1、刖言太陽(yáng)能是新能源開發(fā)利用最活躍的領(lǐng)域。目前市場(chǎng)上的太陽(yáng)能電池主要是單 晶硅和多晶硅兩種。但這兩種太陽(yáng)能電池最大的問題在于工藝條件苛刻，制造成 本過高，不利于廣泛應(yīng)用。而上世紀(jì)90年代出現(xiàn)的納米TiO2有機(jī)半導(dǎo)體復(fù)合太 陽(yáng)能電池和有機(jī)/聚合物太陽(yáng)能電池，工藝條件簡(jiǎn)單，成本較低，有可能成為21 世紀(jì)太陽(yáng)能電池的新貴。染料敏化太陽(yáng)能電池價(jià)格相對(duì)低廉，制作工藝簡(jiǎn)單，擁有潛在的高光電轉(zhuǎn)換 效率，染料敏化太陽(yáng)能電池極有可能取代傳統(tǒng)硅系太陽(yáng)能電池，成為未來太陽(yáng)能 電池的主導(dǎo)。 TOC o 1-5 h z HYPERLINK l bookmark1 o Current Document 刖言1 HYPERL

2、INK l bookmark4 o Current Document 第一章概述1 HYPERLINK l bookmark7 o Current Document 1.1染料敏化太陽(yáng)能電池概述1 HYPERLINK l bookmark10 o Current Document 1.1.1染料敏化太陽(yáng)能電池概念1 HYPERLINK l bookmark13 o Current Document 1.1.2染料敏化太陽(yáng)能電池的發(fā)展?fàn)顩r1 HYPERLINK l bookmark16 o Current Document 1.1.3染料敏化太陽(yáng)能電池的前景和困難2 HYPERLINK l bo

3、okmark19 o Current Document 第二章染料敏化太陽(yáng)能電池的工作機(jī)理4 HYPERLINK l bookmark22 o Current Document 2.1染料敏化太陽(yáng)電池的結(jié)構(gòu)與原理4 HYPERLINK l bookmark25 o Current Document 2.1.1染料敏化太陽(yáng)能電池結(jié)構(gòu)4 HYPERLINK l bookmark28 o Current Document 2.1.2染料敏化太陽(yáng)電池的原理5 HYPERLINK l bookmark31 o Current Document 2.2染料敏化太陽(yáng)能電池各組成部分的進(jìn)展5 HYPERLIN

4、K l bookmark34 o Current Document 2.2.1 光陽(yáng)極材料5 HYPERLINK l bookmark40 o Current Document 2.2.2光陰極材料6 HYPERLINK l bookmark43 o Current Document 2.2.3電解質(zhì)6 HYPERLINK l bookmark46 o Current Document 2.2.4敏化劑7 HYPERLINK l bookmark49 o Current Document 2.3染料敏化太陽(yáng)能電池有潛力的幾類7 HYPERLINK l bookmark52 o Current

5、Document 2.3.1染料敏化納米晶太陽(yáng)能電池7 HYPERLINK l bookmark55 o Current Document 2.3.2纖維狀無TCO染料敏化太陽(yáng)能電池8 HYPERLINK l bookmark58 o Current Document 第三章染料敏化太陽(yáng)能電池的制作過程9 HYPERLINK l bookmark61 o Current Document 3.1染料敏化太陽(yáng)能電池的制作步驟9 HYPERLINK l bookmark64 o Current Document 3.1.1二氧化鈦膜的制備9 HYPERLINK l bookmark67 o Cur

6、rent Document 3.1.2注入電解質(zhì)11 HYPERLINK l bookmark70 o Current Document 3.1.3組裝電池11 HYPERLINK l bookmark73 o Current Document 3.1.4 測(cè)試12 HYPERLINK l bookmark76 o Current Document 3.1.5利用有機(jī)物來提高轉(zhuǎn)換效率12 HYPERLINK l bookmark79 o Current Document 第五章總結(jié)14 HYPERLINK l bookmark82 o Current Document 參考文獻(xiàn)15第_章概述1

