染料敏化纳米太阳能电池的研究

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1、五邑大学第九届“挑战杯”广东省大学生课外学术科技参赛作品染料敏化纳米太阳能电池的研究罗观和覃旭豪赵剑伟卓小玲（五邑大学化学工程与工艺专业　广东江门529020）指导老师:五邑大学纳米材料与薄膜研究所王忆教授、博士摘要：本实验采用价格低廉的酞菁为染料光敏化剂、用溶胶-凝胶法制备了纳米多孔二氧化钛薄膜，同时采取改进的技术方法制备了电解质、反电极等几个主要部分。成功制备出玻璃基染料敏化纳米晶太阳能电池片，通过优化DSCs各项关键技术和材料性能，获得了较高光电转换效率的染料电池，这为进行产业化和价格低廉化制备大面积的DSCs打下良好基础。关键词：酞菁染料敏化纳米太阳能电池

2、一、引言1991年，Grätzel教授等首次提出以染料敏化介孔TiO2薄膜为阳极的太阳能电池，称为Grätzel电池（DSSCdye-sensitizedsolarcells）。DSSC比传统的多晶硅具有成本非常低，光电转化效率较高等优点，因此成为当前光电化学电池研究的热点。Gratzel教授将纳米多孔的概念引入染料敏化宽禁带TiO2半导体研究中,采用高比表面积的纳米多孔TiO2膜作半导体电极，以羧酸联吡啶钌(Ⅱ)作染料，并选用适当的氧化还原电解质研制出一种染料敏化纳米晶太阳能光电池。这种电池的出现为光电化学电池的发展带来了革命性的创新，其光电能量转换率在AM1.

3、5模拟日光照射下可达7.1%，入射光子-电流转换效率（IPCE）大于80％，接近了多晶硅电池的转换效率，而成本仅为硅光电池的1/10，使用寿命可达15年以上。1997年，Gratzel等人再次报道使用联吡啶钌-TiO2体系的染料敏化纳米太阳能电池，短路电流为18×10-3A/cm2，开路电压为720mV，并于2001年和2004年,电池效率达到10.4%和11.04%,其转换效率可与非晶硅太阳电池相媲美。DSSC固态形式的能量转化效率已从一开始提出时的不到1%，发展到目前的2～3%，显示出良好的发展前景。目前，染料敏化半导体纳米太阳能电池研究的几个主要方向有，一是

4、通过改进TiO2半导体薄膜的制备技术、TiO2薄膜的化学修饰以及表面包覆处理等来提高DSSC的光电转化效率，二是寻找更为有效的染料敏化剂和电解质，三是研制透明高分子材料为基板的柔韧性阳极电池，以提高其应用性，四是制备高效率染料电池所需的固体电解质材料等。用透明高分子材料代替传统的玻璃基板，既可降低成本，又可增加紫外光的透过率，还可以制成特殊形状的电极。7五邑大学第九届“挑战杯”广东省大学生课外学术科技参赛作品1998年研制出的全固态纳米晶体光电池，利用固体有机空穴传输材料替代液体电解质。作为目前国际上较为热门的研究课题之一，染料敏化纳米晶太阳能电池受到了很多国家的

5、关注。国内：染料敏化纳米晶太阳能光电池研究已被列入我国"九七三"计划中。（1）中国科学院等离子体所于2004年10月建成了中国首个大面积染料敏化纳米薄膜太阳电池500瓦示范电站，由15cm×20cm的电池板组装出1.44平方米的电池方阵，光电转换效率达到5%。中科院物理所孟庆波教授小组成功研制出固体电解质，（2）中山大学研究了用于染料敏化纳米晶薄膜太阳能电池的新型电极工艺和背散射等问题。（3）复旦大学研究了基于纳米粒子复合电解质的固态纳米晶太阳能电池。（4）清华大学利用铜酞菁空穴传输材料制备了全固态染料敏化纳米TiO2太阳能电池。（5）华侨大学研究的天然色素敏化纳

6、米晶太阳能电池转化阳光为电能的效率达到2.1%。还有武汉大学、东南大学、中科院大连化学所等研究组也取得了一些可喜的研究成果。在国外，自从Grtzel在实验室研究DSC取得突破以来,DSC的研究引起了企业界人士的极大关注,专利公布生效开始即有澳大利亚、瑞士和德国等的7家公司购买了专利使用权,并投入人力、物力进行实用化和产业化研究。德国光伏研究所(INAP)和澳大利亚STA公司的产业化研究机构进行了产业化前期的探索性研究。澳大利亚STA公司在2001年5月1日,建立了世界上第一个中试规模的DSC工厂,于2002年10月完成,并建立了迄今为止独一无二的面积为200m2D

7、SC展示屋顶;瑞士EPFL、欧盟ECN研究所、日本夏普公司和东京科学大学Arakawa等在面积大于1cm2条状电池上取得与小电池相当的效,日本夏普公司和Arakawa等[8]分别报道了6.3%(265cm2,confirmed,6.3%,101cm2)和8.4%(10×10cm2)的DSC组件光电转换效率。日本日立公司、富士公司、丰田公司和日本夏普公司等在产业化研究上取得了很好的成绩,并在有机染料的探索性研究和柔性衬底DSC电池开发研究上处于世界领先地位。日本岐阜大学(GifuUniversity)[13]开发的基于二氢吲哚类有机染料敏化的电沉积纳米氧化锌薄膜的塑

8、性彩色电池