染料敏化太阳能电池中染料的作用

http:ΠΠ　　　　　　　　　　化学通报　2005年第12期 889

染料敏化太阳能电池中的敏化剂

梁茂　陶占良　陈军3

(南开大学新能源材料化学研究所　天津　300071)

摘　要　染料敏化太阳能电池(DSSC)是一种新型的太阳能电池。染料敏化剂的性能对DSSC的光

电转换效率有重要的影响,要获得高的光电转换效率需要有高效、稳定的染料敏化剂。本文介绍了近年

来染料敏化剂的设计合成,并讨论了各种敏化剂的优缺点及发展方向。

关键词　染料敏化太阳能电池　敏化剂　光电转换效率

SensitizersofDye2sensitizedSolarCell

LiangMao,TaoZhanliang,ChenJun3

(InstituteofNewEnergyMaterialChemistry,Nankai,TianjinAbstract　Thedye2sensitizedsolarcell(DSSColarofthedyehas

considerableinfluenceontotheDSSC.Thedevelopmentofnewdyesensitizersandistoachievehighincidentphotontocurrentconversion

effici

染料敏化太阳能电池

物理科学与技术学院 化学物理学交叉培养班 张玲玲 2011213434

摘要 染料敏化太阳电池主要是模仿光合作用原理，研制出来的一种新型太阳电

池，其主要优势是原材料丰富、成本低、工艺技术相对简单，在大面积工业化生产中具有较大的优势，同时所有原材料和生产工艺都是无毒、无污染的，部分材料可以得到充分的回收，对保护人类环境具有重要的意义。本文主要从染料敏化太阳能电池的原理和电解质来进行介绍。

关键词 染料敏化 太阳能电池 原理 制备

一、染料敏化太阳能电池的基本结构

染料敏化太阳能电池主要由纳米多孔半导体薄膜、染料敏化剂、氧化还原电解质、电极和导电基底等几部分组成。纳米多孔半导体薄膜通常为金属氧化物（TiO2、SnO2、ZnO等），聚集在有透明导电膜的玻璃板上作为染料敏化太阳能电池的负极。对电极作为还原催化剂，通常在带有透明导电膜的玻璃上镀上铂。敏化染料吸附在纳米多孔二氧化钛膜面上。正负极间填充的是含有氧化还原电对的电解质，最常用的是I3/I- 。

图1 染料敏化太阳能电池的基本结构

二、染料敏化太阳能电池的工作原理

当太阳光照射在染料敏化太阳能电池上，染料分子中基态电子被激发，激发态染料分子将电子注入到纳米多孔

天然染料敏化TiO2太阳能电池的制备及光电性能测试 姓名：蓝永琛 班级：新能源材料与器件 学号：20112500041

一、 实验目的

1. 了解染料敏化纳米TiO2太阳能电池的工作原理及性能特点。

2. 掌握合成纳米TiO2溶胶的方法、染料敏化太阳能电池光阳极的制备方法

以及电池的组装方法。

3. 掌握评价染料敏化太阳能电池性能的方法。

二、 实验原理 略

三、 仪器与试剂 一、仪器设备

可控强度调光仪、紫外-可见分光光度计、超声波清洗器、恒温水浴槽、多功能万用表、电动搅拌器、马弗炉、红外线灯、研钵、三室电解池、铂片电极、饱和甘汞电极、石英比色皿、导电玻璃、镀铂导电玻璃、锡纸、生料带、三口烧瓶（500mL）、分液漏斗、布氏漏斗、抽虑瓶、容量瓶、烧杯、镊子等。

二、试剂材料

钛酸四丁酯、异丙醇、硝酸、无水乙醇、乙二醇、乙腈、碘、碘化钾、TBP、丙酮、石油醚、绿色叶片、红色花瓣、去离子水

四、 实验步骤

一、TiO2溶胶制备

目前合成纳米TiO2的方法有多种，如溶胶-凝胶法、水热法、沉淀法、电化学沉积法等。本实验采用溶胶-凝胶法。

（1）在500mL的三口烧瓶中加入1：100（体积比）的硝

综述了染料敏化太阳能电池的研究背景和发展过程,包括了光阳极、光敏染料和电解质的研究进展,详细阐述了该电池国内外各项关键技术的实验和产业化研究最新成果,着重分析了染料敏化太阳电池的未来发展趋势,并展望了该电池的应用前景。

