李滑兵(中山市技師學院,廣東 中山 528400)

DSSC理論認知

李滑兵(中山市技師學院,廣東 中山 528400)

描述了DSSC的基本原理；從電子轉(zhuǎn)移及分子動力學角度出發(fā)，通過染料生色團分子與半導體界面構(gòu)造、電子從染料生色團注入到半導體以及回傳電子轉(zhuǎn)移過程介紹了DSSC之光化學與光物理理論研究。

生色團分子；基態(tài)；激發(fā)態(tài)；電子注入

染料敏化太陽能電池簡稱DSSC（Sensitized Solar Cells）主要是指以染料敏化多孔納米結(jié)構(gòu)TiO2薄膜為光陽極的一類半導體光電化學電池。隨著DSSC相關(guān)技術(shù)、材料、設備進一步突破，染料敏化太陽能電池的性價比優(yōu)勢在日常生產(chǎn)應用中能得到充分的展現(xiàn)，必將在太陽能電池領(lǐng)域占有重要一席。對它的研究將有利于緩解當今世界的能源、環(huán)境危機問題，其現(xiàn)實意義不言而喻。

1 基本原理

當有入射光時，染料生色團分子吸收適當?shù)墓庾拥哪芰亢笫紫缺患ぐl(fā)，處在分子外層軌道的電子就會發(fā)生能級躍遷,從最高占有軌道(HOMO)躍遷到最低空軌道(LUMO),分子由基態(tài)變?yōu)榧ぐl(fā)態(tài)，此時染料生色團將電子注入半導體的導帶，失去電子呈氧化態(tài)的染料生色團粒子被中繼電解質(zhì)所還原，然后中繼電解質(zhì)分子擴散到對電極充電，這時整個閉環(huán)電路就產(chǎn)生了（圖1）。

圖1 染料敏化太陽能電池工作原理圖

1、染料生色團分子受光激發(fā)由基態(tài)(Dye)躍遷到激發(fā)態(tài)（Dye*）：

Dye+hν→Dye*

2、激發(fā)態(tài)染料生色團分子將電子注入到半導體的導帶（CB）中：

Dye*→Dye++e-

3、電解質(zhì)中的還原態(tài)離子還原氧化態(tài)染料可以使染料再生：

Red+Dye+→Ox+Dye

4、導帶中的電子與氧化態(tài)染料之間的復合：

Dye++e-→Dye

5、導帶中的電子通過Back contact（背接觸）流入到外電路中：

e-(CB)→e-(BC)

6、電解質(zhì)氧化態(tài)離子擴散到Counter electrode(對電極)上得到電子再次生成電解質(zhì)氧化態(tài)離子：

Ox+e-(CE)→Red

上述原理中，染料生色團分子激發(fā)態(tài)的壽命越長，越有利于電子注入到半導體中，而激發(fā)態(tài)的壽命越短，激發(fā)態(tài)分子有可能來不及將電子注入到半導體的導帶中就已經(jīng)通過非輻射衰減而返回到基態(tài)。

2 DSSC中的電子轉(zhuǎn)移及分子動力學

對染料敏化太陽能電池中發(fā)生的電子轉(zhuǎn)移及分子動力學，光化學及光物理做出合理的解析，為尋找新的染料敏化太陽能電池材料提供必要的幫助。

2.1 染料生色團分子與半導體界面構(gòu)造

染料生色團分子半導體結(jié)構(gòu)造型主要涉及到以下幾個方面：一是物質(zhì)本身，二是染料生色團分子和半導體的方向，三是染料生色團分子和半導體的相對位置，四是橋鍵，五是溶劑，電解質(zhì)等其它因素。當前，大部分染料敏化太陽能電池的研究者一般選TiO2作為半導體材料。理想的染料應滿足：（1）有盡可能寬的波長響應范圍和盡可能大的摩爾消光系數(shù),這樣才能捕獲盡可能多的太陽光,提高DSSC對入射光的捕獲效率；（2）具有羧酸根、膦酸酯等強吸附基團,使其能牢固地自組裝在半導體氧化物薄膜的表面；（3）激發(fā)態(tài)能級要位于半導體氧化物導帶底的能級之上,這樣才有利于電子的注入；（4）染料的氧化還原電勢要盡可能地高,這樣染料陽離子才能夠更有效地與電解質(zhì)中的電子給體發(fā)生反應,獲得再生；（5）要有足夠的穩(wěn)定性,這樣才能保證DSSC很長的使用壽命[1-2]。

