染料敏化纳米太阳能电池的研究.doc

【精品文档】如有侵权，请联系网站删除，仅供学习与交流染料敏化纳米太阳能电池的研究.精品文档.染料敏化纳米太阳能电池的研究罗观和 覃旭豪 赵剑伟 卓小玲（五邑大学化学工程与工艺专业广东江门529020）指导老师: 五邑大学 纳米材料与薄膜研究所 王 忆 教授、博士摘要：本实验采用价格低廉的酞菁为染料光敏化剂、用溶胶-凝胶法制备了纳米多孔二氧化钛薄膜，同时采取改进的技术方法制备了电解质、反电极等几个主要部分。成功制备出玻璃基染料敏化纳米晶太阳能电池片，通过优化DSCs各项关键技术和材料性能，获得了较高光电转换效率的染料电池，这为进行产业化和价格低廉化制备大面积的DSCs打下良好基础。关键词：酞菁染料敏化纳米太阳能电池一、引言1991年，Grätzel教授等首次提出以染料敏化介孔TiO2薄膜为阳极的太阳能电池，称为Grätzel电池（DSSC dye-sensitized solar cells）。DSSC比传统的多晶硅具有成本非常低，光电转化效率较高等优点，因此成为当前光电化学电池研究的热点。Gratzel教授将纳米多孔的概念引入染料敏化宽禁带TiO2半导体研究中, 采用高比表面积的纳米多孔TiO2膜作半导体电极，以羧酸联吡啶钌()作染料，并选用适当的氧化还原电解质研制出一种染料敏化纳米晶太阳能光电池。这种电池的出现为光电化学电池的发展带来了革命性的创新，其光电能量转换率在AM1.5模拟日光照射下可达7.1%，入射光子-电流转换效率（IPCE）大于80，接近了多晶硅电池的转换效率，而成本仅为硅光电池的1/10，使用寿命可达15年以上。1997年，Gratzel等人再次报道使用联吡啶钌-TiO2体系的染料敏化纳米太阳能电池，短路电流为18×10-3A/cm2，开路电压为720mV，并于2001年和2004年,电池效率达到10.4%和11.04%,其转换效率可与非晶硅太阳电池相媲美。DSSC固态形式的能量转化效率已从一开始提出时的不到1%，发展到目前的23%，显示出良好的发展前景。目前，染料敏化半导体纳米太阳能电池研究的几个主要方向有，一是通过改进TiO2半导体薄膜的制备技术、TiO2薄膜的化学修饰以及表面包覆处理等来提高DSSC的光电转化效率，二是寻找更为有效的染料敏化剂和电解质，三是研制透明高分子材料为基板的柔韧性阳极电池，以提高其应用性，四是制备高效率染料电池所需的固体电解质材料等。用透明高分子材料代替传统的玻璃基板，既可降低成本，又可增加紫外光的透过率，还可以制成特殊形状的电极。1998年研制出的全固态纳米晶体光电池，利用固体有机空穴传输材料替代液体电解质。作为目前国际上较为热门的研究课题之一，染料敏化纳米晶太阳能电池受到了很多国家的关注。国内：染料敏化纳米晶太阳能光电池研究已被列入我国"九七三"计划中。（1）中国科学院等离子体所于2004年10月建成了中国首个大面积染料敏化纳米薄膜太阳电池500瓦示范电站，由15cm×20cm的电池板组装出1.44平方米的电池方阵，光电转换效率达到5%。中科院物理所孟庆波教授小组成功研制出固体电解质，（2）中山大学研究了用于染料敏化纳米晶薄膜太阳能电池的新型电极工艺和背散射等问题。（3）复旦大学研究了基于纳米粒子复合电解质的固态纳米晶太阳能电池。（4）清华大学利用铜酞菁空穴传输材料制备了全固态染料敏化纳米TiO2太阳能电池。（5）华侨大学研究的天然色素敏化纳米晶太阳能电池转化阳光为电能的效率达到2.1%。 还有武汉大学、东南大学、中科院大连化学所等研究组也取得了一些可喜的研究成果。 