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1、第44卷第1期染料与染色Vol144No112007年2月DYESTUFFSANDCOLORATIONFebruary2007研究论文天然染料在纳米晶太阳能电池中的应用12鄢进波付德刚(1.东南大学化学化工系;2.东南大学吴健雄实验室,南京210096)摘要:本文介绍各类天然染料在染料敏化电池中的应用进展及发展方向,分析了各类染料的结构特点及其应用过程中的优缺点,并指出了天然染料敏化剂研究中的困难与问题,对天然染料作敏化剂的研究工作提出一些想法。关键词:天然染料纳米结构太阳能电池中图分类号:TQ611文献标识码:A
2、文章编号:1672-1179(2007)01-027-5[1]1991年Gr¾tzel等报道一种新型太阳能电池:以纳米多孔TiO2膜为电极,以单层吸附的联吡啶钌--为敏化剂,选含I/I3的低挥发性盐作电解质组成电池,在AM115的模拟太阳光照射下光电能量转换效率达7.1%,称为染料敏化太阳能电池。纳米晶染料敏化电池的灵感源于绿色植物光合作用电子转移机[2]理和半导体卤化银在摄影技术中的应用原理。这种电池的出现为光化学电池的发展带来了革命性的变革。为了使染料敏化电池的能量转换效率大幅提高,并有效降低成本,许多科研小组
3、对染料敏化剂进行了广泛的研究。从天然的动植物、矿物中提取天然染料,在其中寻找合适的光敏化剂已成为该领域的一项重要工作。1染料敏化电池的结构及原理[3]图1染料敏化纳米晶太阳能电池结构图的染料敏化电池结构见图1,它是由吸附染料纳-2染料敏化剂的种类及特点米晶半导体多孔薄膜、含有氧化-还原对(如含I/目前研究使用的染料敏化剂主要有金属有机染I3)的电解质溶液、镀铂或石墨的对电极组成的夹心料敏化剂、非金属有机合成染料敏化剂、植物提取的状电池。在太阳光照射下,敏化剂分子被激发将电天然染料敏化剂。金属有机染料吸收可见光后产生
4、子注入半导体纳米粒子的导带;电子在导带基底上金属到配体的电子跃迁,并将电子注入到半导体中。富集,通过外电路流向对电极。失去电子后的敏化常见的金属有机敏化剂有:联吡啶钌类配合物、卟啉剂被还原态的电解质还原返回基态,而氧化态的电配合物和酞菁配合物等。后两者通过分子内的π→解质在对电极处得到电子被还原。从而完成一个光3π的电子跃迁将电子注入到半导体中。电化学反应循环,且没有净的化学变化产生。在染料敏化电池中,染料敏化剂就像光捕获天染料敏化电池的评价参数主要有5个:短路电流(Isc)、开路电压(Voc)、填充因子(ff)、
5、入射光光电线,起着收集能量的作用,染料敏化剂的性能直接影响到电池的光电转换效率。研究表明,高性能的敏转换效率(IPCE)和能量转换效率(η)。IPCE描述化剂需要具有以下特点:(1)能吸收几乎全部太阳染料敏化电池在单色光作用下的光电转换效率,填光;(2)染料分子上带有足够多的羧基、磺酸基、磷酸充因子(ff)是指在工作曲线中可获得最大输出功率盐等,使其能与Ti(IV)良好结合,形成电子注入通的点上的电流电压乘积(Iopt3Vopt)与Isc3Voc之道;(3)染料由基态变为激发态能级与半导体导带很比,它体现电池输出功
6、率随负载的变动特性。光电好地匹配以避免电子转移过程中的能量损失;(4)有转换效率(η)则是Iopt3Vopt与入射光功率之比。8良好的稳定性,可维持大约10次循环;(5)染料分子应该具有比电解质中的氧化还原电对更正的氧化·27·©1994-2008ChinaAcademicJournalElectronicPublishingHouse.Allrightsreserved.http://www.cnki.netVol144No11染料与染色DYESTUFFSANDCOLORATION第44卷第1期还原电势,这样染料
7、分子能够很快得到来自还原态替换卟啉环中心金属原子Mg原子,都能有效改善叶的电解质的电子而重生。绿素性质,促进其在染料敏化电池中的应用。Y.Amao等将叶绿素a脱掉金属原子,并对其皂化水解3天然染料在染料敏化电池中的应用得到Chl-e6,其卟啉环中心不含有重金属离子,吸天然染料源自天然的动植物、矿物,资源丰富,收带与叶绿素相似。其结构式如图2(右)所示。以按化学组成可分为类胡萝卜素类、蒽醌类、萘醌类、其作为敏化剂制备的纳米晶二氧化钛染料敏化电池[4]类黄酮类、姜黄素类、靛蓝类、叶绿素类共7种。经光电性质检测,开路电压
8、(Voc)426mv、短路电流2311叶绿素及其衍生物作敏化剂(Isc)01305mA/cm、填充因子(ff)0145,光电转换效[10]叶绿素是绿色植物光合作用有效的光敏化剂,率达到0173%。Y.Amao还成功制备叶绿素衍生在可见光区有较强的吸收,其最强的吸收区有两处:物ZnChl-e6,经其敏化的太阳能电池,开路电压2波长640～660nm的红光部分和
