染料敏化太阳能电池的设计

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1、Abstract摘要太阳能是新能源开发利用最活跃的领域。目前市场上的太阳能电池主要是单晶硅和多晶硅两种。但这两种太阳能电池最大的问题在于工艺条件苛刻，制造成本过高，不利于广泛应用。而上世纪90年代出现的纳米TiO2有机半导体复合太阳能电池和有机/聚合物太阳能电池，工艺条件简单，成本较低，有可能成为21世纪太阳能电池的新贵。染料敏化太阳能电池价格相对低廉，制作工艺简单，拥有潜在的高光电转换效率，染料敏化太阳能电池极有可能取代传统硅系太阳能电池，成为未来太阳能电池的主导。关键词：太阳能电池、染料敏化、二氧化钛、纳米TiO2目录目录摘要I目录II第一章概

2、述11.1染料敏化太阳能电池概述11.1.1染料敏化太阳能电池概念11.1.2染料敏化太阳能电池的发展状况11.1.3染料敏化太阳能电池的前景和困难2第二章染料敏化太阳能电池的工作机理42.1染料敏化太阳电池的结构与原理42.1.1染料敏化太阳能电池结构42.1.2染料敏化太阳电池的原理42.2染料敏化太阳能电池各组成部分的进展52.2.1光阳极材料52.2.2光阴极材料72.2.3电解质72.2.4敏化剂82.3染料敏化太阳能电池有潜力的几类82.3.1染料敏化纳米晶太阳能电池82.3.2纤维状无TCO染料敏化太阳能电池82.3.3利用有机物来提

3、高转换效率9第三章染料敏化太阳能电池的制作过程103.1染料敏化太阳能电池的制作步骤103.1.1二氧化钛膜的制备103.1.2利用天然染料把二氧化钛膜着色123.1.3制作反电极123.1.4组装电池133.1.5注入电解质13第四章染料敏化纳米晶太阳能电池154.1光电化学性质的测试装置及几个重要参数154.1.1两电极光化学电池154.1.2电流-电压特性154.1.3半导体的导带及价带电位的测试16第五章总结与展望19总结19展望19致谢20参考文献21III目录III概述第一章概述1.1染料敏化太阳能电池概述1.1.1染料敏化太阳能电池概

4、念染料敏化太阳电池(dye—sensitizedsolarcell，DSSC)主要是模仿光合作用原理，研制出来的一种新型太阳电池，其主要优势是：原材料丰富、成本低、工艺技术相对简单，在大面积工业化生产中具有较大的优势，同时所有原材料和生产工艺都是无毒、无污染的，部分材料可以得到充分的回收，对保护人类环境具有重要的意义。但光电转换效率较低等问题阻碍了其广泛应用。光阳极的性质直接影响DSSC光电转换的能力和效率，研究制备高效的光阳极是该领域迫切需要研究的重点问题。染料敏化纳米晶太阳能电池DSSCs（Namo-CrystallionDye-Sensiti

5、zedSolarCells），主要由制备在导电玻璃或透明导电聚酯片上的纳米晶半导体薄膜、敏化剂分子、电解质和对电极组成，其中制备在导电玻璃或透明导电聚酯片上的纳米晶半导体薄膜构成光阳极。完全不同于传统硅系结太阳能电池的装置，染料敏化太阳能电池的光吸收和电荷分离传输分别是由不同的物质完成的，光吸收是靠吸附在纳米半导体表面的染料来完成，半导体仅起电荷分离和传输载体的作用，它的载流子不是由半导体产生而是由染料产生的。1.1.2染料敏化太阳能电池的发展状况进入20世纪以来,伴随着人类工业文明的迅速发展,煤、石油、天然气等矿物资源日益枯竭,由此引发的能源危机

6、和环境污染已成为亟待解决的严重问题.因此人们迫切需要寻找其他新的可替代能源.太阳能具有取之不尽、用之不竭、安全可靠、无污染、不受地理环境制约等诸多优点,愈来愈受到广泛重视.自20世纪60年代起，科学家发现染料吸附在半导体上，在一定条件下能产生电流，这种现象成为光电化学电池的重要基础。20世纪70年代到90年代，科学家们大量研究了各种染料敏化剂与半导体纳米晶光敏化作用，研究主要集中在平板电极上，这类电极只有表面吸附单层染料，光电转换效率小于1%。直到1991年，瑞士洛桑高等工业学院Gr.tzel研究小组将高比表面积的纳米晶多孔TiO2膜作半导体电极引

7、入到染料敏化电极的研究当中，这种高比表面积的纳米晶多孔TiO2组成了海绵式的多孔网状结构，使得它的总表面积远远大于其几何面积，可以增大约1000～2000倍，能有效地吸收阳光，使得染料敏化光电池的光电能量转换率有了很大提高，其光电能量转换率可达7.1%，入射光子电流转换效率大于80％。25概述1993年，Gr.tzel等人再次报道了光电能量转换率达10%的染料敏化纳米太阳能电池，1997年，其光电能量转换率达到了10%~11%。1998年，Gr.tzel等人采用固体有机空穴传输材料替代液体电解质的全固态染料敏化纳米晶太阳能电池研制成功，转换效率只有

8、0.74%，但在单色光下其电转换效率达到33%，从而引起了全世界的关注。2004年，韩国JongHakKim等使用复合聚合