染料敏化太陽能電池.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 太陽能電池概述 1 納米及改性TiO2在太陽能電池中的應(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 在太陽能的有效利用當(dāng)中 太陽能光電利用是近些年來發(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 太陽能電池的研究意義 中國太陽能電池產(chǎn)業(yè) 納米晶化學(xué)太陽能電池 太陽能電池的發(fā)展歷史 太陽能的發(fā)展 1954年Bell實驗室研發(fā)出第一個單晶硅太陽能電池 效率為6 太陽能電池的比較 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 材料本身對環(huán)境無污染 穩(wěn)定性 太陽能電池概述 1 納米及改性TiO2在太陽能電池中的應(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)電玻璃上作為光陽極 在太陽能電池中的應(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在太陽能電池上受到人們的普遍關(guān)注 TiO2在太陽能電池中的應(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 恒溫一段時間 卸壓后洗滌 干燥即可得到納米級的二氧化鈦 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 受到高速陽離子氣體的動能 動量撞擊傳輸 濺射高能的TiO2分子或分子團(tuán) 這種獲能粒子在電場作用下飛奔并沉積在陽極基板上 納米TiO2薄膜的制備方法 制備溶膠 溶膠通過涂覆或者提拉浸泡法在電極上附著 晾干 最后通過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 借助染料對可見光的敏感效應(yīng) 增加了整個染料敏化太陽能電池對太陽光的吸收率 增加對太陽光的利用率 提高半導(dǎo)體的光電轉(zhuǎn)換效率 納米TiO2的改性研究 在絕對零度溫度下 半導(dǎo)體的價帶是滿帶 受到光電注入或熱激發(fā)后 價帶中的部分電子會越過禁帶進(jìn)入能量較高的空帶 空帶中存在電子后成為導(dǎo)帶 價帶中缺少一個電子后形成一個帶正電的空位 稱為空穴 導(dǎo)帶中的電子和價帶中的空穴合稱為電子 空穴對 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 成為自由載流子它們在外電場作用下產(chǎn)生定向運動而形成宏觀電流 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 太陽光 hv 照射到電池上 基態(tài)染料分子 S 吸收太陽光能量被激發(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 通過外電路流向?qū)﹄姌O TiO2薄膜電極的表征 染料敏化太陽能電池的性能分析 能量轉(zhuǎn)換效率 的定義 Pin太陽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 薄膜電極作為光陽極 以鍍鉑電極為光陰極 用熱封膜將TiO2電極和鉑對電極封裝 從側(cè)面預(yù)留小孔中滴入電解液 把兩片玻璃稍微錯開 以便利用暴露在外面的部分作為電極的測試用 利用兩個夾子把電池夾住 這樣 你的太陽能電池就做成了 染料敏化太陽能電池的組裝 太陽能電池概述 1 納米及改性TiO2在太陽能電池中的應(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 易泄露等問題 用固態(tài)或準(zhǔn)固態(tài)電解質(zhì)替代 對電極 以碳納米顆粒作為對電極改進(jìn)和完善多孔 高比表面積碳基等非金屬類對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 太陽能電池概述 1 納米及改性TiO2在太陽能電池中的應(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 通過一個多步驟的催化過程 可以實現(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)體實現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換提供了一個新的思路 工作原理 當(dāng)光照射到陽極 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將S 與NAD P 還原為NAD P H 這個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階段 目前只局限在對陽極的研究 沒有與之配對的光 酶陰極 所以這種生