染料敏化太阳能电池ppt课件.ppt

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1、染料敏化太阳能电池Dye sensitized solar cell主要类容主要类容DSSC的提出背景及发展历程的提出背景及发展历程DSSC转化效率的主要参数转化效率的主要参数DSSC的优缺点和硅电池比较的优缺点和硅电池比较DSSC的制作原理及工艺流程的制作原理及工艺流程DSSC的技术现状和效率分析的技术现状和效率分析DSSC的应用领域和发展前景的应用领域和发展前景1、DSSC的提出背景及发展历程 提出背景提出背景1960 年代，年代，H.Gerischer，H.Tributsch，Meier及及R.Memming发现染料发现染料吸附在半导体上并在一定条件下产生电流的现象，成为光电化学电池的重

2、吸附在半导体上并在一定条件下产生电流的现象，成为光电化学电池的重要基础。要基础。20世纪世纪70年代发展起来的硅，砷化镓窄禁带半导体等高效光伏电池效率基年代发展起来的硅，砷化镓窄禁带半导体等高效光伏电池效率基本上大于本上大于18%，但窄禁带半导体具有严重的光腐蚀现象，需要高纯度的半，但窄禁带半导体具有严重的光腐蚀现象，需要高纯度的半导体晶体。成本昂贵，难以大面积推广和多领域使用。导体晶体。成本昂贵，难以大面积推广和多领域使用。TiO2等宽禁带半导体具有较高的光、热稳定性，具有更强的使用范围。同等宽禁带半导体具有较高的光、热稳定性，具有更强的使用范围。同时价格低廉，制作成本较低时价格低廉，制作成

3、本较低一次性能源枯竭，环境恶化。可再生能源成为现在的主流，一次性能源枯竭，环境恶化。可再生能源成为现在的主流，DSSC相对更相对更加清洁。加清洁。 1、DSSC的提出背景及发展历程的提出背景及发展历程 发展历程发展历程19701970年起年起，R.MemmingR.Memming，H.GerischerH.Gerischer，HauffeHauffe，H.TributshH.Tributsh等人大量研究等人大量研究了各种染料敏化剂与半导体纳米晶间光敏化作用，研究主要集中在平板电了各种染料敏化剂与半导体纳米晶间光敏化作用，研究主要集中在平板电极上，这类电极只有表面吸附单层染料，光电转换效率小于极

4、上，这类电极只有表面吸附单层染料，光电转换效率小于1%1%。19931993年年, Gratzel M., Gratzel M.等人再次研制出光电转换效率达等人再次研制出光电转换效率达10 %10 %的染料敏化太阳的染料敏化太阳能电池能电池, , 已接近传统的硅光伏电池的水平。已接近传统的硅光伏电池的水平。2002 2002 年年, STA, STA建立了迄今为止独一无二的面积为建立了迄今为止独一无二的面积为200m2 DSC 200m2 DSC 显示屋顶显示屋顶, ,使使用用 含有离子液态聚合物凝胶电解质的准固态染料敏化纳米晶太阳能电池，含有离子液态聚合物凝胶电解质的准固态染料敏化纳米晶太阳

5、能电池，其光电转换效率可达其光电转换效率可达5.3 % 5.3 % 。目前目前DSSCDSSC的光电转化效率已能稳定在的光电转化效率已能稳定在10%10%以上，据推算寿命能达以上，据推算寿命能达15152020年，年，且其制造成本仅为硅太阳能电池的且其制造成本仅为硅太阳能电池的1/51/51/101/10。 2. DSSC的制作原理及工艺流程 DSSC结构结构半导体材料半导体材料光阳极光阳极对电极对电极电解质电解质染料染料 2. DSSC的制作原理及工艺流程 DSSC工作原理工作原理 导带中的电子在纳米晶网络中传输到后接触面(back contact ，BC)后而流入到外电路中：e-(CB)

6、e-(BC) 纳米晶膜中传输的电子与进入TiO2 膜的孔中的I3-离子复合：I3- + 2e-(CB) 3I-， I3-离子扩散到对电极上得到电子使I-离子再生：I3- + 2e-(CE) 3I-， 染料(S)受光激发由基态跃迁到激发态（S*）：S + h S* 激发态染料分子将电子注入到半导体的导带中：S* S+ + e-(CB) I-离子还原氧化态染料可以使染料再生：3I- + 2S+ I3- + 2S， 导带中的电子与氧化态染料之间的复合：S+ + e-(CB) S， 2. DSSC的制作原理及工艺流程 DSSC工艺流程工艺流程1、电池导电基底的选取、电池导电基底的选取采用氧化铟锡（俗称

