染料敏化太陽(yáng)能電池.ppt

納米半導(dǎo)體薄膜電極的制備及光電效率研究 楊彥秋 2011 3 30 太陽(yáng)能電池概述 1 納米及改性TiO2在太陽(yáng)能電池中的應(yīng)用 2 提高光電轉(zhuǎn)換效率的方法 3 納米TiO2與生物相結(jié)合技術(shù) 4 Contents 太陽(yáng)能是人類取之不盡用之不竭的可再生能源 也是清潔能源 不產(chǎn)生任何的環(huán)境污染 我們只需要利用其中很小的一部分就可以滿足人類的需要 在太陽(yáng)能的有效利用當(dāng)中 太陽(yáng)能光電利用是近些年來(lái)發(fā)展最快 最具活力的研究領(lǐng)域 是解決世界范圍內(nèi)的能源危機(jī)和環(huán)境污染的一條重要途徑 太陽(yáng)能電池的研究意義 中國(guó)太陽(yáng)能電池產(chǎn)業(yè) 納米晶化學(xué)太陽(yáng)能電池 太陽(yáng)能電池的發(fā)展歷史 太陽(yáng)能的發(fā)展 1954年Bell實(shí)驗(yàn)室研發(fā)出第一個(gè)單晶硅太陽(yáng)能電池 效率為6 太陽(yáng)能電池的比較 禁帶寬度 光電轉(zhuǎn)化效率 環(huán)保 材料便于工業(yè)化生產(chǎn)且性能穩(wěn)定 制作太陽(yáng)能電池材料的一般要求 半導(dǎo)體材料的禁帶寬度不能太寬 具有較高的光電轉(zhuǎn)化效率 材料本身對(duì)環(huán)境無(wú)污染 穩(wěn)定性 太陽(yáng)能電池概述 1 納米及改性TiO2在太陽(yáng)能電池中的應(yīng)用 2 提高光電轉(zhuǎn)換效率的方法 3 納米TiO2與生物相結(jié)合技術(shù) 4 Content 一方面納米TiO2具有良好的光電轉(zhuǎn)換能力 故一般將其修飾到透明的導(dǎo)電玻璃上作為光陽(yáng)極 在太陽(yáng)能電池中的應(yīng)用 另一方面納米TiO2膜表面具有多孔的結(jié)構(gòu) 可以通過(guò)吸附作用把染料固定在納米TiO2表面 以進(jìn)一步提高電池的光電轉(zhuǎn)換效率 所以納米TiO2在太陽(yáng)能電池上受到人們的普遍關(guān)注 TiO2在太陽(yáng)能電池中的應(yīng)用 第二步 將凝膠轉(zhuǎn)入高壓釜內(nèi) 按一定的升溫速度加熱 達(dá)到所需溫度 250 恒溫一段時(shí)間 卸壓后洗滌 干燥即可得到納米級(jí)的二氧化鈦 納米TiO2粒子的制備方法 溶膠凝膠 熱蒸發(fā) 電子束 磁控濺射 在大于10 3Pa真空下用鎢 鉬電阻發(fā)熱至2000 左右 使TiO2膜材料氣化 獲得足夠分子自由程及能量而沉積在被鍍工件上形成不大于1um厚度TiO2薄膜 加速電子束轟擊陽(yáng)極TiO2膜材料 使TiO2獲得熱能而真空氣化沉積凝結(jié)于被鍍工上 形成厚度不大于1um的薄膜 TiO2陰極靶材 受到高速陽(yáng)離子氣體的動(dòng)能 動(dòng)量撞擊傳輸 濺射高能的TiO2分子或分子團(tuán) 這種獲能粒子在電場(chǎng)作用下飛奔并沉積在陽(yáng)極基板上 納米TiO2薄膜的制備方法 制備溶膠 溶膠通過(guò)涂覆或者提拉浸泡法在電極上附著 晾干 最后通過(guò)在馬弗爐中煅燒或紅外燈烘烤等方法進(jìn)行熱處理 改性研究 輻射到地球表面的太陽(yáng)光中可見光43 紫外光占4 TiO2的禁帶寬度為3 2eV 吸收位于紫外區(qū) 對(duì)可見光的吸收較弱 DSSC電池 把染料吸附在TiO2表面 借助染料對(duì)可見光的敏感效應(yīng) 增加了整個(gè)染料敏化太陽(yáng)能電池對(duì)太陽(yáng)光的吸收率 增加對(duì)太陽(yáng)光的利用率 提高半導(dǎo)體的光電轉(zhuǎn)換效率 納米TiO2的改性研究 在絕對(duì)零度溫度下 半導(dǎo)體的價(jià)帶是滿帶 受到光電注入或熱激發(fā)后 價(jià)帶中的部分電子會(huì)越過(guò)禁帶進(jìn)入能量較高的空帶 空帶中存在電子后成為導(dǎo)帶 價(jià)帶中缺少一個(gè)電子后形成一個(gè)帶正電的空位 稱為空穴 導(dǎo)帶中的電子和價(jià)帶中的空穴合稱為電子 