第2 2卷第 1 0期 20 0 8年 1 0月

化工时刊Ch m ia I d s r i e e c l n u ty T m s

Vo . 2, 1 2 No. 0 1 Oc . 0. 0 8 t1 2 0

染料敏化太阳能电池的研究进展张力孙岳明 (南大学化学化工学院，苏南京 2 18 )东江 119摘要综述了染料敏化太阳能电池的研究背景和发展过程，括了光阳极、敏染料和电解质的研究进展，细阐包光详

述了该电池国内外各项关键技术的实验和产业化研究最新成果，着重分析了染料敏化太阳电池的未来发展趋势，并展望了该电池的应用前景。 关键词染料敏化太阳能电池电子传输氧化物薄膜光敏染料电解质

Re e r h pr g e so e—s nstz d S l r Cel s a c o r s fDy e iie oa l sZh n i S n Yu mi g a g L u e n( c ol f h m s yad C e

染料敏化太阳能电池的结构与工作原理

染料敏化太阳能电池主要由表面吸附了染料敏化剂的半导体电极、电解质、对电极组成，其

结构如图1-1。

图1-1 染料敏化太阳能电池结构图

当有入射光时，染料敏化剂首先被激发，处于激发态的染料敏化剂将电子注入半导体的导带。氧化态的染料敏化剂被中继电解质所还原，中继分子扩散至对电极充电。这样，开路时两极产生光

电势，经负载闭路则在外电路产生相应的光电流（图1-2）。

图1-2 染料敏化太阳能电池工作原理图

通过超快光谱实验可得出染料敏化太阳能电池各个反应步骤速率常数的数量级[12]：

①染料(S)受光激发由基态跃迁到激发态（S*）：

S + hυ→S*

②激发态染料分子将电子注入到半导体的导带中：

S* →+ ()，= 1010~10121

③离子还原氧化态染料可以使染料再生：

3+ 2→I3

- + 2S，k3 = 1081

④导带中的电子与氧化态染料之间的复合：

+ () →S，= 1061

⑤导带中的电子在纳米晶网络中传输到后接触面( ，)后而流入到外电

路中：

() →()，k5 = 103~1001

⑥纳米晶膜中传输的电子与进入2 膜的孔中的I3

-离子复合：

I3

- + 2() →3，J0 = 10-11~10-9A 2

⑦I3

-离子扩散到对电极

化材系專題演講集錦 – 大學部

演

講

內

容

摘

要

染料敏化太陽能電池(DSSC)研究動機: 1. 環保：工業革命後到現代產生大量 CO2 等氣體，CO2 等氣體吸收太陽輻射造成溫 室效應(greenhouse effect),為了控制氣體汙染因而訂定了京都協議書，其內容限制 6 種管制氣體：CO2、CH4、N2O、HFCs、PFCs 與 SF6。 2. 染料敏化太陽能電池可提高再生能源使用達總能源 12~15%。 3. 染料敏化太陽能電池價錢便宜。 太陽能電池大致可分三類：第一類為矽膠(silicon)類、第二類為化合物(compound) 類與第三類為奈米和有機(nano & organic)類 而此次所討論的染料敏化型太陽能電池 ； (Dye-sensitizied solar cell, DSSC)屬於上述的第三類。 DSSC 發展歷程：DSSC 一開始由日本人發明，Graetzel 提高其效率。DSSC 太陽能 電池技術預期五年後成熟，以日本發展的最好，目前有 130 多家公司在做，3,000 多 件專利 日本與 Graetzel 公司之間的競爭激烈 最近 DSSC 開始熱門 乃是因為 Graetzel , 。 , 公司於 1988 年，申請

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第一章 绪论 1.1太阳能电池

能源短缺与环境污染是目前人类面临的两大问题。传统的能源媒,石油和木材按目前的消耗速度只能维持五十至一百年。另外,由此所带来的环境污染,也正在威胁着人类赖以生存的地球。而在人类可以预测的未来时间内,太阳能作为人类取之不尽用之不竭的洁净能源,不产生任何的环境污染,且基本上不受地理条件的限制,因此太阳能利用技术研究引起了各国科学家的广泛重视。