7、.1染料敏化太陽(yáng)能電池概述1.1.1染料敏化太陽(yáng)能電池概念染料敏化太陽(yáng)電池(dyesensitized solar cell, DSSC)主要是模仿光合作用原 理，研制出來的一種新型太陽(yáng)電池，其主要優(yōu)勢(shì)是：原材料豐富、成本低、工藝 技術(shù)相對(duì)簡(jiǎn)單，在大面積工業(yè)化生產(chǎn)中具有較大的優(yōu)勢(shì)，同時(shí)所有原材料和生產(chǎn) 工藝都是無毒、無污染的，部分材料可以得到充分的回收，對(duì)保護(hù)人類環(huán)境具有 重要的意義。但光電轉(zhuǎn)換效率較低等問題阻礙了其廣泛應(yīng)用。光陽(yáng)極的性質(zhì)直接 影響DSSC光電轉(zhuǎn)換的能力和效率，研究制備高效的光陽(yáng)極是該領(lǐng)域迫切需要研 究的重點(diǎn)問題。染料敏化納米晶太陽(yáng)能電池 DSSCs (Namo-Crystal

8、lion Dye-Sensitized Solar Cells)，主要由制備在導(dǎo)電玻璃或透明導(dǎo)電聚酯片上的納米晶半導(dǎo)體薄膜、敏化 劑分子、電解質(zhì)和對(duì)電極組成，其中制備在導(dǎo)電玻璃或透明導(dǎo)電聚酯片上的納米 晶半導(dǎo)體薄膜構(gòu)成光陽(yáng)極。完全不同于傳統(tǒng)硅系結(jié)太陽(yáng)能電池的裝置，染料敏化太陽(yáng)能電池的光吸收和 電荷分離傳輸分別是由不同的物質(zhì)完成的，光吸收是靠吸附在納米半導(dǎo)體表面的 染料來完成，半導(dǎo)體僅起電荷分離和傳輸載體的作用，它的載流子不是由半導(dǎo)體 產(chǎn)生而是由染料產(chǎn)生的。1.1.2染料敏化太陽(yáng)能電池的發(fā)展?fàn)顩r進(jìn)入20世紀(jì)以來，伴隨著人類工業(yè)文明的迅速發(fā)展，煤、石油、天然氣等礦 物資源日益枯竭，由此引發(fā)的能源危

9、機(jī)和環(huán)境污染已成為亟待解決的嚴(yán)重問題. 因此人們迫切需要尋找其他新的可替代能源.太陽(yáng)能具有取之不盡、用之不竭、 安全可靠、無污染、不受地理環(huán)境制約等諸多優(yōu)點(diǎn)，愈來愈受到廣泛重視.自20世紀(jì)60年代起，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)染料吸附在半導(dǎo)體上，在一定條件下能產(chǎn) 生電流，這種現(xiàn)象成為光電化學(xué)電池的重要基礎(chǔ)。20世紀(jì)70年代到90年代，科 學(xué)家們大量研究了各種染料敏化劑與半導(dǎo)體納米晶光敏化作用，研究主要集中在 平板電極上，這類電極只有表面吸附單層染料，光電轉(zhuǎn)換效率小于1%。直到1991年，瑞士洛桑高等工業(yè)學(xué)院Gr.tzel研究小組將高比表面積的納米 晶多孔TiO2膜作半導(dǎo)體電極引入到染料敏化電極的研究當(dāng)中，這種

10、高比表面積 的納米晶多孔TiO2組成了海綿式的多孔網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，使得它的總表面積遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于 其幾何面積，可以增大約10002000倍，能有效地吸收陽(yáng)光，使得染料敏化光 電池的光電能量轉(zhuǎn)換率有了很大提高，其光電能量轉(zhuǎn)換率可達(dá)7.1%，入射光子電 流轉(zhuǎn)換效率大于80%。1993年，Gr.tzel等人再次報(bào)道了光電能量轉(zhuǎn)換率達(dá)10%的染料敏化納米太陽(yáng) 能電池，1997年，其光電能量轉(zhuǎn)換率達(dá)到了 10%11%。1998年，Gr.tzel等人采 用固體有機(jī)空穴傳輸材料替代液體電解質(zhì)的全固態(tài)染料敏化納米品太陽(yáng)能電池 研制成功，轉(zhuǎn)換效率只有0.74%，但在單色光下其電轉(zhuǎn)換效率達(dá)到33%，從而引 起了全世界的關(guān)注。

