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1、染料敏化太阳能电池DSSC,1.,2.,3.,5.,引言,DSSC原理,DSSC制作工艺,结语,目录,6.,参考文献,4.,DSSC应用,1.引言,1.随着能源危机与环境污染问题越来越严重，社会各界对 能源消耗的可持续性发展日益重视，尤其引起了各国政府对清洁的、可再生能源的关注和青睐。2.太阳能作为一种新能源,具有取之不尽,用之不竭,就地取材,对环境友好等特点。,国际空间站太阳能电池板,多晶硅太阳能电池,Solar Cells分类,单晶硅，多晶硅，非晶硅,1991年，由瑞士的科学家Grtzel等人采用二氧化钛纳米粒子作为染料载体，制作了染料敏化太阳能电池，将其转化效率提高到7%，继而迎来了DS
2、SC的新时代。,2.DSSC原理-组成部分,N3,N719,Pt,C,I-/I3-,纯TiO2,掺杂修饰,敏化剂：染料分子的作用就是吸收太阳光，将基态电子激发到高能态，然后再转移到外电路，它的性能是决定电池转换效率的重要因素之一。在染料敏化太阳能电池的发展中，钌的配合物一直起着重要的作用，所以将染料敏化剂分为多吡啶配合物敏化剂、有机染料敏化剂和窄带隙半导体敏化剂三类。电解质：在染料敏化太阳能电池中起着传输电子和再生染料的作用。对纳晶染料敏化太阳能电池的电解质而言，首先要求具有合适的与染料相匹配的氧化还原能级，其次电解质中离子输运要快。目前，最常用的电解液是将I-/I3溶解在有机溶剂中。对电极：
3、作为完整的电流回路，必须有一个对电极还原I3-离子，从而实现电子在回路的传导，该反应越快，光电响应越快。目前采用的对电极主要有载铂的导电玻璃和碳材料。光阳极：它是制备在导电玻璃上的纳米晶半导体薄膜，是DSSC的关键部分。目前研究的电极材料只要有TiO2,ZnO,SnO2等，其中TiO2作为光阳极研究最为广泛。,优点 纳米TiO2具有合适的禁带宽度，化学稳定好、无毒，具有优越的光电介电效应，已在许多方面获得了应用。,缺点 作为光阳极时电子与空穴有一定的复合，因此需要对其进行改性研究，其中掺杂TiO2的研究占有很大部分。,TiO2光阳极,多孔的纳米晶TiO2电极结构极大的提高电极的染料吸附量，同时
4、增加光线在薄膜电极中的散射性能，提高光的吸收效率,同时溶液渗透性能好，几乎每个纳米颗粒都与电解质接触，这为光生电子、空穴进行的界面氧化和还原反应提供了有利的坏境。,DSSC中电流产生机理,染料Dye受到可见光激发由基态跃迁到激发态(Dye*)：,激发态染料分子将电子注入到半导体的导带(CB)中：,I-离子还原Dye+使染料再生：,导带中的电子与Dye+之间发生复合：,导带(CB)中的电子在二氧化钛网络中传输到导电玻璃后接触面(BC)后而流入 到外电路中：,在二氧化钛薄膜中传输的电子与进入二氧化钛膜间隙的I3-离子复合：,I3-离子扩散到对电极(CE)上,得到电子，使I-再生：,具体过程如下：,
5、和其他太阳能电池不同，在染料敏化太阳能电池中，光的捕获和光生载流子的传输是由敏化剂和TiO2半导体分别完成的。,DSSC输出参数,（1）短路光电流(Isc)：电路处于短路时的光电流，它等于光子转换成电子一空穴对的绝对数量，此时，电池输出的电压为零。（2）开路光电压（Voc）：电路处于开路时的光电压称，此时，电池的输出电流为零。（3）填充因子(FF)：电池具有最大输出功率（Pmax）时的电流（Iopt）和电压（Vopt）的乘积与短路光电流和开路光电压的乘积的比值称为填充因子；实际上，填充因子在I-V曲线上是两个长方形面积之比。（4）光电能量转化效率（）：电池的最大输出功率与输入光的功率(Pin)
6、的比值称为光电能量转化效率。,光电流-光电压曲线,Isc和Voc是电池最重要的两个参数，较大的Isc和Voc值是产生较高能量转化效率的基础。对于两者都相同的两个电池，起作用的就是填充因子了，填充因子高的电池，能量转化效率就高。,合成纳米晶TiO2,NH3气氛中中压灼烧,得到N-TiO2,以N719为敏化剂铂电极为对电极,分别组装成染料敏化太阳能电池,3.DSSC制作工艺,纳米晶TiO2多孔薄膜电极的制备方法,目前制备纳晶TiO2多孔薄膜电极的方法主要有两种:(1)采用商品化的TiO2纳米颗粒为原料，加入一定的溶剂制成TiO2胶体，通过刮涂、丝网印刷等技术制备TiO2薄膜电极:(2)以钛盐作原料
