黨威武

（陜西國防工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院機械工程學(xué)院，陜西西安710300）

染料敏化太陽電池中光陽極的研究進展

黨威武

（陜西國防工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院機械工程學(xué)院，陜西西安710300）

染料敏化太陽電池（dye-sensitized solar cell，DSC）的光陽極作為其重要的組成部分，在近些年的研究中取得了較大的進展。常用作光陽極的氧化物包括TiO2、ZnO、SnO2、Nb2O5、A12O3等，其中，TiO2因為綜合性能表現(xiàn)突出，成為主要研究的光陽極材料。特別是TiO2納晶薄膜的性質(zhì)、形貌、結(jié)構(gòu)等均會對DSC光電性能產(chǎn)生較大影響，其性質(zhì)調(diào)節(jié)主要通過表面處理、修飾、摻雜等手段，而不同形貌納米TiO2的研究主要表現(xiàn)在一維結(jié)構(gòu)上，如納米線、納米棒等，本文就這些方面的研究情況進行簡單歸納總結(jié)，分析影響電池性能的關(guān)鍵因素，并對如何更全面、更深入的提高DSC光電性能作簡要展望。

TiO2；光陽極；光電轉(zhuǎn)化效率；染料敏化太陽電池（DSC）

染料敏化太陽電池（dye-sensitized solar cell，DSC）作為一個新興的電池領(lǐng)域，因其制作簡單、價格低廉、綠色環(huán)保等特點，在近些年得到快速發(fā)展。其結(jié)構(gòu)主要包括光陽極、敏化劑、電解質(zhì)、對電極四部分，其中，光陽極部分是由半導(dǎo)體氧化物構(gòu)成的納米結(jié)構(gòu)薄膜，其形貌結(jié)構(gòu)、表面性質(zhì)對染料分子的負(fù)載及電子的接受、傳遞有較大影響，而這些對DSC光電性能會產(chǎn)生重要的作用。因此，科研工作者通過制備不同形貌結(jié)構(gòu)的氧化物納米結(jié)構(gòu)薄膜以及修飾或摻雜等手段調(diào)節(jié)薄膜性質(zhì)來優(yōu)化光陽極，以獲得較高光電轉(zhuǎn)化效率的DSC。

2 TiO2光陽極對DSC性能影響研究現(xiàn)狀

2.1 實驗條件的影響

Srikanth等人[10]利用溶膠凝膠法制備TiO2膠體，并將其旋涂至透明導(dǎo)電玻璃上制成電池光陽極。文中探究膠體中的添加劑聚乙二醇含量以及濃縮時的溫度分別對DSC光電性能的影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，當(dāng)聚乙二醇占TiO2含量的40%時，電池性能最佳，當(dāng)溫度為40℃時，DSC光電轉(zhuǎn)化效率最高，原因是TiO2納米顆粒的聚集狀態(tài)受濃縮溫度影響較大。

Huang等人[11]利用溶膠凝膠水熱法制備TiO2膠體，研究發(fā)現(xiàn)，隨著水熱反應(yīng)溫度的升高，制得的TiO2薄膜光陽極的孔隙直徑線性增加，而比表面積減小，當(dāng)反應(yīng)溫度為240℃時，將產(chǎn)物用作DSC光陽極并組裝電池，測試比較得出，該溫度下DSC的光電性能最佳。同時，文中討論了TiO2薄膜厚度對電池性能的影響，結(jié)果顯示，當(dāng)厚度處于10μm以下時，DSC光電轉(zhuǎn)換效率隨著薄膜厚度的增加而增大，然而，當(dāng)厚度超過10μm時，電池的光電轉(zhuǎn)換效率基本保持不變。

2.2 納米結(jié)構(gòu)的影響

Jiu等人[12]采用水熱法以十六烷基三甲基溴化銨為表面活性劑成功制得TiO2納米棒，其直徑在20～30nm之間，長度在100～300nm之間，相結(jié)構(gòu)為銳鈦礦型，將其用作DSC光陽極材料，通過多次涂膜法，制成厚度為16nm的薄膜電極，組裝電池后測試顯示，電池的光電轉(zhuǎn)化效率較好，約為7.29%。

Gopal等人[13]在透明導(dǎo)電玻璃上利用陽極氧化法制備出垂直定向生長的TiO2納米管陣列，孔徑約46nm，壁厚約17nm，長度為360nm，將其制成DSC光陽極，結(jié)果顯示，電池的光電轉(zhuǎn)化效率為2.90%，短路電流高達(dá)7.87mA·cm-2。與納米顆粒薄膜電極比較，發(fā)現(xiàn)排列有序的TiO2納米管陣列薄膜更有利于電子的傳輸和轉(zhuǎn)移，具有較長的電子壽命。