11、2004年，韓國(guó)JongHakKim等使用復(fù)合聚合電解質(zhì)全固態(tài)染料敏化納米品太 陽(yáng)能電池，其光電轉(zhuǎn)換效率可達(dá)4.5%。2004年，日本足立教授領(lǐng)導(dǎo)的研究組用 TiO2納米管做染料敏化納米品太陽(yáng)能電池電極材料其光電轉(zhuǎn)換效率可達(dá)5%，隨 后用TiO2納米網(wǎng)絡(luò)做電極其光電轉(zhuǎn)換效率達(dá)到9.33%。2004年，日立制作所試制成功了色素（染料）增感型太陽(yáng)能電池的大尺寸面 板，在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行的光電轉(zhuǎn)換效率試驗(yàn)中得出的數(shù)據(jù)為9.3%。2004年，染料 敏化納米品太陽(yáng)能電池開發(fā)商PeccellTechnologies公司（Peccell）宣布其已開發(fā)出 電壓高達(dá)4V（與鋰離子電池電壓相當(dāng)）的染料敏化納米品太陽(yáng)能

12、電池，可作為下一 代太陽(yáng)能電池，有可能逐漸取代基于硅元素的太陽(yáng)能電池產(chǎn)品。在產(chǎn)業(yè)化方面，染料敏化納米品太陽(yáng)能電池研究取得了較大的進(jìn)展。據(jù)報(bào)導(dǎo)， 澳大利亞STA公司建立了世界上第一個(gè)面積為200廿染料敏化納米品太陽(yáng)電池顯 示屋頂。歐盟ECN研究所在面積大于1cm2電池效率方面保持最高紀(jì)錄： 8.18%（2.5c們、5.8%（100c們。在美國(guó)馬薩諸塞州Konarka公司，對(duì)以透明導(dǎo)電 高分子等柔性薄膜等為襯底和電極的染料敏化納米品太陽(yáng)電池進(jìn)行實(shí)用化和產(chǎn) 業(yè)化研究，期望這種2009年太陽(yáng)能電池主要應(yīng)用于電子設(shè)備，如筆記本電腦。 目前納米晶體太陽(yáng)能電池技術(shù)在海外已開始商品化，初期效率約5%。染料敏化

13、太陽(yáng)電池的發(fā)展歷史顯示，這種電池制作工藝簡(jiǎn)單，成本低廉（預(yù) 計(jì)只有晶體硅太陽(yáng)電池成本的1/101/5），引起了各國(guó)科研工作者的極大關(guān)注， 使人們看到了染料敏化太陽(yáng)電池的廣大應(yīng)用前景。1.1.3染料敏化太陽(yáng)能電池的前景和困難與傳統(tǒng)的硅系太陽(yáng)電池相比，染料敏化納米品太陽(yáng)電池有良好的優(yōu)勢(shì)：第一，制備工藝簡(jiǎn)單，成本低。與硅系太陽(yáng)電池相比，染料敏化電池沒有復(fù) 雜的制備工序，也不需要昂貴的原材料，產(chǎn)業(yè)鏈不長(zhǎng)，容易實(shí)現(xiàn)成本低的商業(yè)化 應(yīng)用。據(jù)估計(jì)DSSC太陽(yáng)電池的制造成本只有硅系太陽(yáng)電池的1/101/5。第二，對(duì)環(huán)境危害小。在硅電池制造中，所用的原料四氟化碳是有毒的且需 要高溫和高真空，同時(shí)這一過程中需要耗

14、費(fèi)很多的能源；而DSSC電池所用的二 氧化鈦是無毒的，對(duì)環(huán)境沒有危害不存在回收問題。第三，效率轉(zhuǎn)換方面基本上不受溫度影響，而傳統(tǒng)品體硅太陽(yáng)電池的性能隨 溫度升高而下降。第四，光的利用效率高，對(duì)光線的入射角度不敏感，可充分利用折射光和反 射光。DSSC太陽(yáng)電池雖然有光明的前景，但對(duì)它的研究仍在起步階段，還有較多 難以克服的缺陷使其不能被廣泛應(yīng)用。DSSC目前研究較有成果的是液態(tài)電解質(zhì) 電池，但這種電池存在一系列問題，如容易導(dǎo)致染料的脫附，容易揮發(fā)給密封性 帶來問題，含碘的液態(tài)電解質(zhì)具有腐蝕性，且本身存在不逆反應(yīng)導(dǎo)致電池壽命縮 短。解決這個(gè)問題的辦法就是研制固態(tài)染料敏化電池，但目前這種固態(tài)電池的仍