空穴對(duì) 光電轉(zhuǎn)換原理 電子躍遷示意圖 上述產(chǎn)生的電子和空穴均能自由移動(dòng) 成為自由載流子它們?cè)谕怆妶?chǎng)作用下產(chǎn)生定向運(yùn)動(dòng)而形成宏觀電流 DSSC原理示意圖 DSSC是由透明導(dǎo)電玻璃 TiO2 多孔納米膜 敏化染料 電解質(zhì)溶液以及鍍Pt對(duì)電極構(gòu)成的 三明治 式結(jié)構(gòu)電池 4 處于氧化態(tài)的染料分子 S 與電解質(zhì) I I3 溶液中的電子供體 I 發(fā)生氧化還原反應(yīng)而回到基態(tài) 染料分子得以再生 5 在對(duì)電極附近 電解質(zhì)溶液得到電子而還原 光電轉(zhuǎn)換機(jī)理 1 太陽(yáng)光 hv 照射到電池上 基態(tài)染料分子 S 吸收太陽(yáng)光能量被激發(fā) 染料分子中的電子受激躍遷到激發(fā)態(tài) S 2 激發(fā)態(tài)的電子快速注入到TiO2導(dǎo)帶中 3 電子在TiO2膜中迅速的傳輸 在導(dǎo)電基片上富集 通過(guò)外電路流向?qū)﹄姌O TiO2薄膜電極的表征 染料敏化太陽(yáng)能電池的性能分析 能量轉(zhuǎn)換效率 的定義 Pin太陽(yáng)光模擬器的入射折射功率密度 Voc開路電壓 Jsc短路電流密度 FF填充因子由此計(jì)算出能量轉(zhuǎn)化效率 將TiO2電極從染料溶液中取出 用乙醇沖洗 洗去吸附在表面的染料 薄膜電極作為光陽(yáng)極 以鍍鉑電極為光陰極 用熱封膜將TiO2電極和鉑對(duì)電極封裝 從側(cè)面預(yù)留小孔中滴入電解液 把兩片玻璃稍微錯(cuò)開 以便利用暴露在外面的部分作為電極的測(cè)試用 利用兩個(gè)夾子把電池夾住 這樣 你的太陽(yáng)能電池就做成了 染料敏化太陽(yáng)能電池的組裝 太陽(yáng)能電池概述 1 納米及改性TiO2在太陽(yáng)能電池中的應(yīng)用 2 提高光電轉(zhuǎn)換效率的方法 3 納米TiO2與生物相結(jié)合技術(shù) 4 Content 思路1 思路2 思路3 思路4 電解質(zhì)體系 液態(tài)電解質(zhì)存在如封裝困難 易泄露等問(wèn)題 用固態(tài)或準(zhǔn)固態(tài)電解質(zhì)替代 對(duì)電極 以碳納米顆粒作為對(duì)電極改進(jìn)和完善多孔 高比表面積碳基等非金屬類對(duì)電極材料的制備工藝 思路5 提高光電轉(zhuǎn)換效率的方法 薄膜電極 改善TiO2薄膜制備方法孔的大小晶體類型 與窄半導(dǎo)體復(fù)合 過(guò)渡金屬離子摻雜 表面沉積貴金屬 染料光敏化劑 主要有金屬配合物染料和純有機(jī)染料 通過(guò)共敏化方式可以拓寬電極的吸收光譜 上轉(zhuǎn)換發(fā)光層 用上轉(zhuǎn)換發(fā)光材料將紅外光轉(zhuǎn)換為電池可以吸收利用可見光和近紫外光 太陽(yáng)能電池概述 1 納米及改性TiO2在太陽(yáng)能電池中的應(yīng)用 2 提高光電轉(zhuǎn)換效率的方法 3 納米TiO2與生物相結(jié)合技術(shù) 4 Content 將酶燃料電池與光伏電池結(jié)合 酶電極與光能轉(zhuǎn)換電極結(jié)合 通過(guò)一個(gè)多步驟的催化過(guò)程 可以實(shí)現(xiàn)生物催化的光能 電能的轉(zhuǎn)換 這種光 酶混合燃料電池為利用有機(jī)體實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換提供了一個(gè)新的思路 工作原理 當(dāng)光照射到陽(yáng)極 電子從激發(fā)態(tài)的染料 S 轉(zhuǎn)移到涂有納米TiO2的導(dǎo)電FTO IT0玻璃電極 CB 上 失去電子的染料 S 從酶電極氧化還原對(duì)NAD P H NAD P 重新得到電子轉(zhuǎn)變?yōu)镾0 葡萄糖脫氫酶氧化葡萄糖同時(shí)將S 與NAD P 還原為NAD P H 這個(gè)電池還可以用乙醇作燃料 這種光 酶混合燃料電池的研究尚處于初級(jí)階段 目前只局限在對(duì)陽(yáng)極的研究 沒(méi)有與之配對(duì)的光 酶陰極 所以這種生