2.2 染料生色團分子與半導體界面電子特性

染料生色團半導體界面電子轉(zhuǎn)移的速度和產(chǎn)率是由染料生色團和半導體態(tài)的能量，態(tài)與態(tài)之間的電子耦合及電子振動相互作用所決定的。它們通過共軛體系的π*電子軌道形成，純有機發(fā)色團基態(tài)也是一個π態(tài)，但是過渡金屬生色團的基態(tài)位于n軌道由金屬未分離的電子對占據(jù)著。純有機發(fā)色團包含大的π共軛體系在可見光譜里建立起了小的π-π*能隙。

2.3 電子從染料生色團注入到半導體

時域從頭算模擬闡明了電子注入過程的許多特性，近態(tài)的從頭算電子結(jié)構(gòu)計算既不是反應速率理論也不是當電子發(fā)生本質(zhì)改變時能全面捕獲其過程并對電子轉(zhuǎn)移更高級的現(xiàn)象學處理，然而即時原子模擬更接近其真實情況[3-7]。

2.4 注入電子的分布

原子運動為電子轉(zhuǎn)移過程提供了一個初始狀態(tài)的分布。電子轉(zhuǎn)移既能通過絕熱機理也能通過非絕熱機理發(fā)生。絕熱電子轉(zhuǎn)移中電子保持相同的電子態(tài)，然而這種態(tài)自身改變其性質(zhì)。原子核運動使得這個體系高于過渡態(tài)。供態(tài)位于過渡壁壘一邊，接受態(tài)在另一邊。一個小的能壁就能涉及到原子核的動能產(chǎn)生快速的絕熱電子轉(zhuǎn)移。相反非絕熱過程涉及到不同絕熱態(tài)的電子躍遷，如果初始的絕熱態(tài)在躍遷之前位于給電子體，終態(tài)在接受態(tài)上，非絕熱躍遷產(chǎn)生電子轉(zhuǎn)移。絕熱電子轉(zhuǎn)移被看成是一個純經(jīng)典力學過程，可能涉及到量子力學遂穿效益通過這壁壘，也可能沒有此過程。非絕熱必須是一個量子力學的，這兩種機理有不同的特性[8-9]。

2.5 回傳電子轉(zhuǎn)移過程

理想狀態(tài)下，光激電子注入到半導體上，離開表面，傳遞到對電極上然后通過電解質(zhì)到達發(fā)色團做有用功。然而常常電子釋放到TiO2導帶底部，被表面捕獲最終不能做有效功，通過回傳電子轉(zhuǎn)移到發(fā)色團基態(tài)或者到電解質(zhì)?；貍麟娮愚D(zhuǎn)移包括好幾個細節(jié)：（1）原子運動關(guān)系到回傳電子轉(zhuǎn)移過程；（2）電子與發(fā)色團的再結(jié)合；（3）電子遺失在電解質(zhì)；（4）發(fā)色團和電解質(zhì)兩者存在時電子釋放過程；（5）電子從電解質(zhì)到發(fā)色團的轉(zhuǎn)移[10-13]。

3 結(jié)語

近年來染料敏化太陽能電池的研究重點放在以下幾個方面：（1）尋找或研制高效優(yōu)質(zhì)的染料；（2）修飾或改進優(yōu)化染料內(nèi)部分子結(jié)構(gòu)；（3）研制復合染料增加對光譜帶的吸收寬度；（4）陽極端材料功能的提升。

[1]Bahani,Juris A,Venturi H,Campanga S,Sertoni S,Dend G. Harvesting sunlight by amlicial sup-ramolecular antenna[J].Sol En?ergy Mater Sol Cells,1995,38:159-173.

[2]Bignozzi CA,Argazzi R,Scandoh F,Sehoonover J R,Meyer GJ.Phomsensitization of wide ban-dgap semiconductors with anten?na molecules[J].Sol Energy Mater Sol,Cells,1995.38:187-198.

[3]魯厚芳，閻康平，涂銘旌，影響太陽能電池性能的因素，現(xiàn)代化工，2004(24),1.

表3 準確度數(shù)據(jù)結(jié)果匯總

測得值在證書不確定度范圍之內(nèi)，滿足要求。

2.6 精密度驗證

使用同一標準溶液重復測6次，得到結(jié)果如表4

表4 精密度數(shù)據(jù)結(jié)果匯總

6組數(shù)據(jù)，相對標準偏差為0.2%，滿足要求。

綜上，通過實驗得出標準曲線、檢出限、精密度、準確度都可滿足要求。

3 結(jié)語

按照GB/T 18204.2-2014的方法要求對實驗室進行公共場所甲醛的測定進行確認。實驗室人員、設備、試劑耗材、檢測方法等，都可滿足要求。實驗室具備檢測公共場所空氣甲醛測定的能力。

參考文獻：

[1]黃湘源、徐春秀催化動力學測定食品中衡量甲醛（J）南昌大學學報，2003,27,（1）：78-81.

[2]GB/T 18204.2-2014公共場所中甲醛測定（S）.