15、 處于研究階段，光電轉(zhuǎn)換效率很低。V染料a整）電解質(zhì)（electrolyte）第二章 染料敏化太陽(yáng)能電池的工作機(jī)理2.1染料敏化太陽(yáng)電池的結(jié)構(gòu)與原理染料敏化太陽(yáng)電池與傳統(tǒng)硅太陽(yáng)電池原理不同，TiO2屬于寬帶隙半導(dǎo)體（帶 隙寬度為3.2eV），具有較高的熱穩(wěn)定性和光化學(xué)穩(wěn)定性，不能被可見光激發(fā)。但 將合適的染料吸附到這種半導(dǎo)體的表面上，借助于染料對(duì)可見光的強(qiáng)吸收，可以 將寬帶隙半導(dǎo)體拓寬到可見區(qū)，這種現(xiàn)象稱為半導(dǎo)體的敏化作用，載有染料的半 導(dǎo)體稱為染料敏化半導(dǎo)體電極。TiO2不能被可見光激發(fā)，因而要在TiO2表面吸附一層對(duì)可見光吸收特性良 好的敏化劑。在可見光作用下，敏化劑分子通過吸收光能躍遷到

16、激發(fā)態(tài)，由于激 發(fā)態(tài)的不穩(wěn)定性，敏化劑分子與TiO2表面發(fā)生相互作用，電子很快躍遷到較低 能級(jí)TiO2的導(dǎo)帶，進(jìn)入TiO2導(dǎo)帶的電子將最終進(jìn)入導(dǎo)電膜，然后通過外回路， 產(chǎn)生光電流。同時(shí)，處于氧化態(tài)的染料分子被電解質(zhì)中的碘離子I一還原回到基態(tài)， 而I一被氧化為I3一，I3一很快被從陰極進(jìn)入的電子還原成I一構(gòu)成了一個(gè)循環(huán)。2.1.1染料敏化太陽(yáng)能電池結(jié)構(gòu)染料敏化納米品（DSSC）太陽(yáng)電池的結(jié)構(gòu)示意如（圖2-1）所示。在透明導(dǎo)電玻璃（FTO）上鍍一層多孔納米晶氧化物薄膜（TiO2），熱處理后吸附上起電荷分 離作用的單層染料構(gòu)成光陽(yáng)極。對(duì)電極（陰極）由鍍有催化劑（如鉑Pt）的導(dǎo)電玻 璃，中間充有具有氧

17、化還原作用的電解液，經(jīng)過密封劑封裝后，從電極引出導(dǎo)線 即制成染料敏化納米品太陽(yáng)電池?！?一，導(dǎo)電（FTO/elaSS） 陽(yáng)電池結(jié)構(gòu)電子(electron)2-1 DSSCCs就像人工制作的樹葉，只是植物暢葉綠素被敏化劑所代替，而納米多孔半導(dǎo)體膜結(jié)構(gòu)則取代了樹葉中的磷酸類酯膜。染料敏化納米品太陽(yáng)能電池，主要由制備在導(dǎo)電玻璃或透明導(dǎo)電聚酯片上的 納米晶半導(dǎo)體薄膜、敏化劑分子、電解質(zhì)和對(duì)電極組成，其中制備在導(dǎo)電玻璃或 透明導(dǎo)電聚酯片上的納米品半導(dǎo)體薄膜構(gòu)成光陽(yáng)極。完全不同于傳統(tǒng)硅系結(jié)太陽(yáng) 能電池的裝置，染料敏化太陽(yáng)能電池的光吸收和電荷分離傳輸分別是由不同的物質(zhì)完成的，光吸收是靠吸附在納米半導(dǎo)體表面的