7、，采用溶胶一凝胶水热法制备TiO2胶体，之后通过刮涂、丝网印刷等技术制备TiO2薄膜电极。,氮掺杂TiO2的制备方法,气氛下灼烧法：将TiO2或其前驱体在空气或含氮气氛(NH3，N2或是NH3，与Ar气的混合气体)中锻烧，气体受热分解出高活性的N离子渗入TiO2表面，取代TiO2分子中少量的氧原子，生成TiO2-xNx型化合物，得到掺氮产品。这种制备工艺是2001年Asahi提出的，目前较为常用。水解沉淀法：先将氨水滴加到Ti(SO4)2水溶液中制得水解沉淀产物，再将洗净的沉淀干燥后，在400煅烧1h，制备出氮掺杂二氧化钛。溶胶-凝胶法：将钛酸盐或钛合物与氨水等含氮物质反应制备出溶胶-凝胶，再
8、干燥灼烧的方法制备出N掺杂TiO2。还有机械化学法，激光脉冲法等。,TiO2与N-TiO2光阳极性能对比,I-T曲线,I-V曲线,结果讨论,I-V曲线表明了N-TiO2比TiO2光阳极的短路光电流和开路光电压都高，电子传输速度更快，有利于电子与空穴分离，光电转换效率(=7.84)比纯二氧化钛(=5.97)有了显著提高，光电性能得到明显改善，且I-T曲线表明N-TiO2比TiO2的电流响应更敏感，二者曲线均较平稳，均有较好的稳定性。,应用,全球染料敏化太阳能电池（DSSC）的产业先驱者-G24 Innovations（G24i）总部位于美国加州。全球首批商用DSSC由G24i公司研发并上市，其组
9、件可替代传统的硅太阳能电池，且成本更低，更轻便耐用，在地形和光线条件受限的地方均能适用G24i公司采用滚对滚(roll-to-roll）技术在柔性基板上流水线快速制作，而国内企业目前还没有掌握染料敏化太阳能电池生产线技术。目前已有美国G24i公司、澳大利亚DYESOL公司、德国BOSCH公司、日本SONY公司等多个国际大企业与中国长春应化DSSC研究组建立了密切合作关系，致力于使这种新型太阳电池应用于汽车、电动工具、便携电子产品等多个领域。美国G24i公司利用该成果生产的可用于日常生活的太阳电池，仅有10张A4纸重叠在一起那么厚，也像纸一样柔软，且绚丽美观，即使在普通灯光下，这种电池也能发挥作
10、用。,Solar powered keyboard,Graetzel solar bag,产品展示,结语,染料敏化太阳能电池虽然引起了各国科学家的关注，但是还存在着一些制约因素，比如半导体材料表面的缺陷，能量损失，染料稳定性有待提高，液态电解质的封装问题，固态电解质的电导率低等，导致总的能量转换率低，随着人们对清洁能源的强劲需求，DSSC简单的制作工艺，较低的成本，以及潜在的优越性能，将使其成为未来太阳能电池的主导。,参考文献,1 ORegan,B.;Grtzel,M.A low-cost,high-efficiency solar cell based on dye-sensitized c
11、olloidal TiO2 filmsJ.Nature,1991,353-737.,3 康志敏，郝彦忠，王庆飞，童汝亭，戴松元，固态TiO2纳米太阳电池研究进展J.化学研究与应用，2003,15:31-35.,4 王瑞斌,戴松元,王孔嘉.Sol-Gel法制备纳米TiO2过程中水解pH值的影响及其性能表征J.功能材料,2002,3:296-297.,5 王瑞斌,戴松元,王孔嘉.纳米TiO2对染料敏化纳米薄膜太阳电池的影响J.中国科学院研究生学报,2001,18:28-30.,6 X.Wang,Y.Yang,et al.Preparation of TiNxO2-x photoelectrodes with NH3 under controllable middle pressures for dye-sensitised solar cellsJ.Eur.J.Inorg.Chem.2009,3481-3487.,2 Grtzel,M.Photovoltaic and photoelectrochemieal conversion of solar energyJ.Philos.T.Roy.Soe.A,2007,365:993-1005.,7 黄雪峰.水热法制备N掺杂纳米TiO2及其光催化活性研究J.环境化学,2006(1):16-19.,
