染料敏化太陽(yáng)能電池光陽(yáng)極研究現(xiàn)狀

李勇

（西藏大學(xué)理學(xué)院，西藏拉薩　850000）

染料敏化太陽(yáng)能電池光陽(yáng)極研究現(xiàn)狀

李勇

（西藏大學(xué)理學(xué)院，西藏拉薩850000）

染料敏化太陽(yáng)能電池作為一種新型的太陽(yáng)能電池，具有制作工藝簡(jiǎn)單、生產(chǎn)成本低的天然優(yōu)勢(shì)，而且其理論光電轉(zhuǎn)化效率高，是當(dāng)前最具有開發(fā)潛力的太陽(yáng)能電池之一。但是，就目前來(lái)說(shuō)，相比硅太陽(yáng)能電池、薄膜太陽(yáng)能電池，該種電池的光電轉(zhuǎn)化效率依然不高，因此當(dāng)前需要著力提升染料敏化太陽(yáng)能電池的光電轉(zhuǎn)化效率，而發(fā)展光陽(yáng)極是提高該種電池光電轉(zhuǎn)化效率的關(guān)鍵?；诖?，就染料敏化太陽(yáng)能電池光陽(yáng)極的研究現(xiàn)狀進(jìn)行總結(jié)。

染料敏化太陽(yáng)能電池；光陽(yáng)極；研究現(xiàn)狀

由于傳統(tǒng)化石能源接近枯竭以及他們的使用給環(huán)境帶來(lái)的巨大污染，人類有了尋求可再生能源的強(qiáng)大動(dòng)力。太陽(yáng)能電池是新能源中最重要的一類，雖然在過(guò)去20a中，其發(fā)展迅猛并取得了巨大的成功，但與火力、水力等常規(guī)發(fā)電方式相比，當(dāng)前太陽(yáng)能電池發(fā)電成本依然太高，難以實(shí)現(xiàn)大規(guī)模開發(fā)應(yīng)用。因此，當(dāng)前需要提高太陽(yáng)能電池的光電轉(zhuǎn)換效率，降低太陽(yáng)能電池的生產(chǎn)成本。染料敏化太陽(yáng)能電池作為一種新型的太陽(yáng)能電池，具有制作工藝簡(jiǎn)單、生產(chǎn)成本低的天然優(yōu)勢(shì)，而且其理論光電轉(zhuǎn)化效率高，是當(dāng)前最具有開發(fā)潛力的太陽(yáng)能電池之一。但是，就目前來(lái)說(shuō)，相比硅太陽(yáng)能電池、薄膜太陽(yáng)能電池，該種電池的光電轉(zhuǎn)化效率依然不高。因此，當(dāng)前需要著力提升染料敏化太陽(yáng)能電池的光電轉(zhuǎn)化效率，而發(fā)展光陽(yáng)極是提高該種電池光電轉(zhuǎn)化效率的關(guān)鍵。

1　染料敏化太陽(yáng)能電池的組成

染料敏化太陽(yáng)能電池主要由三部分組成：染料敏化的納米晶多孔光陽(yáng)極，載有催化劑的對(duì)電極和氧化還原電解液。光陽(yáng)極材料一般采用金屬氧化物半導(dǎo)體材料，其中銳鈦礦型TiO2是最常用、性能最優(yōu)異的光陽(yáng)極薄膜半導(dǎo)體材料，當(dāng)前最高能量轉(zhuǎn)換效率的染料敏化太陽(yáng)能電池與量子點(diǎn)敏化太陽(yáng)能電池都是基于銳鈦礦型TiO2光陽(yáng)極薄膜得到的。

2　染料敏化太陽(yáng)能電池光陽(yáng)極發(fā)展歷程

在染料敏化太陽(yáng)能電池研究早期，大部分工作都是利用單晶半導(dǎo)體氧化物作為光陽(yáng)極，為了確保染料分子激發(fā)后獲得最佳的電子轉(zhuǎn)移效果，電極表面只能吸附單層染料分子，對(duì)于這類電極由于表面積小，因而其表面積單分子層的光捕獲能力非常低。單層染料分子敏化的太陽(yáng)能電池光電轉(zhuǎn)化效率大都在1%以下，且一直無(wú)法提高。1991年Gr&tzel研究小組采用納米晶TiO2薄膜作為光陽(yáng)極，將染料敏化太陽(yáng)能電池的轉(zhuǎn)化效率提高到7.1%，在染料敏化太陽(yáng)能電池領(lǐng)域取得了突破性進(jìn)展。介孔TiO2納米晶薄膜提供了巨大的表面積供染料分子吸附，這使得染料敏化納米晶半導(dǎo)體電極具有高光捕獲率。同時(shí)，由于單分子層染料吸附到納米晶介孔半導(dǎo)體薄膜上有利于電子的注入，保證了高的光電轉(zhuǎn)化量子效率。1993年利用介孔納米晶薄膜作為光陽(yáng)極，Gr&tzel小組將染料敏化太陽(yáng)能電池光電轉(zhuǎn)化效率提高到了10%，在電池效率上再次取得重大進(jìn)展。