18、染料來完成，半導(dǎo)體僅起電荷分 離和傳輸載體的作用，它的載流子不是由半導(dǎo)體產(chǎn)生而是由染料產(chǎn)生的。2.1.2染料敏化太陽(yáng)電池的原理染料敏化納米晶(DSSC)電池的工作原理是當(dāng)入射光照射到電極上時(shí)，染料分 子(Dye )吸收光子躍遷到激發(fā)態(tài)，由于激發(fā)態(tài)不穩(wěn)定，釋放的電子快速注入到緊 鄰的TiO2的導(dǎo)帶上，進(jìn)入TiO2導(dǎo)帶中的電子最終進(jìn)入導(dǎo)電膜，然后通過外回路 產(chǎn)生光電流。被氧化了的染料分子通過電解液擴(kuò)散過來的I-還原回到基態(tài)，使染 料分子得到再生，I一被氧化成IS；同時(shí)電解質(zhì)中的I3-擴(kuò)散回到對(duì)電極被電子還 原成I一。然后DSSC電池在光作用下將進(jìn)行下一個(gè)循環(huán)。2.2染料敏化太陽(yáng)能電池各組成部分的進(jìn)

19、展2.2.1光陽(yáng)極材料光陽(yáng)極材料：光敏材料敏化的半導(dǎo)體光陽(yáng)極對(duì)該電池的性能起到至關(guān)重要的 作用，成為目前研究的熱點(diǎn)。敏化的TiO2電極是染料敏化太陽(yáng)能電池的關(guān)鍵部 分，可以說其性能直接關(guān)系到太陽(yáng)能電池的總效率。染料敏化太陽(yáng)能電池中，TiO2光陽(yáng)極所用的納米晶薄膜分為致密TiO2薄層、 納米多孔結(jié)構(gòu)TiO2薄膜，其中致密薄膜是早期染料敏化太陽(yáng)能電池中TiO2光陽(yáng) 極所采用的，因其吸附染料效率低，后來少被采用，納米多孔結(jié)構(gòu)TiO2薄膜在 目前染料敏化太陽(yáng)能電池中TiO2光陽(yáng)極采用極為廣泛。染料敏化太陽(yáng)電池光陽(yáng)極主要制備方法：溶膠凝膠法、水熱合成法、電泳合 成法、磁控濺射法等幾種方法。光陽(yáng)極的性質(zhì)直

20、接影響DSSC光電轉(zhuǎn)換的能力和 效率，研究制備高效的光陽(yáng)極是該領(lǐng)域迫切需要研究的重點(diǎn)問題。1、溶膠凝膠法：通過水解鈦的醇鹽或氯化物前驅(qū)體得到無定形沉淀，在酸 性或堿性環(huán)境中膠溶得到溶膠物質(zhì)，然后經(jīng)過干燥焙燒后制得納米TiO2薄膜電 極。對(duì)DSSC而言，傳統(tǒng)溶膠凝膠法制得的TiO2電極薄膜與玻璃基底結(jié)合牢固， 但結(jié)構(gòu)致密、比表面積小，不利于染料吸附8和電解質(zhì)離子的擴(kuò)散9，造成光電 轉(zhuǎn)換效率低下，在DSSC中的應(yīng)用受到限制。2、水熱合成法：是溶膠凝膠法的改進(jìn)，通過水解鈦的醇鹽或氯化物前驅(qū)體 得到無定形沉淀，在酸性或堿性溶液中膠溶得到溶膠物質(zhì)。將高壓釜中水熱 Ostwald熟化后的溶膠涂覆在導(dǎo)電玻璃

21、基片上，經(jīng)高溫煅燒即得到納米TiO2薄膜 電極。與溶膠凝膠法相比，水熱合成法加入了在高壓釜中進(jìn)行的水熱熟化過程來 控制產(chǎn)物的結(jié)晶和長(zhǎng)大，進(jìn)而調(diào)節(jié)晶型、粒徑10和薄膜孔隙率9等以提高光電 轉(zhuǎn)換效率。3、電泳沉積法：電泳沉積法作為一種制備具有復(fù)雜形狀薄膜材料的方法， 近年來在TiO2薄膜電極制備方面有較多研究。在直流電壓作用下TiO2懸浮液中 的帶電顆粒移向反向電極，放電而形成沉積層，經(jīng)高溫煅燒即得到納米TiO2薄 膜電極。電泳沉積法的主要優(yōu)點(diǎn)是可以快速得到相對(duì)較厚的沉積膜、界面光滑缺 陷小、可以直接制備復(fù)雜形狀的薄膜電極，具有易吸附染料的多孔結(jié)構(gòu)。但薄膜 與導(dǎo)電玻璃基底結(jié)合不牢，易脫落，影響了電

