染料敏化太阳能电池dye-sensitized solar cell

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1、染料敏化太阳能电池在网上找到的染料敏化太阳能电池示意图染料敏化太阳能电池（DSSC,DSC或DYSC[1])是一种低成本太阳能电池，其属于薄膜太阳能电池的一种[2]。它是基于在一个光敏阳极和电解质之间形成一个半导体，是一个光电化学系统。这种电池又称Grätzel电池，在1991年由洛桑联邦理工学院的Grätzel和BrianO'Regan发明[3]。Grätzel荣获2010年千禧技术发明奖[4]。因为它所需要的原材料成本比较低，而且制造设备不需要很复杂，所以这种电池在技术上是很有吸引力的。同样，产品价格显著低于以往的固态电池。它也可以被设计成柔韧的薄片和大的机械强度，无需保

2、护结构。虽然其转换效率不是薄膜电池中最好的，理论上其价格/性能比（千瓦时/（平方米·年·美元））足够高，使它们能够与化石燃料发电实现电网平价竞争。由于染料敏化电池化学稳定性不高，所以其商业应用不太好[5]，欧盟光伏设计联盟预测，到2020年可再生能源发电将得到显著发展。半导体太阳能电池传统的固态半导体太阳能电池是由两个不同掺杂类型的半导体组成，其中n型掺杂半导体中含有“额外”电子，p型掺杂半导体缺乏“自由电子”。当n型半导体与p型半导体接触时，有载流子流动，n型半导体中的自由电子流动到p型半导体中，p型半导体中的空穴流动到n型半导体中，这样在n型和p型半导体接触区间形成一个势

3、垒，把其称为空间电荷区。硅的这种电子转移势垒约为0.6~0.7V[6]。当把其放置在阳光下，太阳光的光子可以激发n型半导体的电子到P型半导体一侧，这一过程称为光致激发。在硅片上，阳光可以提供足够的能量将能量较低的价带电子激发到能量较高的导带上。顾名思义，导带中的电子可以自由移动。当给电池用导线连接一个负载，那么在p型半导体一侧积累的电子通过外部电路流动，电量消耗在外部，这时p型和n型之间的势垒宽度变小，当太阳光继续激发半导体，又使电子由n型流向p型使势垒强度变大，然后p型积累的电子继续通过外部电路流动消耗，上述过程反复进行，就是半导体电池的工作原理。任何半导体都是通过吸收足够

4、能量激发自由电子通过带隙的手段产生电流。在硅半导体电池中，有足够能量的从红色到紫色的可见光来实现这一目标。不幸的是更高能量的光子，这些光谱中蓝色和紫色的光子，有足够的能量使电子穿越带隙;虽然这些光子把一部分能量转移到了电子，但其中大部分能量都以热能形式损耗。另一个问题是，为了有一个合理的机会捕捉光子，n型半导体层要相当厚。这也增加了在n型半导体一侧新激发的电子会与PN结以前形成的空穴相撞复合的机率增大。这些会影响硅太阳能电池的效率上限，目前通用模块电池的转换效率为12~15％，实验室最好的电池高达25％（单带隙的太阳能电池理论上最大的效率约30％）。到目前为止，传统方法的最大

5、的问题是成本，硅太阳能电池要求比较厚的硅基体，以便有合理的光子捕获效率，单晶硅的制造和硅的后续处理是昂贵的。在过去十年中已经有一些其它的方法替代单晶硅的方法用以减少成本，特别是薄膜的方法，但迄今为止，由于各种实际问题的制约限制了其它方法的实际应用。经过大量的研究薄膜电池可以通过多结的方式使转换效率得到极大地提高，虽然这些电池成本非常高，但适用于大型商业的部署。薄膜太阳能电池适用于屋顶部署，到目前为止薄膜太阳能电池的效率没有明显的改变，但是由于供应量的增加，其制造成本有所下降。染料敏化太阳能电池染料敏化电池（又称DSC或DSSC）具有分子染料，染料像绿叶中的叶绿素一样吸收阳光，

6、染料覆盖了纳米二氧化钛多孔层。二氧化钛浸泡在电解质溶液下面，上面是金属铂基材料催化剂。作为一个传统的碱性电池，阳极（二氧化钛）和阴极（铂金）被放置在液态导体（电解质）的两侧。阳光通过透明电极到达染料层，在染料层激发电子，然后电子流到二氧化钛层。电子通过透明电极流向外电路为负载设备供电。电流流经外部电路后，它们重新进入电池背面的金属电极，然后流入电解液，然后流入染料分子。染料敏化电池比传统的硅基电池多两个功能。硅不但提供光电子，而且还分离电荷提供电流。在染料敏化太阳能电池中，半导体基本是用于电荷传输的，而光敏染料是专门提供光电子的。在染料，半导体和电解质之间的表面上发生电荷分离

7、。因为染料分子相当小（纳米级别），所以，吸收入射光的染料分子层需要作的比较厚（其厚度大大超过了分子本身的尺寸）。为了解决这个问题，使用纳米材料作为支架，保存大量的染料分子在支架的3-D矩阵上。在现有的设计中，这个纳米支架是由半导体材料提供的。结构在Grätzel和O'Regan的设计中，染料敏化电池有3个主要部分。顶部是一个（通常是玻璃）板，板上面沉积一层透明的氟掺杂二氧化锡（SnO2：F）膜。板背面沉积一层薄薄的二氧化钛（）阳电极，它是具有极高比表面积的多孔结构形式。二氧化钛只吸收了太阳光子（紫外线）