3　染料敏化太陽(yáng)能電池的當(dāng)前研究現(xiàn)狀

染料敏化太陽(yáng)能電池中應(yīng)用的光陽(yáng)極TiO2薄膜需要保持較大的比表面積，以吸附較多的染料敏化劑。同時(shí)，薄膜需要維持一定的結(jié)構(gòu)以保證電子傳導(dǎo)率。近年來(lái)，對(duì)TiO2形貌和功能調(diào)控的研究較多，主要從薄膜和粒子形貌對(duì)電子傳輸和擴(kuò)散的影響的角度進(jìn)行分析。一維納米結(jié)構(gòu)，如納米管、納米棒、納米線、納米纖維等結(jié)構(gòu)被應(yīng)用于TiO2光陽(yáng)極，近年來(lái)引起了研究人員的注意，F(xiàn)rank、Sung、Moser等均開展了相關(guān)工作，目前相關(guān)研究取得了一定的成效，目前基于單純納米管或納米管復(fù)合結(jié)構(gòu)的光陽(yáng)極染料敏化太陽(yáng)能電池效率達(dá)到了7%～9%，但是納米管很難進(jìn)行大規(guī)模生產(chǎn)限制了其應(yīng)用［1-3］。綜合來(lái)看，一維納米結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)度目前無(wú)法達(dá)到所需的厚度，而且他們的比表面積小于納米粒子薄膜，因此導(dǎo)致基于一維納米結(jié)構(gòu)的染料敏化太陽(yáng)能電池的光電性能整體偏低。納米晶體的聚集體是由納米晶粒組裝形成的球形結(jié)構(gòu)，直徑尺寸在微米級(jí)，由于這種聚集體保持了較高的比表面積，且具有光散射效果，可以更好地利用入射光。另外，球體間的孔道有利于電解液的擴(kuò)散，且在聚集體內(nèi)每個(gè)納米晶體與本體相連，降低了電子的晶界復(fù)合，因此該種結(jié)構(gòu)可以具有較高的電子傳導(dǎo)率。Lee、Caruso等對(duì)納米晶TiO2聚集體在染料敏化太陽(yáng)能電池中的應(yīng)用進(jìn)行了研究，分別獲得了8.44%、7.22%的轉(zhuǎn)換效率［4］。

TiO2中的光生電子與電解液中的氧化性離子發(fā)生復(fù)合是染料敏化太陽(yáng)能電池能量損失的重要原因。電子復(fù)合的位點(diǎn)主要在TiO2存在的表面態(tài)和氧空穴處，且氧空穴有可能對(duì)光敏染料產(chǎn)生劣化作用，降低電池的穩(wěn)定性，因此需要設(shè)法減小表面態(tài)和氧空穴。對(duì)TiO2進(jìn)行摻雜改性是減小表面態(tài)和氧空穴的有效途徑。摻雜改性的元素主要分為非金屬元素和金屬元素。非金屬元素?fù)诫s改性主要利用與氧原子大小接近的N、B、C、S等，其中以N元素?fù)诫s改性取得的效果最為明顯，研究最多。Yang等制備了一系列TiO2-xNx光陽(yáng)極，使染料敏化太陽(yáng)能電池的性能得到提升［5］。Dai等發(fā)現(xiàn)基于TiO2-xNx光陽(yáng)極染料敏化太陽(yáng)能電池中電子的復(fù)合得到明顯抑制，且電池的穩(wěn)定性得到提高。除了非金屬摻雜改性外，利用金屬原子替代Ti原子的摻雜改性對(duì)電池性能的提高也起到了積極的作用，使用金屬摻雜改性可以調(diào)節(jié)TiO2的物理性質(zhì)，進(jìn)而調(diào)控電池的Voc和FF等性質(zhì)。但是，Voc得到提升的同時(shí)會(huì)導(dǎo)致Jsc的降低，而且金屬摻雜會(huì)引入復(fù)合中心，對(duì)電池的長(zhǎng)期穩(wěn)定性的影響還需進(jìn)一步研究。

［1］Kongkanand A，Tvrdy K，Takechi K，et al.Quantum dot so?lar cells.Tuning photoresponse through size and shape control of CdSe-TiO2architecture［J］.Am C hem Soc，2008（12）：4007-4015.

［2］Kang SH，Choi SH，Kang MS，et al.Nanorod-based dyesensitized solar cells with improved charge col-lection efficiency［J］.Adv Mater，2008（20）：54-58.

［3］Ghadiri E，Taghavinia N，Zakeeruddin SM，et al.En?hanced electron collection efficiency in dye-sensitized solar cells based on nanostructured TiO2hollow fibers［J］.Nano Lett，2010（5）：1632-1638.

［4］Kim YJ，Lee MH，Kim HJ，et al.Formation of highly effi?cient dye-sensitized solar cells by hierarchical pore generation with nanoporous TiO2spheres［J］.Adv Mater，2009（21）：3668-3673.

［5］Kang SH，Kim SH，Kim JY，et al.Enhanced photocurrent of nitrogen-doped TiO2Film for dye-sensitized solar cells［J］.Ma?ter.Chem Phy，2010（1）：422-426.

Dye Sensitized Solar Cell Light Anode Current Research Status

Li Yong
（Faculty of Science，Tibet University，Lhasa Tibet 850000）

As a new type of solar cell，dye sensitized solar cell has the advantages of simple production process and low production cost，And its theoretical photoelectric conversion efficiency is high，it is currently one of the most de?velopment potential of solar cells.However，at present，compared to silicon solar cells，thin film solar cells，the photo?voltaic conversion efficiency of the battery is still not high，so it is needed to enhance the photoelectric conversion ef?ficiency of the dye sensitized solar cells，and development of light anode is the key to improve this kind of battery pho?toelectric conversion efficiency.Based on this，the research status quo of dye sensitized solar cell light anode were summarized.

dye-sensitised cells；light anode；research status

TM914.4

A

1003-5168（2016）08-0129-02

2016-07-23

李勇（1981-），男，碩士，講師，研究方向：染料敏化太陽(yáng)能電池。