在国外，自从Grtzel在实验室研究DSC取得突破以来,DSC的研究引起了企业界人士的极大关注,专利公布生效开始即有澳大利亚、瑞士和德国等的7家公司购买了专利使用权,并投入人力、物力进行实用化和产业化研究。德国光伏研究所(INAP)和澳大利亚STA公司的产业化研究机构进行了产业化前期的探索性研究。澳大利亚STA公司在2001年5月1日,建立了世界上第一个中试规模的DSC工厂,于2002年10月完成,并建立了迄今为止独一无二的面积为200m2 DSC展示屋顶; 瑞士EPFL、欧盟ECN研究所、日本夏普公司和东京科学大学Arakawa等在面积大于1cm2条状电池上取得与小电池相当的效,日本夏普公司和Arakawa等8分别报道了6.3%(265cm2,confirmed,6.3%,101cm2)和8.4%(10×10cm2)的DSC组件光电转换效率。日本日立公司、富士公司、丰田公司和日本夏普公司等在产业化研究上取得了很好的成绩,并在有机染料的探索性研究和柔性衬底DSC电池开发研究上处于世界领先地位。日本岐阜大学(Gifu University)13开发的基于二氢吲哚类有机染料敏化的电沉积纳米氧化锌薄膜的塑性彩色电池效率达到了56%,日本桐荫横滨大学等14开发的基于低温TiO2电极制备技术的全柔性DSC效率超过了6%。日本Peccell Technologies公司日前开发成功了约12cm×12cm、输出电压4V以上、输出电流0.1A以上的基于聚合物柔性衬底的DSC,据称其效率达到43%52%。美国Konarka高技术公司在2002年投资135百万美元,对以透明导电高分子等柔性薄膜等为衬底和电极的染料电池进行了实用化和产业化的研究,该项研究是基于美国军队对柔性和移动性较好的能源转换的应用要求,得到了美国军方的大力支持。美国GE公司也在2000年组织和实施DSC电池项目,并建立了具备一定规模的研究队伍。瑞士LéclancheSA(Swiss)、Solaronix(Swiss)和Greatcell公司都在开发实用化的室内外产品。戴松元教授研究究小组在2003年成功制备出光电转换效率接近6%的15×20cm2及40×60cm2的电池组件11,12，这些结果是目前DSC产业化研究的较好结果15。目前，世界上对DSSC的研究已成为光电化学电池研究的热点。欧、美、日、澳等国均已投入大量的资金研发，并取得一定成效；据863专家介绍，我国在此项目已投入1亿左右人民币，研究主要集中在寻求和制备新型、实用和高效的染料方面。虽说在很多方面取得了一些可喜的进展，然而仍存在不少问题值得进行深入和开拓性的研究。如，高效稳定的纳米经材料的制备工艺、与本导体性质有关的深入考虑、染料敏化剂以及固体电解质、大规模稳地电池的工业化设计等，急需取得突破。 本课外科技研究小组在五邑大学王忆教授的指导下，采取了一些独特的研究方式进行染料敏化纳米晶太阳能电池的研究，已成功制备出染料敏化纳米晶太阳能电池片（从1.5×2cm2 到 18×20cm2等不同尺寸），在几个方面均取得突破，并取得了一些非常满意的实验结果，现正进行较深入地研究，并着手准备进行更大面积电池的组装、研制。太阳光谱图 UV Visible Infrared二、 太阳能电池的分类与研究按照所用材料的不同划分：n 硅太阳能电池(单晶硅、多晶硅、非晶硅） （光电转化效率高，成本高，制备工艺复杂！）n 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）n 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）n 染料敏化纳米太阳能电池 （光电转化效率较高，成本非常低，制备工艺简单！）