太阳内部每时每刻都在发生热核聚变反应,进行质能转换,向宇宙辐射的总功率约为3*1023kW,投射到地球大气层之前的功率密度约为1135kWm2。太阳光进入大气层后,虽然大气成分和尘埃颗粒的散射以及太阳光中的紫外线被臭氧，氧气和水蒸气吸收,但到达地表的功率密度仍有很大。如果太阳辐射维持不变,则太阳半衰期寿命还有7*1012年以上,可以说太阳能是取之不尽用之不竭的天赐能源。我国陆地23以上地区的年日照时数大于2000h,太阳能相当丰富。目前,太阳能的利用主要有太阳能电池发电和太阳能热水器制热。而在一些名胜古迹和公园已经可以见到太阳能路灯了,为家庭住宅提供能源的太阳能发电系统(3kW)已经在发达国家作为示范工程而被推

July

[Article]物理化学学报(WuliHuaxueXuebao)ActaPhys.-Chim.Sin.2012,28(7),1739-1744doi:10.3866/PKU.WHXB2012042321739www.whxb.pku.edu.cn附着性能优异的碳对电极的制备及其在染料敏化太阳能电池中的应用 储玲玲高玉荣武明星王琳琳马廷丽*

(大连理工大学化工学院,精细化工国家重点实验室,辽宁大连116024)

摘要:通过引入一种低成本商业导电碳浆(CC)作为粘结剂,以色素碳黑(Cb)作为催化材料,成功制备了

Cb-CC对电极.着重解决传统碳对电极的主要问题,即碳与导电基底的附着力问题.附着力测试结果表明:CC

的引入改善了Cb与导电基板之间的附着力,同时增强了碳对电极的导电性和稳定性.扫描电镜(SEM)结果显

示,CC与Cb混合后,碳膜的多孔结构依然存在,即这种对电极能同时增加导电性和催化活性.采用循环伏安

(CV)和电化学阻抗谱(EIS)对Cb-CC对电极的催化活性进行了研究.光电性能测试结果表明,基于Cb-CC染料

敏化太阳能电池(DSSC)的能量转换效率达到了6.54%,进一步优化后,当Cb和CC的质量比为23:77时效果

第一章 绪论 1.1太阳能电池

能源短缺与环境污染是目前人类面临的两大问题。传统的能源媒,石油和木材按目前的消耗速度只能维持五十至一百年。另外,由此所带来的环境污染,也正在威胁着人类赖以生存的地球。而在人类可以预测的未来时间内,太阳能作为人类取之不尽用之不竭的洁净能源,不产生任何的环境污染,且基本上不受地理条件的限制,因此太阳能利用技术研究引起了各国科学家的广泛重视。

太阳内部每时每刻都在发生热核聚变反应,进行质能转换,向宇宙辐射的总功率约为3*1023kW,投射到地球大气层之前的功率密度约为1135kW/m2。太阳光进入大气层后,虽然大气成分和尘埃颗粒的散射以及太阳光中的紫外线被臭氧，氧气和水蒸气吸收,但到达地表的功率密度仍有很大。如果太阳辐射维持不变,则太阳半衰期寿命还有7*1012年以上,可以说太阳能是取之不尽用之不竭的天赐能源。我国陆地2/3以上地区的年日照时数大于2000h,太阳能相当丰富。目前,太阳能的利用主要有太阳能电池发电和太阳能热水器制热。而在一些名胜古迹和公园已经可以见到太阳能路灯了,为家庭住宅提供能源的太阳能发电系统(3kW)已经在发达国家作为示范工程而被推广,用太阳能电池提供动力的汽车和游艇也已经出现在人们的眼前。

[Article]95308be2a5e9856a561260d0 物理化学学报(Wuli Huaxue Xuebao )Acta Phys.-Chim.Sin .2014,30(2),273-280February

Received:September 26,2013;Revised:November 25,2013;Published on Web:November 26,2013.

?Corresponding author.Email:cyjia@95308be2a5e9856a561260d0.

The project was supported by the National Natural Science Foundation of China (21272033),Innovation Fund of State Key Laboratory of Electronic Thin Films and Integrated Devices,China (CXJJ201104),and Beijing National Laboratory for Molecular Sciences,China (BNLMS).

国家自然科学基金(21