍、钙、钠、镁、锌等金属元素,并结合生成金属配合物。通过改变不同的金属离子可以获得不同能级的金属酞菁化合物，有利于提高太阳能电池的光电转换效率。诸如含金属离子的酞菁类配合物MPc(M2+为二价金属离子，H2Pc为自由酞菁)具有很大的三阶非线性光学响应系数，夹层稀土酞菁配合物REPc2(REn+为稀土离子)具有电致变色效应，由于π

7、-π相互作用，酞菁结晶时呈柱状排列而显示出沿柱方向的低维导电性，桥联的金属酞菁配合物在室温下具有很好的液晶相。上述酞菁和金属酞菁化合物的良好特性，表明其在燃料敏化太阳能电池里的广泛发展和运用前景，相信随着研究的日益深入，酞菁在燃料敏化太阳能中的研发进程中愈将发挥自己不可替代的作用。参考文献:《太阳能电池基础与运用》熊绍珍《太阳能电池:从原理到新概念》维费尔《太阳电池材料》杨德仁《酞菁的合成与运用》沈永嘉