2 染料敏化太陽(yáng)能電池的工作原理及其結(jié)構(gòu).doc

2 染料敏化太陽(yáng)能電池的工作原理及其結(jié)構(gòu)如圖1 所示，染料敏化太陽(yáng)能電池(DSSC)是由二氧化鈦多孔膜、光敏化劑（染料）、電解質(zhì)（含氧化還原電對(duì)）、鍍鉑對(duì)電極及導(dǎo)電基板組成的夾層結(jié)構(gòu)。其基本工作原理是：在染料分子的激發(fā)態(tài)、TiO2導(dǎo)帶、SnO2（導(dǎo)電玻璃）導(dǎo)帶、Pt（對(duì)電極）功函之間存在著一個(gè)能級(jí)梯度差， 當(dāng)染料分子吸收太陽(yáng)光其中基態(tài)的電子受光激發(fā)躍遷到染料激發(fā)態(tài)能級(jí)后， 在能級(jí)差的驅(qū)動(dòng)下，電子將會(huì)迅速轉(zhuǎn)移到TiO2導(dǎo)帶中，經(jīng)納米晶TiO2膜空間網(wǎng)格的輸運(yùn)進(jìn)入到SnO2導(dǎo)帶，后經(jīng)外路到達(dá)對(duì)電極，并與氧化還原電對(duì)進(jìn)行電子交換后， 依靠氧化還原電對(duì)在氧化態(tài)染料和對(duì)電極間完成電子轉(zhuǎn)移，從而實(shí)現(xiàn)整個(gè)光電循環(huán)。2.1 氧化物半導(dǎo)體薄膜染料敏化太陽(yáng)能電池的核心部分是納米多孔半導(dǎo)體氧化物薄膜電極。對(duì)于半導(dǎo)體氧化物的選擇，從其導(dǎo)帶邊電位及帶隙分析，適宜的有ZnO、Nb2O5和TiO2等氧化物半導(dǎo)體，這些氧化物半導(dǎo)體可以與敏化染料分子中的羧基形成酯鍵， 有利于光誘導(dǎo)電子轉(zhuǎn)移。納米多孔氧化物薄膜，可借助于敏化染料對(duì)可見(jiàn)光的良好響應(yīng)， 將其吸收譜帶拓展到可見(jiàn)光區(qū)乃至近紅外區(qū)，從而提高了對(duì)太陽(yáng)光的利用。薄膜的材料主要集中于對(duì)TiO2的研究， 染料中基態(tài)的電子吸收太陽(yáng)光能量而躍遷到激發(fā)態(tài)，并注入到TiO2導(dǎo)帶中，通過(guò)TiO2膜輸運(yùn)到導(dǎo)電玻璃基體并在那里富集，然后通過(guò)外電路流向?qū)﹄姌O。雖采用ZnO 和Nb2O5等也取得了較好的結(jié)果， 但以TiO2獲得轉(zhuǎn)換效率最高。TiO2通常采用溶膠-水熱法制備，這樣可以獲得高比表面積、高晶化度及高表面活性的納米TiO2。TiO2膜收集并傳輸電子， 厚度大約在520nm，TiO2的質(zhì)量大約在14 g/cm2，孔隙率在50%-65%，平均孔徑約為15nm，平均粒徑大約20 nm， 這樣有效的染料吸收面積相當(dāng)于TiO2膜自身面積的1001000 倍。納米晶多孔TiO2膜巨大的比表面積，可以吸附更多的染料。同時(shí)，由納米晶TiO2粒子形成的網(wǎng)格結(jié)構(gòu)有助于對(duì)太陽(yáng)光的吸收（太陽(yáng)光在納米晶多孔網(wǎng)格間的多次反射會(huì)提高染料對(duì)太陽(yáng)光的吸收）， 這對(duì)于提高DSSC 的光電轉(zhuǎn)換效率有很大的幫助。2.2 敏化染料染料分子是染料敏化太陽(yáng)能電池的光捕獲天線， 是染料敏化太陽(yáng)能電池的一個(gè)重要組成部分， 它的作用就是吸收太陽(yáng)光，將基態(tài)電子激發(fā)到高能態(tài)，然后再轉(zhuǎn)移到外電路，它的性能是決定電池轉(zhuǎn)換效率的重要因素之一。整個(gè)光電轉(zhuǎn)換的性能決定于染料能級(jí)與TiO2能級(jí)的匹配情況以及它對(duì)太陽(yáng)光譜的響應(yīng)性能。到目前，最有效的敏化染料是含有4,4 -二羧基-2,2 -聯(lián)吡啶配體的釕有機(jī)配合物。該配合物中的羧基能使染料分子牢固地與TiO2半導(dǎo)體顆粒結(jié)合， 同時(shí)在釕配合物分子的最低空軌道*(LUMO)與TiO2膜的3d 軌道波函數(shù)之間形成有效的電子耦合，此外羧基的取代，也能使2,2 -聯(lián)吡啶的LUMO 軌道能級(jí)降低， 在釕配合物分子內(nèi)部形成MLCT 電子轉(zhuǎn)移(Metal-to-ligand-charge transfer)，這些特性使得光生載流子能很容易的注入到TiO2導(dǎo)帶。2.3 電解質(zhì)體系電解質(zhì)也是DSSC 一個(gè)重要組成部分，它使氧化態(tài)的染料分子及時(shí)還原再生， 以及在對(duì)電極獲得電子而使自身得以還原，此外也提供電池內(nèi)部導(dǎo)通，組成完整回路。從目前來(lái)看，含有I/I3氧化還原電對(duì)的電解質(zhì)仍是最高效的電解質(zhì)體系。從狀態(tài)上可將電解質(zhì)分為液態(tài)電解質(zhì)、準(zhǔn)固態(tài)電解質(zhì)、固態(tài)電解質(zhì)等3 種，各種電解質(zhì)都有各自優(yōu)勢(shì)，也有不足，但從實(shí)用角度考慮，要求電解質(zhì)具有電導(dǎo)率高、穩(wěn)定、易于封裝等。2.4 對(duì)電極在對(duì)電極，氧化還原電對(duì)通過(guò)獲得電子而得以再生。但通常這一反應(yīng)的電勢(shì)較高，但當(dāng)采用鉑作為對(duì)電極時(shí)，可以大大降低其反應(yīng)的活化能。如I/I3，在用導(dǎo)電玻璃作對(duì)電極時(shí)，電流和電壓都較低；當(dāng)采用鉑修飾以后，開(kāi)路電壓增大了幾倍，電流也大幅度提高。其它