王海亮
摘 要:太陽能是一種最具潛力成為將來人們使用的能源,而太陽能電池正是實現(xiàn)這一夢想的有效手段,其價格便宜、制作簡單、污染較少是其他電池無可比擬的。而解決DSC電池電解質(zhì)、電極材料、光敏染料等技術(shù)核心問題依然需要我們化學工作者為之付出孜孜不倦的努力,將清潔的、高效的、方便的能源帶到千家萬戶是我們共同的理想,也是新世紀全面、協(xié)調(diào)、可持續(xù)發(fā)展的必然結(jié)果!
關(guān)鍵詞:染料敏化;結(jié)構(gòu);原理;因素;優(yōu)勢
1 染料敏化太陽能電池(DSSC)的結(jié)構(gòu)與原理
1.1結(jié)構(gòu)
DSSC的結(jié)構(gòu)是典型的“三明治”結(jié)構(gòu),光敏染料太陽能電池的構(gòu)造和原理,一般是由光陽極、敏化染料、氧化還原電解質(zhì)以及對電極(通常為鉑電極)組成。其中光陽極包括:透明導電基底(這里為導電玻璃)、納米多孔半導體。
1.2工作原理
當太陽光照射在染料敏化太陽能電池上,染料分子中基態(tài)電子被激發(fā),激發(fā)態(tài)染料分子將電子注入到納米多孔半導體的導帶中,注入到導帶中的電子迅速富集到導電玻璃面上,傳向外電路,并終回到對電極上。而由于染料的氧化還原電 位高于氧化還原電解質(zhì)電對的電位,這時處于氧化態(tài)的染料分子隨即被還原態(tài)的電解質(zhì)還原。然后氧化態(tài)的電解質(zhì)擴散到對電極.上得到電子再生,如此循環(huán),即產(chǎn)生電流。電池的大電壓由氧化物半導體的費米能級和氧化還原電解質(zhì)電對的電位決定。
2 影響染料敏化太陽能電池轉(zhuǎn)換效率的因素
2.1敏化染料
敏化染料直接影響到對光子的吸收和整個電池的光電轉(zhuǎn)化效率,因此敏化染料應(yīng)該具有以下條件:(l)與TiO2納米晶半導體電極表面有良好的結(jié)合性能,能夠快速達到吸附平衡,而且不易脫落;(2)在可見光區(qū)有較強的、盡可能寬的吸收帶以吸收更多的太陽光,可以捕獲多的能量,提高光電轉(zhuǎn)換效率;(3)染料的氧化態(tài)和激發(fā)態(tài)的穩(wěn)定性較高,且具有盡可能高的可逆轉(zhuǎn)換能力;(4)激發(fā)態(tài)壽命足夠長,且具有很高的電荷傳輸效率;(5)有適當?shù)难趸€原電勢以保證染料激發(fā)態(tài)電子注入到TiO2導帶中;(6)敏化染料分子應(yīng)含有大二鍵、高度共扼、并且有強的給電子基團。
2.2 TiO2納米多孔膜
TiO2納米多孔膜具有孔隙率高,比表面積大的優(yōu)點,應(yīng)用于DSC,一方面可吸收更多的染料分子;另一方面薄膜內(nèi)部晶粒間的互相多次反射,使太陽光的吸收加強。納米TiO2電極是太陽能電池的關(guān)鍵,其性能直接關(guān)系到太陽能電池的效率。此外,TiO2膜晶粒的大小和有序程度,對電池的性能也有很大影響。
2.3電解質(zhì)
DSC電解質(zhì)對整個電池的性能有很大影響,電解質(zhì)的關(guān)鍵作用是將電子傳翰給光氧化染料分子,并將空穴傳翰到對電極。液態(tài)電解質(zhì)是透明的液體,不會阻礙染料對光的吸收,而且能完全覆蓋涂有染料的納米多孔TiO2膜,充分利用了納米膜的高比表面,有利于電荷的傳輸,但也存在一些缺點:(1)液態(tài)電解質(zhì)的存在易導致吸附在TiO2薄膜表面的染料解吸,影響電池的穩(wěn)定性;(2)溶劑會揮發(fā),可能與敏化染料作用導致染料發(fā)生光降解;(3)密封工藝復雜,密封劑也可能與電解質(zhì)反應(yīng),因此所制得的太陽能電池不能存放很久,一般不超過7d;(4)電解質(zhì)本身不穩(wěn)定,易發(fā)生化學變化,從而導致太陽能電池失效。因此要使DSC走向?qū)嵱?,須首先解決電解質(zhì)問題.固體電解質(zhì)是解決上述問題的有效途徑之一。
3 DSC太陽能電池存在的優(yōu)勢
DSC與傳統(tǒng)的太陽電池相比有以下一些優(yōu)勢:⑴壽命長:使用壽命可達15-20年;⑵結(jié)構(gòu)簡單、易于制造,生產(chǎn)工藝簡單,易于大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn);⑶制備電池耗能較少,能源回收周期短;⑷生產(chǎn)成本較低,僅為硅太陽能電池的1/5~1/10,預(yù)計每蜂瓦的電池的成本在10元以內(nèi)。⑸生產(chǎn)過程中無毒無污染;經(jīng)過短短十幾年時間,染料敏化太陽電池研究在染料、電極、電解質(zhì)等各方面取得了很大進展。同時在高效率、穩(wěn)定性、耐久性、等方面還有很大的發(fā)展空間。但真正使之走向產(chǎn)業(yè)化,服務(wù)于人類,還需要全世界各國科研工作者的共同努力。這一新型太陽電池有著比硅電池更為廣泛的用途:如可用塑料或金屬薄板使之輕量化,薄膜化;可使用各種色彩鮮艷的染料使之多彩化;另外,還可設(shè)計成各種形狀的太陽能電池使之多樣化。總之染料敏化納米晶太陽能電池有著十分廣闊的產(chǎn)業(yè)化前景,是具有相當廣泛應(yīng)用前景的新型太陽電池。相信在不久的將來,染料敏化太陽電池將會走進我們的生活。
4 國內(nèi)對于染料敏太陽能電池的未來研究趨勢
目前針對染料敏化太陽能電池的研究還處于進步階段,雖然有了一定的成果,但離成熟還距離很遠。北京大學稀土材料化學實驗室的多位專家在對染料的研究已經(jīng)相當深入,對電極材料的優(yōu)化也有很好的效果。另外,中科院孟波等人對染料敏化太陽能電池組件以及封裝技術(shù)都進行了系統(tǒng)化的研究,為染料敏化太陽能電池產(chǎn)業(yè)化發(fā)展提供了基礎(chǔ)保障。在未來一個階段,針對納米TiO2的制備與敏化染料的研究將會進一步深入,在固態(tài)電解質(zhì)方面,研究其代替液態(tài)電解質(zhì)將是今后的研究重點,固態(tài)將是未來的趨勢,適應(yīng)社會的不斷發(fā)展,同時它也是染料敏化太陽能電池實用化的前提條件。最后,需要對電子的導入與傳輸?shù)膬?nèi)部運轉(zhuǎn)進行深入研究,通過一定的方法使得電池進一步優(yōu)化,設(shè)計出更有利于光吸收的太陽能電池,實現(xiàn)實用化與產(chǎn)業(yè)化。
5 結(jié)語
染料敏化太陽能電池是一種新型的太陽能電池,由于其制作工藝簡單,制造成本低廉,有著廣泛的應(yīng)用前景,是太陽能電池的重要發(fā)展方向。
參考文獻
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(作者單位:英利能源(中國)有限公司)