太阳能结课论文.doc

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1、阳光下的现代化未来—敏化TIO2纳米晶太阳能电池的发展摘要：太阳光发电，作为无穷的、完全洁净的能源，再加上全球性的能源危机，太阳光近年来越来越受到人们的重视。本文介绍了敏化TiO2纳米晶太阳能电池的工作原理和表征方法，并对常用的制备工艺、敏化剂的选择、目前选到的水平进行了综述，在此基础上提出了一些值得深入研究的问题。关键词：TiO2纳米晶、敏化、光电转换目前，得到广泛应用的太阳能电池几乎均采用硅材料。为降低成本和节省昂贵的半导体太阳能电池结构材料，人们从改进工艺、寻找新材料、电池薄膜化等方面进行了尝试。其中一个重要方面是将一种窄禁带半导体材料修

2、饰、组装到另一种大能源半导体材料上形成敏化太阳能电池。这种结构的最主要优点是可将吸收太阳光产生激发态电子的区域与电荷传递区域分离，减少复合，提高光电转换效率。Ti02是一种非常重要的半导体材料，价廉、完全无公害且极稳定．它的带隙为3.2eV，只能吸收波长小于375nm的紫外光80年代以来，人们一直在探索制备高表面比Ti02薄膜的方法．并用光敏材料对其修饰以提高光电转换特性。但由于光电转换效率很低，远不能达到实用水平，所以一直不为人们所重视。直到1991年，瑞士洛桑高等工业学院M．G瞰zel等以过渡金属Ru的有机化合物作染料配以适当的氧化．还原电

3、解质．制成的TiO2电池取得了太阳光下光电转换效率选7．1％的令人鼓舞的结果，加之它廉价的成本，简单的制作工艺，引起了众多研究工作者的兴趣。1996年，Masamitsu等人利用固态高分子电解质制备了全固态太阳能电池，利用特殊的制备方法获得了高离子导电性的电解质，得到了连续的光电流，并得到0.49％的光电转换效率。1998年Graetzel等人利用OMeTAD作空穴传输材料得到0.74％的光电转换效率，而其单色光光电转换效率达到了33％，引起了世人的瞩目，使纳米太阳能电池向全固态迈进了一大步。研究表明，只有紧密吸附在半导体表面的单层染料分子才能

4、产生有效的敏化效率。以往人们普遍采用的致密，平滑的半导体表面吸附的单层染料仅能吸收不到1％的人射光，Gratzel等之所以能取得上述突破性进展，最关键的一点在于采用具有高表面比的纳米多孔Ti02层。一方面，大的比表面积能吸附更多的单层染料分子；另一方面，太阳光在粗糙表面内多次反射，可被染料分子反复吸收，极大提高了太阳光的利用率。敏化纳米晶太阳能电池的结构由导电玻璃、纳米多孔Ti02、敏化剂、电解质等部分组成。基底是镀0．5～0．7微米氧化锢锡(ITO)或掺F的氧化镉透明电极的玻璃，方块电阻为10-20欧／口，透光率大于85％。为使电扳达到更好的

5、光和电子收集效率．有时经过特殊处理，如镀上薄层Pt，Pt对光的反射能提高太阳光的吸收率，Pt层还有助于提高电子收集效率。TiO2电极要求纳米多孔结构．以保证有大的比表面积，提高对太阳光的吸收率。敏化剂要均匀吸附在TiO2表面。均匀敏化的具有粗糙表面的TiO2构成电池的主体部分。Ti02纳米电极制备工艺对Ti02的表面形貌、导电特性进而对成品太阳能电池的性能有至关重要的影响。Ti02纳米电极大都是将Ti02超微粒胶体溶液喷涂在导电玻璃上形成的。胶体溶液的制备方法常用两种，一种是用钛盐水解，一种是采用现有商业Ti02超细粉经研磨再加人表面活性剂。为

6、提高Ti02电极的电荷分离与传输能力，在成膜前后有时还对电极进行一些特殊处理。现将目前常用的两种典型方法详细叙述如下。方法1：在干氮气流下，将125mlT(OCH(CH3)2)4加人含20ml2-丙醇的150ml滴液漏斗中。将蒸馏过的去离子水缓慢加人混合液，10min内加至750ml并不停搅拌，同时加人5.3ml70％硝酸。该混合液在8O℃搅拌8h，以蒸发掉2一丙醇和一部分水。如此得到的近700ml稳定的TiO2溶胶，在高压釜中230℃或240℃热压处理12h，然后25℃真空旋转蒸发浓缩，加入质量为Ti02的40％的聚乙二醇，得到TiO2质量分

7、数为20％的悬胶液。用多扶甩胶(3000r／min)多次煅烧的办法(每次约厚0．4微米)将所需厚度(10微米左右)的Ti02层沉积在导电玻璃衬底上，再在空气中450℃热处理30min，最后在Ti(Ⅲ)溶液中电镀上一单层TiO2层，这一步骤能显著提高太阳能电池的开路电压和短路电流。高分辨率扫描电镜显示TiO2粒径为15nm。方法2：采用商业TiO2超细粉(德国Dagussa公司，P25，为25％锐钛矿和75％金红石结构的混和物，粒径25nm，比表面积55㎡／g)。将12gTio2粉末加人含0.4ml乙酰丙酮(防止颗粒团聚)的4m1水中，在陶瓷研钵

8、中研磨成粘胶状，再边研磨边慢慢加人16ml水稀释。最后为促进胶体在衬底上的分散加人曲拉通(Aldrich公司，TritonX-100，0.2ml)作活