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1、染料敏化纳米晶体太阳能电池,Seminar I,指导教师：辛 勤研究员 孙公权研究员,学 生：李焕巧,DMFC-305,主要内容,研究背景工作原理研究进展,研究背景,传统化石能源 能源枯竭 石油：42年，天然气：67年，煤：200年。环境污染 每年排放的二氧化碳达210万吨，并呈上升趋势，造成 全球气候变暖；空气中大量二氧化碳，粉尘含量己严重 影响人们的身体健康和人类赖以生存的自然环境。可再生能源：风能；水能；地热；潮汐；太阳能等,具有明显的区域性,中华人民共和国 国家发展和改革委员会 中国新能源与可再生能源发展规划1999白皮书,传统化石能源 能源枯竭 石油：42年，天然气：67年，煤：20
2、0年。环境污染 每年排放的二氧化碳达210万吨，并呈上升趋势，造成 全球气候变暖；空气中大量二氧化碳，粉尘含量己严重 影响人们的身体健康和人类赖以生存的自然环境。可再生能源：风能；水能；地热；潮汐；太阳能等,中华人民共和国 国家发展和改革委员会 中国新能源与可再生能源发展规划1999白皮书,太阳能的利用,洁净能源：与 石 油、煤炭等矿物燃料不同，不会 导致“温室效应”，也不会造成环境污染,资源丰富：40分钟照射地球辐射的能量全球人类 一年的能量需求,使用方便：同水能、风能等新能源相比，不受地域 的限制，利用成本低。,太阳能电池,按照所用材料的不同：硅太阳能电池(单晶硅、多晶硅、非晶硅）（光电转
3、化效率高，成本高，制备工艺复杂！）以无机盐如砷化镓、硫化镉、铜铟硒等多元化合物为材料的电池（镉：剧毒。铟、硒：稀有元素）功能高分子材料制备的大阳能电池（处于研发初期、转化效率低、使用寿命短）染料敏化纳米晶体太阳能电池（正在研发）,Table 1 Performances of Main Solar Cells,M.Grtzel,Photoelectrochemical cells,Nature 2001(414),338,Margolis and Kammen,Science 285,690(1999),Efficiency of Photovoltaic Devices,1950,1960,
4、1970,1980,1990,2000,5,10,15,20,25,Efficiency(%),Year,染料敏化纳米晶体太阳能电池,目前，DSSCs的光电转化效率已能稳定在10以上，寿命能达1520年，且其制造成本仅为硅太阳能电池的1/51/10.,Ref：ORegan B.and Grtzel M.,Nature,1991,353,737740,1991年，Grtzel M.于Nature上发表了关于染料敏化纳米晶体太阳能电池（Dye Sensitized Solar Cells，简称DSSCs）的文章以较低的成本得到了7%的光电转化效率，为利用太阳能提供了一条新的途径.,1997年，该电
5、池的光电转换效率达到了10%11%，短路电流达 到18mA/cm2,开路电压达到720mV；,1998年，采用固体有机空穴传输材料替代液体电解质的全固态 Gratzel电池研制成功，其单色光电转换效率达到33%，从而引 起了全世界的关注。,优 点,制成透明的产品，应用范围广；在各种光照条件下使用；光的利用效率高；对光阴影不敏感；可在很宽温度范围内正常工作,电池结构,染料敏化纳米晶体太阳能电池（DSSCs）（或称Grtzel型光电化学太阳能电池）主要包括镀有透明导电膜的玻璃基底，染料敏化的半导体材料、对电极以及电解质等几部分。,工作原理,S*S+e-CB(TiO2),S+A-S+A,A+e-(C
6、E)A-,Voc=1/q【（Ef）TiO2(E（R/R-）)】,评价性能的参数（一）,=LHE（）injc,LHE（）=1-10-(),为每单位平方厘米膜表面覆盖染料的摩尔数;()为染料吸收截面积。,inj=kinj/(-1+kinj),kinj为电子注入的速率常数；为激发态寿命。,入射单色光的光电转换效率(IPCE),inj为电子注入的效率,c是电极收集注入电荷的效率,c是电极收集注入电荷的效率,光吸收效率,Ref:Nazeeruddin,M.K.,Grtzel,M.,J.Am.Chem.Soc.1993,115,6382,iph：短路电流；Voc：开路电压；ff：填充因子；Is：入射光强度
7、。,总转化效率(输出功率与输入功率之比)：,评价性能的参数（二）,影响电池光电转化效率的因素,采光效率电子的注入收集效率,有机光敏染料的光吸收性能,有机光敏材料与纳米微晶半导体材料的能级的匹配,电子在薄膜中的扩散性能,研究进展,敏化剂纳米半导体材料电解质其他方面,敏化剂,吸收尽可能多的太阳光；紧密吸附在纳米晶网络电极表面；（COOH,-SO3H,PO3H2等）与相应的纳米晶的能带相匹配；激发态寿命足够长；具有长期的稳定性,敏化剂分类,联吡啶金属络合物系列 酞菁（Phthalocyanine）系列卟啉（Porphyrin）系列纯有机染料系列,N3,Black dye,Ref:Nazeeruddi