7、ITO）导电玻璃，它是在钠钙基或硅硼基基片玻璃的基础上，利用磁控溅射的方法镀上一层ITO膜加工制作成的2、光阳极的制备、光阳极的制备将制备好的TIO2纳米管，采用匀胶机涂抹在导电玻璃的固定区域，然后在扩散炉中用450 退火30min。退火后用染料敏化24小时后用N2吹干，避光储存。 2. DSSC的制作原理及工艺流程 DSSC工艺流程工艺流程3，对电极的制备，对电极的制备将C纳米管/Pt电镀在导电玻璃上面，加快电子的运动，提高氧化还原的速率4，DSSC电解液制备电解液制备常用的电解质包括液态、准固态、全固态等。采用电解质将碘和碘化钠溶于有机溶液中制备而成。 2. DSSC的制作原理及工艺流程

8、DSSC工艺流程工艺流程5，电池封装，电池封装采用热膜封装技术，将电池的四周用绝缘加热封装固定。封装膜不宜太厚，保证电池内部接触良好6，DSSC电解液注入电解液注入 将前面配制好的电解液用直径100m的针孔将电解液注入到封装好的DSSC中，完成后即为成品 2. DSSC的制作原理及工艺流程 TiO2TiO2纳米管制作纳米管制作模板合成法 模板法是利用模板的形态结构，通过沉积和分解作用来合成与模板具有类似结构的材料，是制备一维纳米材料的常用方法；阳极氧化法 ：将纯钛片置于电解溶液(如HF、NH4F(NH4)2SO4或Na2SO4NaF的混合液)中，经阳极腐蚀而获得不同形貌、不同晶化度的TiO2纳

9、米管。 2. DSSC的制作原理及工艺流程 TiO2TiO2纳米管制作纳米管制作水热法制备二氧化钛纳米管：将TiO2纳米粒子与强碱溶液放在一个密闭的反应容器中,通过对反应容器加热,创造一个高温、高压反应环境制备TiO2纳米管的方法2. DSSC的制作原理及工艺流程化学法（银镜镜反应）在碱性条件下与AgNO3的葡萄糖,得到表面载Ag的二氧化钛纳米管(Ag/TiO2)银镜反应方程式银镜反应方程式：CH2OH-CHOH-CHOH-CHOH-CHOH-CHO+2Ag(NH3)2OH CH2OH-CHOH-CHOH-CHOH-CHOH-COONH4+2Ag+3NH3+H2O光化学沉积：在AgNO3溶液中

10、TiO2纳米管在紫外光照射下，将Ag+离子还原为Ag单质，并沉积在TiO2纳米管表面Ag/TiO2 Ag/TiO2 纳米管制备纳米管制备 2. DSSC的制作原理及工艺流程 染料敏化液的制备技术染料敏化液的制备技术TiO2敏化剂可以采用天然染料，常用叶绿素酸酯和类黄酮类染料作为染料敏化剂。类黄酮类，如花青苷，大量地存在与陆地上植物的叶子、果实和花中，它们的作用是保护植物免受紫外线的侵害以及吸引昆虫和鸟类传授花粉，特别是它们非常稳定，可以用来作为纳米晶体染料敏化光电池中的天然染料敏化剂。常采用天然叶绿素作敏化剂。也可以，以四苯基卟啉为原料，合成金属卟啉为敏化剂，合成反应式为: 3. DSSC转化

11、效率的主要参数 DSSCDSSC的伏安特性的伏安特性衡量光电化学太阳能电池的性能主要有衡量光电化学太阳能电池的性能主要有四四个评价参数：个评价参数：(1) 短路光电流短路光电流(ISC)：太阳能电池在短路条件下的工作：太阳能电池在短路条件下的工作电流。此时，电池输出的电压为零。电流。此时，电池输出的电压为零。(2) 开路光电压开路光电压(VOC)：太阳能电池在开路条件下的输：太阳能电池在开路条件下的输出电压。此时，电池的输出电流为零。出电压。此时，电池的输出电流为零。(3) 填充因子填充因子(FF)：填充因子定义为：填充因子定义为：FF= Pmax / Ioc *VOC。(4) 能量转换效率能