2.3 表面處理或修飾的影響

Poulomi等人[14]將純度為99.6%的厚度為0.1mm的鈦箔浸入乙二醇電解質(zhì)溶液中，制備出TiO2納米管陣列，制成DSC光陽極后，測得電池的光電轉(zhuǎn)化效率為1.90%，然而，當(dāng)用TiCl4對TiO2納米管陣列薄膜處理后，見圖1，測試發(fā)現(xiàn)，電池的光電轉(zhuǎn)化效率提高至3.80%，可見，經(jīng)過TiCl4處理的光陽極對電池性能的提升具有一定作用。

圖1 TiO2納米管陣列SEM照片，（a）和（c）為TiCl4處理前，（b）和（d）為TiCl4處理后Fig.1 SEM images of prepared TiO2nanotube arrays,（a）（c）before,and（b）（d）after treated by TiCl4

表面包覆作為一種常用且重要的納米氧化物表面修飾技術(shù)，能利用納米TiO2與其表面包覆具有較高導(dǎo)帶位置的半導(dǎo)體或絕緣體形成勢壘達(dá)到有效抑制電子復(fù)合的目的，從而提高DSC光電轉(zhuǎn)化效率。Lin等人[15]制備出TiO2表面包覆ZnO的核-殼結(jié)構(gòu)薄膜光陽極，在81.0mW·cm-2白光的照射條件下，其DSC的光電轉(zhuǎn)化效率為9.80%，短路電流和開路電壓分別為21.30mA·cm-2和0.71V。目前，這種核-殼結(jié)構(gòu)的表面修飾是研究的一大熱點，對電池光電轉(zhuǎn)化效率與表面包覆氧化物的厚度、覆蓋度等因素的關(guān)系也正在研究和探索之中。

Lee等人[16]在TiO2納米薄膜中分別摻入W和Al，并制成DSC光陽極，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，摻Al的DSC表現(xiàn)為短路電流減小、開路電壓增大，而摻W的DSC性能表現(xiàn)剛好相反，原因為TiO2納米顆粒摻入W以后，其團聚狀態(tài)發(fā)生改變，并且，染料分子的負(fù)載量增加，電子的傳輸能力得到增強，表現(xiàn)為短路電流增加。

3 總結(jié)與展望

綜上，科研工作者對DSC光陽極的研究主要包括TiO2薄膜性質(zhì)調(diào)節(jié)和納米結(jié)構(gòu)控制，因為薄膜性質(zhì)對電荷注入、傳遞均會產(chǎn)生較大影響，通過表面處理、修飾、摻雜等方法優(yōu)化納晶薄膜性質(zhì)，使電子的注入以及在傳輸過程中的損失達(dá)到最小。另外，光陽極納米結(jié)構(gòu)的可控制備是改善電池光電性能的另一重要途徑，隨著研究的不斷深入，研究者已經(jīng)將光陽極薄膜構(gòu)筑結(jié)構(gòu)的目光從納米顆粒轉(zhuǎn)變至一維納米結(jié)構(gòu)，如納米線、納米棒、納米管等納米氧化物薄膜光陽極，因為一維納米結(jié)構(gòu)能提高光生電子空穴對的分離和傳遞效率。

除此之外，光陽極對染料分子的負(fù)載率、入射光的吸收率和利用率，特別是納米氧化物的結(jié)構(gòu)、形貌對入射光的散射效應(yīng)都會對DSC光電性能產(chǎn)生重要的影響，因此，要提高DSC光電轉(zhuǎn)化效率還需要更全面和深入的研究，也包括對DSC其他組成部分的探究和優(yōu)化，如電解液、敏化劑、對電極等，近些年，這些方面的研究也都在如火如荼的進行著，這樣，才有可能讓DSC從實驗室走向我們的實際生產(chǎn)生活中，從能源利用、綠色環(huán)保等方面加速人類社會的進步。

［1］Sun H.J,Liu H.L,Ma J.et al.Preparation and Characterization of Sulfur-doped TiO2/Ti Photoelectrodes and Their PhotoelectrocatalyticPerformance［J］.Joumal ofHazardous Materials,2008,156: 552-559.

［2］LiX,LinH,LiJ.B.etal.ANumericalSimulationandImpedanceStudy oftheElectronTransportandRecombinationinBinder-freeTiO2Film forFlexibleDye-sensitizedSolarCells［J］.J.Phys.Chem.C.,2008,112（35）:13744-13753.

［3］Thlakkat M,Schmitz C,Sehmidt H.W.Full Vapor-deposited Thin-layer TitaniumDioxide Solar Cells［J］.Adv.Mater.,2002,14（8）:577-581.