8、n M.K.,et al.,J.Am.Chem.Soc.,1993,115,6382 Nazeeruddin M.K.,et al.,Chem.Commun.,1997,1705-1706,联吡啶金属络合物系列,Ref:Hagfeldt A.and Grtzel M.,Acc.Chem.Res.,2000,33,269-277,Wavelength nm,Black dye,Ref:N azeeruddinM K,GratzelM J.Am.Chem.Soc.1993,115:6382 Hagfeldt A.and Grtzel M.,Acc.Chem.Res.,2000,33,269,N3
9、和Black Dye性能比较,卟啉系列和酞菁系列,Ref:(1)A.Kay,M.Gratzel,et al.,.1993,97,6272(2)M.M.Ressler and R.K.Panday,Chemtech,1998,3.39,Ref:Sayama K.,et al.,Chem.Commun.,2000,1173,Merocyanine derivative,Mb(18)-N with an overall=4.2%,纯有机染料系列（一）-半菁染料衍生物,Ref:Hara K.,et al.,New J.Chem.2003,27,783,NKX-2311,NKX-2677,纯有机染料系列
10、（二）-香豆素衍生物,Ref:Hara K.,et al.,New J.Chem.2003,27,783,NKX-2677,Ref:Hara K.,et al.,New J.Chem.2003,27,783,NKX2677 性能,纳米半导体材料,金属硫化物、金属硒化物、钙钛矿以及钛、锡、锌、钨、锆、铪、锶、铁、铈等的氧化物均可用作DSSCs的中的半导体材料.1999 年,Guo（1）报道了Nb2O5 染料敏化的太阳能电池.2000 年,Poznyak（2）等人还报道了纳米晶体In2O3 薄膜电极 的光电化学性质.在国内,目前北京大学的研究者（3）们对各种染料敏化纳米薄膜研 究得较多。在这些半导
11、体材料中,TiO2,ZnO 和SnO2的性能较好.,Ref（1）Guo P,Aegenter M A.Thi n Soli d Film,1999,351:290（2）Poznyak S K,Kulak A Electrochimica Acta,2000,45:1595（3）李斌等，感光科学与光化学,2000，18，336,纳米TiO2 薄膜极材料,Scanning electron micrograph of the surface of a mesoporous anatase film prepared from a hydrothermally processed TiO2 coll
12、oid.The exposed surface planes have mainly 101 orientation.Porosity:50%.Average pore size:15nm;,制备方法：溶胶凝胶法；水热反应法；溅射法；醇盐水解法；溅射沉积法；等离子喷涂法；丝网印刷法等,微观结构（孔径 气孔率）,Ref：ORegan B.and Grtzel M.,Nature,1991,353,737,电 解 质 材 料,液态电解质存在的缺点：,易导致敏化染料的脱附;(2)溶剂易挥发,与敏化染料作用导致染料降解;(3)密封工艺复杂;(4)载流子迁移速率很慢,在高强度光照时不稳定;(5)存在其他
13、氧化还原反应,Ref：Tennakone K,Perera V P S,et al.J.Phys.D:Appl.Phys.,1999,32,374.,固 态 空 穴 传 输 材 料,Grtzel 等人在1998 年用2,2,7,7-四(N,N-二对甲氧基苯基氨基)-9,9-螺环二芴(OMeTAD,如下图所示)作为空穴传输材料,得到了单色效率高达33%的电池。,Bach U,Lupo D,Comte P,et al.Nat ure,1998,395:583,面临的主要问题,染料问题（现在公认使用效果较好的N3 制备过程较复杂,因而价格也比 较昂贵。因此,寻找低成本而性能良好的染料成为当前研究的一个热点）纳米材料（如何获得制备方法简单、尺寸分布可控的纳米材料？）电解质及基体材料（为达到商业化的目标 溶液电解质要逐步用固体电解质取代，以提高稳定性和使用寿命）电池的串并联问题,结 论,成本低：仅为硅太阳能电池的1/51/10；寿命长：使用寿命可达15-20年；大规模生产：结构简单、易于制造。,因此，DSSCs是一类非常有前途的清洁太阳能转换装置，对它的研究将有利于缓解当今世界的能源危机问题，具有非常重要的现实意义。,样 机,谢谢大家！,
