李 丽等:染料敏化太阳能电池及TiO2薄膜材料研究进展

*

染料敏化太阳能电池及TiO2薄膜材料研究进展

李 丽1,2,张贵友1,陈人杰1,2,陈 实1,2,吴 锋1,2

(1.北京理工大学化工与环境学院环境科学工程北京重点实验室,北京100081;

2.国家高技术绿色材料发展中心,北京100081)

摘 要: 染料敏化太阳能电池是一种新型的太阳能电池,与传统的硅太阳能电池相比,由于具有原材料来源广泛、成本低、理论转换效率高等诸多优点,因此成为下一代新型太阳能电池的瞩目产品。就染料敏化太阳能电池的结构与工作原理,对其纳米多孔TiO2薄膜电极材料的研究现状进行了详细阐述,并对太阳能电池及其关键材料的发展方向进行了展望。

关键词: 纳米多孔TiO2薄膜;电极材料;太阳能电池中图分类号: O647文献标识码:A文章编号:1001 9731(2008)11 1765 05

主要由I和I3组成,其主要作用是还原被氧化了的染料分子,并起电子传输作用。阴极一般由镀铂的导电玻璃构成。它既起到催化剂的作用,又可以将没有吸收的光反射回去再次供染料吸收。此外,将多孔碳电极代替成本较高的铂作为对电极,也达到了很好的效果[12]。

2.2 染料敏化太阳能电池的工作原理

染料敏化纳米晶太阳能电池工作原理如图1所示[13]。在光电流产生过程中,电子通常要经历以下过程:

(1) 染料(D)受光激发由基态跃迁到激发态(D):

*

[11]

--

1 引 言

1991年,瑞士洛桑高等工业学院的Gr tzel教授首次将染料敏化纳米晶太阳能电池的光电转化效率突

[1]

破7%。1997年,Gr tzel等报道了短路电流18mA/2[2]

cm,开路电压720mV,转换效率超过10%的电池。目前,小面积染料敏化太阳能电池的效率已超过

[3]

11%。

染料敏化太阳能电池的特点是具有较高的比表面积和光电转换率,而且制作工艺简单、稳定性和寿命长等,它最突出的特点是价格较低,仅为传统硅太阳能电池的1/5~1/10[4],因而现已成为国际各个研究机构开发和研究的热点,并已取得了阶段性技术突破。

D+hv

*

+

-

D*

(2) 激发态染料分子将电子注入半导体导带:

DD+e(CB)(电子注入速率常数为kinj)

(3) I-离子还原氧化态染料可以使染料再生:

3I-+2D+

I-3+D

(4) 导带中的电子与氧化态染料之间的复合:

D++e-(CB)D

(电子回传速率常数为kb)

(5) 导带(CB)中的电子在纳米晶网络中传输到后接触面(backcontact,BC)后而流入到外电路中:e-(CB)e-(BC) (6) 纳米晶膜中传输的电子与进入TiO2膜孔中的I3-离子复合:

-I-3+2e(CB)

2 染料敏化太阳能电池及工作原理

2.1 染料敏化太阳能电池

DSC主要由导电玻璃、纳米TiO2多孔膜、染料敏化剂、电解质和透明电极等组成。导电玻璃厚度一般为3mm左右,表面镀一层0.5~0.7 m厚掺F的SnO2膜或氧化铟锡(ITO)膜。它起着传输和收集正、负电极电子的作用。纳米多孔氧化物薄膜是DSC的核心部分,薄膜材料主要集中于对TiO2的研究,同时也包括其它半导体氧化物,如SnO2、NiO、ZnO、Al2O3、Nb2O5等[5~8]。敏化染料可将纳米多孔氧化物薄膜的吸收谱带拓展到可见光区,从而提高了太阳

[9]

光的利用率。因此,电池的光电转换效率主要取决于光敏染料分子。染料光敏化剂主要有Ru配体系列染料、酞菁系列染料、卟啉系列染料、叶绿素及其衍生

[10]

物染料等。电解质主要是传输电子和空穴的通道,

*

3I-

(速率常数为ket)

(7) I3离子扩散到对电极(CE)上得到电子再生:

-I-3+2e(CE)-

3I-

激发态的寿命越长,越有利于电子的注入,而激发态的寿命越短,激发态分子有可能来不及将电子注入到半导体的导带中就已经通过非辐射衰减而返回到基态。(2)、(4)两步为决定电子注入效率的关键步骤。电子注入速率常数kinj与逆反应速率常数kb之比越大(一般>3个数量级),电荷复合的机会越小,电子注入

基金项目:国家高技术研究发展计划(863计划)资助项目(2006AA11A147);国家重点基础研究发展计划(973计划)资助项目

(2002CB211800)

收到初稿日期:2008 04 18收到修改稿日期:2008 06 30 通讯作者:吴 锋:),女,