22、池的性能。除上述幾種主要制備方法外，還有模板法(Templating Method)、超聲輔助法 (UltrasonicAssistant Method)，液相沉積法(Liquid PhaseDeposition)、反膠束法 (Reverse Micellar Method)等。不同制備方法的分析比較：傳統(tǒng)的溶膠凝膠法和電泳沉積法有互補(bǔ)的優(yōu)點(diǎn)和局限性，溶膠凝膠一電泳復(fù) 合法綜合了兩者各自的優(yōu)點(diǎn)，制得的TiO2,薄膜電極既較好地解決了膜脫落問題， 又可吸附較多的染料，提高了光電轉(zhuǎn)換效率。水熱合成法對(duì)設(shè)備要求不高、容易操作，其水熱熟化過程還可以控制產(chǎn)物的 結(jié)品和長(zhǎng)大，因而使納米TiO2的粒徑、分布

23、以及薄膜的孔隙率等成為可控因素， 對(duì)于提高DSSC光電轉(zhuǎn)換性能意義十分重大。其局限性是耗時(shí)較長(zhǎng)，必須進(jìn)行高 溫和高壓處理，限制了基底材料的選用。磁控濺射法由于是直接對(duì)原子進(jìn)行操作，薄膜能夠牢固地附著在基底上， TiO2,顆粒的大小及尺寸分布可以通過調(diào)整兩電極間的電壓、電流和氣體壓力等 條件來控制。另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是易于進(jìn)行大面積的均勻鍍膜，對(duì)DSSC的大面積化和 產(chǎn)業(yè)化提供了可靠的技術(shù)支持。此外，該法便于進(jìn)行摻雜，這對(duì)光陽(yáng)極的修飾具 有非常重要的意義。但是磁控濺射得到的薄膜太致密，低比表面積不利于染料分 子的吸附，其廣泛應(yīng)用還受一定限制。2.2.2光陰極材料光陰極材料：陰極在染料敏化太陽(yáng)能電池中也發(fā)

24、揮著重要的作用。在實(shí)際工 作中，染料敏化太陽(yáng)能電池由于有電流通過陰極，產(chǎn)生極化現(xiàn)象，形成超電勢(shì)， 引起電勢(shì)的損失，降低了電池的性能。因此，陰極的制備一般用導(dǎo)電玻璃片作為 基體，采用不同方法鍍上石墨、鉑或?qū)щ娋酆衔锏炔煌牧?，其中鍍鉑的效果較 好。2.2.3電解質(zhì)電解質(zhì)擔(dān)負(fù)著復(fù)原染料，傳輸電荷，改變TiO2、染料及氧化還原電對(duì)的能級(jí)， 改變體系的熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)特性等重要作用，因此，電解質(zhì)的組成及溶劑配方對(duì) 太陽(yáng)能電池的效率有很大影響。為了提高電池的效率，要求電解質(zhì)中還原劑必須 能迅速地還原染料正離子，而自身還原電位要低于電池電位。液態(tài)電解質(zhì)含有易 揮發(fā)的有機(jī)溶劑，對(duì)電池的長(zhǎng)期穩(wěn)定性有很不利的影響

25、。解決的方法是使用不揮 發(fā)、穩(wěn)定、電導(dǎo)率高的離子液體，或者加入高分子凝膠劑，成準(zhǔn)固態(tài)的凝膠高分 子，這既保持了液體體系的高導(dǎo)電性和高轉(zhuǎn)換效率，又降低了溶劑的揮發(fā)和滲漏， 從而提高了壽命。全固態(tài)染料敏化太陽(yáng)能電池也是研究的熱點(diǎn)。目前，人們主要 對(duì)P型半導(dǎo)體、導(dǎo)電聚合物和空穴傳輸有機(jī)分子這三大類性能良好的固體電解質(zhì) 進(jìn)行了研究。中科院物理所與日本東京大學(xué)合作利用融鹽與p型Cu I半導(dǎo)體的 復(fù)合體系組裝的固態(tài)染料太陽(yáng)能電池的效率達(dá)到了 3. 8% 1 ，Tennakone等2 用4CaB r3S(C4H9) 2的聚合物性質(zhì)優(yōu)化了接觸，提高了電池性能，從一個(gè)側(cè)面說 明了聚合物電解質(zhì)的優(yōu)勢(shì)，但n最高只有