［4］Jiu J.T,Wang F.M,Sakamoto M.et al.Preparation of Nanocrystalline TiO2with Mixed Template and Its Application for Dye-sensitizedSolarCells［J］.J.Electrohem.Soc.,2004,151（10）:A1653-A1658.

［5］Olson D.C,Lee Y.J,White M.S.et al.Effect of ZnO Processingon the Photovoltage ofZnO/Poly（3-hexylthiophene）Solar Cells［J］.J. Phys.Chem.C,2008,26（112）:9544-9547.

［6］Xu F,Dai M,Lu Y.N.et al.Hierarchical ZnO Nanowire-nanosheet Architectures for High Power Conversion Efficiency in Dye-sensitized Solar Cells［J］.J.Phys.Chem.C,2010,114（6）:2776-2782.

［7］WangY.L,GuoM,ZhangM.et al.Hydrothermal Synthesis of SnO2Nanoflower Arrays and Their Optical Properties［J］.Scripta Materialia,2009,61（3）:234-236.

［8］Lenzman F,Krueger J,Burnside S.Surface Photovoltage Spectroscopy of Dye-Sensitized Solar Cells with TiO2,Nb2O5,and Sr-TiO3Nanocrystalline Photoanodes:Indication for Elcetron Injcetion from Higher Excited Dye States［J］.J.Phys.Chem.B,2001,105（27）:6347-6352.

［9］Palomares E,Cliford J.N,Haque S.A.Control of Charge Recombination Dynamics in Dye Sensitized Solar Cells bythe Use ofConformally Deposited Metal Oxide Blocking Layers［J］.J.Am.Chem. Soc.,2003,125:475-478.

［10］Srikanth K,Rahman M.M,Tanaka H.et al.Investigation of the Effect of Sol Processing Parameters on the Photoelectrical Properties ofDye-sensitized TiO2Solar Cells［J］.Sol.Energ.Mat.Sol.C. ,2001,65:171-177.

［11］HuangC.Y,Hsu Y.C,Chen J.G.et al.The Effects of Hydrothermal Temperature and Thickness of TiO2Film on the Performance of a Dye-sensitized Solar Cell［J］.Sol.Energ.Mat.Sol.C.,2006, 90:2391-2397.

［12］Jiu J.T,Isoda S,Wang F.M.et al.Dye-sensitized Solar Cells BasedonaSingle-crystallineTiO2NanorodFilm［J］.J.Phys.Chem. B,2006,110（5）:2087-2092.

［13］Gopal K.M,Karthik S,Maggie P.Use of Highly Ordered TiO2NanotubeArraysinDye-sensitizedSolarCells［J］.NanoLett，2006，6（2）:215-218.

［14］RoyP,KimD.et al.Improved EfficiencyofTiO2Nanotubes in Dye Sensitized Solar Cells by Decoration with TiO2Nanoparticles［J］. ElectrochemistryCommunications,2009,11:1001-1004.

［15］Lin X.R,Zhang D.S.Light Scattering Characteristic of TiO2Nanocrystalline Porous films［J］.Chin.Sci.Bull,2003,48:856-861.

［16］Lee K.M,Suryanarayanan V,Ho K.C.A Study on the Electron Transport Properties of TiO2Electrodes in Dye-sensitized Solar Cells［J］.Sol.EenergyMater.Sol.Cells,2007,91:1416-1420.

Research progress for photoanode of dye-sensitized solar cell

DANG Wei-wu
（College of Mechanics,Shaanxi Institute of Technology,Xi′an 710300,China）

In recent years,there are great research progress about photoanode,which is the important component of dye-sensitized solar cell（DSC）.Some kinds of oxides are used commonly to prepare photoanode,with including TiO2,ZnO,SnO2,Nb2O5,A12O3and so on,TiO2has become the main research material among them,because of its outstanding performance.Especially the properties,morphology,structure of nanocrystalline TiO2can have a greater impact on the photoelectric properties of DSC,its properties is regulated mainly by surface treatment,modification,doping method and so on,and the morphology study is mainly manifested in the one-dimensional structures for TiO2nanomaterials,such as nanowires,nanorods.In this paper,these aspects of researches have summarized simply,with analyzing the key factors affecting cell performances,and a brief outlook has been completed about how to improve more overall and more deep photoelectric property of DSC.

TiO2；photoanode；photoelectric conversion efficiency；dye-sensitized solar cell（DSC）

TM914.4

A

1002-1124（2014）10-0054-03

2014-05-22

黨威武（1985-），男，陜西渭南人，助教，2011年畢業(yè)于陜西師范大學(xué)材料物理與化學(xué)專業(yè)，碩士，主要從事納米材料制備與應(yīng)用、精密機械與測量等方向研究。