三、 什么是染料敏化太阳电池？ “染料敏化太阳电池”全称为“染料敏化纳米薄膜太阳电池 ” ，是模拟自然界中的光合作用原理： （1）采用吸附染料的纳米多孔二氧化钛半导体膜作为光阳极； （2）选用适当的氧化还原电解质； （3）用镀铂或氧化锡等的导电玻璃作为光阴极。 四、染料敏化太阳电池的优点 i)染料敏化太阳电池具有安全可靠、无噪声、无污染;ii)不消耗原材料、不必架设高压输电线路、规模可大可小等优点。iii)若批量生产，电池的成本在2美元 /(峰瓦)左右，而普通的硅电池在20-40美元/(峰瓦).因此，染料敏化纳米薄膜太阳电池电池非常适合批量生产，满足城市居民以及广大农村的需要，特别是对我国近七千万边远地区人口的用电具有实际的意义。而且该电池的制作工艺也比较简单 。五、 染料敏化太阳电池的工作原理 染料敏化纳米晶体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。如上图所示，白色小球表示TiO2，红色小球表示染料分子。染料分子吸收太阳光能跃迁到激发态，激发态不稳定，电子快速注入到紧邻的TiO2导带，染料中失去的电子则很快从电解质中得到补偿，进入TiO2导带中的电于最终进入导电膜,然后通过外回路产生光电流。六、 染料敏化TiO2太阳能电池的手工制作过程 材料：微米量级TiO2粉末 酞菁 乙腈溶液 乳胶剂 镀氧化铟锡的导电玻璃 非导电玻璃 铝片 玻璃胶 碘液电解液等。仪器：马福炉 控温搅拌机 烘箱 光谱仪 X射线衍射仪 电子天平等 实验步骤：（1)先把二氧化钛粉末、酞菁 （染料）与二乙醇胺等按一定的比例放入研钵中进行研磨。 (2)接着用玻璃棒缓慢地在导电玻璃上进行涂膜。（3）涂好后把它们分成两批分别在170摄氏度的烘箱烘干和马福炉里退火。（4）涂有二氧化钛膜的为负极。正电极可由普通玻璃贴上铝片构成。（5）在退火后的二氧化钛膜面上滴上碘和碘离子的电解液，在二氧化钛膜的边沿涂上玻璃胶，然后把正电极的导电面朝下压在二氧化钛膜上，密封，用重物压稳。这样，简单的太阳能电池就做成了。七、 产品性能测试电池做出来后，经测量,单片电池的电流可达到1.25mA，电压为0.8-1.25V左右，都比较稳定，并持续比较长的时间。八、本作品的创新及优点（1）国内从事该方面研究的机构或学校很少，而在校大学生进行此类课题研究的更少。（2）用铝电极具有成本低的优点，同时铝与碘电解液能形成碘化铝固体电解质，有望解决了液体电解质的挥发问题。（3）本实验曾采用植物染料效果不错，但产品易老化现采用酞菁染料其光电转化率比较高。钌基染料虽然效率较高但价格十分昂贵。（4）本实验产品通过外部串联和并联，可以达到实用的电流和电压。（5）产品总体成本低：不到硅太阳能电池的1/10 。（6）制造工艺简单,可实现大规模生产。（7）本实验直接将二氧化钛与染料混合后退火，使二氧化钛颗粒与染料酞菁混合均匀，提高其光电转换效率。而没有采取浸泡在染料中的做法。九、实验有待改进的几个方面（1）纳米级二氧化钛颗粒尺寸和疏松度的控制。提高染料的吸附和光利用率。（2）采用溶胶凝胶法工艺制备纳米级二氧化钛薄膜。（3）由于ITO导电玻璃电阻较大，不利于提高太阳能电池功率，应采用导电率较高的导电玻璃。（4）经退火制成的太阳能电池能够延长使用期，但导电玻璃的导电膜易被破坏，使电阻增大应寻求合适的退火温度或合适的导电玻璃。（5）固体电解质的研究和开发等。主要参考文献1ORegan B,Gratzel M. 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