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1、第24卷 第4期华侨大学学报(自然科学版)Vol.24No.42003年10月JournalofHuaqiaoUniversity(NaturalScience)Oct.2003文章编号 100025013(2003)0420335210染料敏化TiO2纳晶太阳能电池研究进展吴季怀 郝三存 林建明 黄昀 (华侨大学材料科学与工程学院,福建泉州362011)摘要 介绍染料敏化纳米晶TiO2太阳电池的结构及其原理,对影响其光电转换效率的关键因素如纳米TiO2膜、敏化染料、电解质做了探讨.同时,对有机太阳能电池
2、进行讨论并提出今后的研究方向.关键词 太阳能电池,染料敏化,TiO2,纳米薄膜+中图分类号 TM914.42∶TB383文献标识码 Ab瑞士洛桑高等工业学院Gratzel教授所领导的研究小组,自20世纪80年代以来致力于开发新型太阳能电池.该研究小组以TiO2纳米多孔膜作为半导体电极,以Ru及Os等有机金属化合物作为光敏化染料,选用适当的氧化2还原电解质做介质,组装成染料敏化TiO2纳米晶太阳能电池(简称DYSC电池).他们的研究在1991年取得突破性进展,在太阳光下电池的光电〔1～3〕b转换效率达到7.
3、1%,引起太阳能电池研究上的一次热潮.1993年,Gratzel等人再次研制出光电转换效率达到10%的DYSC电池;1997年光电转换效率进一步提高到10%～11%,短-2〔4〕路电流为18mA·cm,开路电压为720mV.1998年,他们又研制出全固态DYSC电池.这种电池采用固体有机空穴传输材料替代液体电解质,单色光光电转换效率达到33%.克服了先前湿式电池制造不方便,难以封装以及稳定性不好的缺点,从而为DYSC太阳能电池走向实际应用奠定良好基础.DYSC太阳能电池最大的优势是廉价的成本、简单的制作工
4、艺和高的稳定性,有很好的应用前景.我们也开展DYSC电池研究,获得单色光光电转化率达48%的〔5〕DYSC电池,取得较好的研究进展.1DYSC太阳能电池的基本结构及其原理〔6〕研究表明,太阳光谱中紫外光波段占4%,可见光波段占43%.TiO2是宽禁带半导体,锐钛矿形TiO2的禁带宽度为3.1eV,吸收位于紫外区,对可见光的吸收较弱.但当TiO2的表面吸附染料后,借助于染料对可见光的良好响应,可将吸收波段拓展到可见光区,由此构造 收稿日期 2003204222作者简介 吴季怀(19582),男,教授,E2m
5、ail:jhwu@hqu.edu.cn基金项目 国家自然科学基金资助项目(50082003);福建省国际合作基金资助项目(2001I006);福建省自 然科学基金资助项目(E0210023)©1995-2005TsinghuaTongfangOpticalDiscCo.,Ltd.Allrightsreserved.3 华侨大学学报36(自然科学版)2003年〔7〕染料敏化太阳能电池——DYSC.DYSC是由透明导电玻璃、TiO2多孔纳米膜、电解质溶液以及镀铂镜对电极构成的
6、“三明治”式结构(图1).DYSC的光电转换在几个界面完成:(1)染料和TiO2纳晶多孔膜组成的界面;(2)染料分子和电解质构成的界面;(3)电解质和对电极构成的界面.光电转换机理为太阳光照射到电池上,染料分子吸收太阳光能量,使染料分子中的电子受激跃迁到激发态.激发态的电子将会快速注入到TiO2导带中,染料分子因失去电子变成氧化态.注入到TiO2导带中的电子在TiO2膜中的传输非常迅速,可以瞬间到达膜与导电玻璃的接触面,并在导电基片上富集,通过外电路流向对电极.处于氧化态的染料分子,由电解---质(IöI
7、3)溶液中的电子供体(I)提供电子而回到基态,染料分子得以再生.电解质溶液中的-电子供体(还原剂)在提供电子(I3)以后,扩散到对电极,得到电子而还原.从而,完成一个光电化学反应循环,也使电池各组分都回到初始状态.这一过程在图2中给予了说明.电子在多孔〔8〕〔9〕b纳晶TiO2膜中的输运机理目前还不十分清楚.主要有Weller等提出的隧穿机理,Grazel等提出的跳跃机理,Lindquist等提出的扩散模型和Konenkamp发现的电子传输过程等.各机理在一定范围内能解释某些实验现象,但并不完善,有待进一
8、步研究. 图1DYSC太阳能电池结构图2DYSC太阳能电池的光转换原理示意图 〔10〕图2表示在光照射DYSC后,电池内的电子直接转移过程.(1)染料分子的激发.(2)染料分子中激发态的电子注入到TiO2的导带,CB和VB分别表示TiO2的导带底和价带顶.从图中可以看出染料分子的能带最好与TiO2的能带重叠,这有利于电子的注入.(3)染料分-子通过接受来自电子供体I的电子,得以再生.(4)注入到TiO2导带中的电子与氧化
