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《染料敏化纳米太阳能电池-影像科学与光化学》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在工程资料-天天文库。
1、第18卷第4期感光科学与光化学Vo1.18No.42000年11月PHOTOGRAPHICSCIENCEANDPHOTOCHEMISTRYNov.,2000综述染料敏化纳米太阳能电池李斌,邱勇(清华大学化学系,北京100084)摘要:本文介绍了染料敏化纳米太阳能电池的结构和原理,对纳米TiO2膜、敏化染料、空穴传输材料的研究进展进行了综述.关键词:染料敏化;纳米薄膜;空穴传输材料;太阳能电池文章编号:10003231(2000)04033612中图分类号:O64文献标识码:A随着世界人口的急剧增加,对能源的需求量也越来越大.在20世纪70年代爆发石
2、油危机之后,太阳能的利用得到了长足的发展.太阳能作为一种可再生能源,具有其它能源所不可比拟的优点.与化石燃料相比,太阳能取之不尽,用之不竭.太阳能的使用不会破坏地球热平衡,对生态保护有利.与核能相比,太阳能更为安全,其应用不会对环境构成任何污染.与水能、风能相比,太阳能利用的花费较低,且不受地理条件限制.20世纪70年代,用于宇宙飞船的太阳能硅电池光电转换效率已经超过了25%.之后出现的半导体液结太阳能电池使用了Si、GaAs和WSe等材料.其中,单晶Si或GaAs[1]电池的转换效率超过了15%.多晶硅、无定型硅、镉碲化物半导体液结太阳能电池也相[2,3]继出现.但是这种半导体液结电池中光
3、的吸收和载流子的传输是同时进行的,为了防止电子空穴的重新复合,所用的材料必须具有很高纯度,并且没有结构缺陷.结果,严重的光腐蚀和昂贵的价格使这种电池的应用受到了一定的限制.在20世纪七八十年代,太阳能电池研究在一定程度上处于停滞阶段.[4]1991年,Gratzel等人提出了一种新型的以染料敏化二氧化钛纳米薄膜为光阳极的光伏电池,称为Gratzel电池,它以羧酸联吡啶钌()配合物为敏化染料.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,其光电转换效率在AM15模拟日光照射下可达71~79%.这种染料敏化的光电化学电池仅在一个带上产生载流子,即阳极发生光敏化后,电子注入纳
4、米TiO2导带,而空穴仍留在表面的染料上,因此,电荷的重新收稿日期:20000421;修定日期:20000607作者简介:邱勇(1964),男,清华大学化学系教授,化学博士,主要从事光化学和有机光电子方面的研究,通讯联系人,Tel:(010)62788802(office);Fax:(010)62771964;Email:qiuy@mail.tsinghua.edu.cn.3364期李斌等:染料敏化纳米太阳能电池337[5,6]复合受到限制,从而可以使用多晶的及纯度不高的材料,使成本大为降低.在此之后,[1,7~20]半导体光电化学电池再次成为研究热点.[21]1993年
5、,Gratzel等人再次报道了光电转换效率达10%的染料敏化纳米太阳能电[22]2池,1997年效率达到了10%~11%,短路电流为18mA/cm,开路电压为[6,22]720mV.[23]1998年,Gratzel等人进一步研制出全固态Gratzel电池,使用固体有机空穴传输材料替代了液体电解质,单色光电转换效率达到33%,从而引起了全世界的关注.[24,25]1997年,这种Gratzel电池已经应用于电致变色器件,人们预计,在未来的几年内,这种太阳能电池将进入实用阶段.1染料敏化纳米二氧化钛太阳能电池的结构和基本原理染料敏化二氧化钛太阳能电池是指以染料敏化多孔纳米结构二氧化钛
6、薄膜为光阳极的一类半导体光电化学电池,根据位于阴极阳极之间的空穴传输介质的形态可分为液体电解质电池和全固态电池.到目前为止,最成功的和最具有代表性的染料敏化二氧化钛太阳能电池是Gratzel电池,下面就以Gratzel电池为例介绍一下这类电池的结构及原理.11液体电解质电池这种电池的基本结构如图1所示,它主要由透明导电基片、多孔纳晶二氧化钛薄膜、敏化剂、电解质溶液(含超敏化剂)和透明对电极组成.图1液体电解质染料敏化二氧化钛电池的结构示意图从液体电解质染料敏化二氧化钛电池的光电转化基本原理图(图2)中可以看出,电[4]子能级的相对位置决定着光生电荷的产生和传输性质.当能量低于半导体
7、纳米二氧化钛禁带宽度,但等于染料分子特征吸收波长的入射光照射在电极上时,吸附在电极表面的染料分子中的电子受激跃迁至激发态,然后注入到二氧化钛导带内,此时染料分子自身转变为氧化态.注入到二氧化钛层的电子富集到导电基底,并通过外电路流向对电极,形成电流.处于氧化态的染料分子氧化溶液中的电子给体(此种在电解质溶液中的电子给体,又称为超敏化剂),自身恢复为还原态,使染料分子得到再生.被氧化的超敏化剂扩散至对电极,在电