12、量转换效率()：定义为太阳能电池的最大输出功：定义为太阳能电池的最大输出功率与入射太阳光的能量率与入射太阳光的能量(Plight)之比。之比。=Pmax/Plight=FF Isc Voc/Plight 3. DSSC转化效率的主要参数 DSSCDSSC转化效率的影响因子转化效率的影响因子1、敏化液的选取敏化液在DSSC中有至关重要的作用，它可以提高TiO2的光谱，从原来的350nm直接拓宽到整个可见光光谱，极大的提升了DSSC对光的吸收效率2、催化效果在DSSC的工作过程中，电解液需要快速的氧化还原反应才能提供足够多的电子来进行光电转换，一般利用Pt做催化剂 3. DSSC转化效率的主要参数

13、 DSSCDSSC转化效率的影响因子转化效率的影响因子4、电解液制备5、暗电流影响电解质的组成及溶剂配方对太阳能电池的影响很大。电解质中还原剂必须能迅速地还原染料正离子，而自身还原电位要低于电池电位。电解质可分为液体电解质与固体电解质。3、封装技术DSSC的封装有很严格的要求，既要保证电解液不能泄漏，同时也要保证电池的组成部分接触良好，封装用的塑料薄膜不能够太厚。电池片在反偏压条件下,没有入射光时产生的反向直流电流暗电流反向饱和电流漏电流 4. DSSC的技术现状和效率分析 行业领军人物行业领军人物 戴松元 博士，研究员，博导。国家重点基础研究规划项目（973项目）首席科学家（2006年201

14、1年，中国科学院新型薄膜太阳电池重点实验室 主任，中国科学院等离子体物理研究所太阳能材料与工程研究室主任。1994年开始主要从事染料敏化太阳电池研发工作。近5年来已在国内外会议、期刊上发表论文150余篇，已申请发明专利19项，获授权发明专利8项，实用新型专利授权3项。先后完成中科院院长特别基金、世界实验室项目、973项目、中科院知识创新项目和安徽省重大科技攻关项目12项等。目前本人和团队作为首席承担单位正在承担973项目一项，协助承担863重点课题一项、科学院和安徽省等项目15项。 5. DSSC的优缺点和硅电池比较的优缺点和硅电池比较 优点优点(1) 寿命长：使用寿命可达15-20年；(2)

15、 结构简单、易于制造，生产工艺简单，易于大规模工业化生产；(3) 制备电池耗能较少，能源回收周期短；(4) 生产成本较低，仅为硅太阳能电池的1/51/10，预计每蜂瓦的电池的成本在10元以内。(5) 高清洁，生产过程中无毒无污染；(6)质量轻，便于携带。(7)透光率高光电转换效率比较低；目前所用的电解质缺陷比较多:良好电解质的制备有待提升，研究一种准固态电解质，既可以克服液态电解质DSSC漏液，不易密封等缺陷，又解决了全固态电解质DSSC与光阳极的接触问题及传输效率低下等问题。缺点缺点 5. DSSC的优缺点和硅电池比较的优缺点和硅电池比较 硅系太阳能电池染料敏化太阳能电池 工作原理光生电子和

16、空穴的产生、传输都在硅片中进行光生电子和空穴由染料产生，分别经二氧化钛电极和电解质传递半导体纯度要求很高，硅纯度至少要达到99.999%以上纯度要求较低成本成本高高低，是多晶硅太阳能电池的低，是多晶硅太阳能电池的1/5左右左右可制备性制备条件要求高容易制备光照角度角度增大，效率降低基本上角度增大，效率升高；在0-75的角度范围内随光照角度增大，效率增大吸收弱光的能力弱强对温度的敏感性多晶硅：敏感；薄膜硅：不敏感不敏感颜色单一丰富透明性不透明透明柔性化、轻质化可以容易理论光电转换效率28%33%应用范围广泛非常广泛 6. DSSC的应用领域和发展前景的应用领域和发展前景 发展前景发展前景 染料敏

17、化太阳能电池具有生产成本低、制备工艺简单、可大批量生产和环境友好等优点，加之中国土地面积广，尤其西北地区光照强烈，决定了染料敏化太阳能电池的良好产业化前景，是具有相当广泛应用前景的新型太阳电池。相信在不久的将来，染料敏化太阳电池将会走进我们的生活。应用领域应用领域根据DSSC的透光性高，请便易携带，制作成本低的优点，应用领域十分广泛，包括航空航天，建筑产业，电子产业，生活家居等都可以使用该产品。 6. DSSC的应用领域和发展前景的应用领域和发展前景 应用领域应用领域根据DSSC的透光性高，请便易携带，制作成本低的优点，应用领域十分广泛，包括航空航天，建筑产业，电子产业，生活家居等都可以使用该产品。Thank You !