26、5%左右3 。由于液態(tài)電解質(zhì)在封裝上的技術(shù)困難，人們開發(fā)了無機(jī)半導(dǎo)體體系的固態(tài)電 解質(zhì)、有機(jī)空穴傳輸材料和高分子電解液體系等。與液態(tài)電解質(zhì)相比，固態(tài)染料 敏化太陽(yáng)能電池敏化劑的氧化還原電位，可以和空穴導(dǎo)體的工作函數(shù)更好的匹 配，所以固態(tài)染料敏化太陽(yáng)能電池獲得的Uoc值很高，可以達(dá)到接近1V。以固 態(tài)電解質(zhì)取代液態(tài)電解液應(yīng)用于染料敏化太陽(yáng)能電池，可以提高和改善電池的長(zhǎng) 期穩(wěn)定性。2.2.4敏化劑敏化劑：敏化劑吸收太陽(yáng)光產(chǎn)生光致分離，它的性能直接決定太陽(yáng)電池的光 電性能。新的敏化劑使吸收長(zhǎng)波的能力增加，并且具有很高的光學(xué)橫斷面和吸收 近紅外光的能力。按其結(jié)構(gòu)中是否含有金屬原子或離子，敏化劑分為有機(jī)

27、和無機(jī)兩大類。無機(jī) 類敏化劑包括釘、鋨類的金屬多毗啶配合物、金屬卟啉、金屬酞菁和無機(jī)量子點(diǎn) 等；有機(jī)敏化劑包括天然染料和合成染料。敏化染料分子的性質(zhì)是電子生成和注入的關(guān)鍵因素，作為光敏劑的染料須具 備以下條件：對(duì)二氧化鈦納米晶結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體電極表面有良好的吸附性，即 能夠快速達(dá)到吸附平衡，而且不易脫落；在可見光區(qū)有較強(qiáng)的、盡量寬的吸 收染料的氧化態(tài)和激發(fā)態(tài)要有較高的穩(wěn)定性；激發(fā)態(tài)壽命足夠長(zhǎng)，且具有 很高的電荷傳輸效率，這將延長(zhǎng)電子-空穴分離時(shí)間，對(duì)電子的注人效率有決定 性作用；具有足夠負(fù)的激發(fā)態(tài)氧化還原電勢(shì)，以保證染料激發(fā)態(tài)電子注入二 氧化鈦帶。2.3染料敏化太陽(yáng)能電池有潛力的幾類2.3.1染料

28、敏化納米晶太陽(yáng)能電池敏化的納米晶TiO2電極是染料敏化太陽(yáng)能電池的關(guān)鍵部分，其性能直接關(guān) 系到太陽(yáng)能電池的總效率。在制備技術(shù)方面，基于傳統(tǒng)的刮涂制膜技術(shù)和逐層沉 積制備技術(shù)，由于操作的復(fù)雜性和技術(shù)掌握的難度，是光陽(yáng)極制備的瓶頸問題。 絲網(wǎng)印刷技術(shù)由于其大面積制備的可操作性，是實(shí)現(xiàn)未來工業(yè)化不錯(cuò)的手段，但 同樣存在技術(shù)操作復(fù)雜的缺點(diǎn)，同時(shí)其規(guī)模制備所需條件依然需要改進(jìn)和優(yōu)化在 染料敏化上，尋找低成本、性能良好的染料成為當(dāng)前研究的一個(gè)熱點(diǎn)?？傊?，通過光敏化，獲得較寬的可見光譜響應(yīng)范圍，快速的電子傳輸，優(yōu)越的電 子散射系數(shù)，增強(qiáng)的光收集效率以及優(yōu)越的抑制電荷復(fù)合性能的多孔膜將是未來 TiO2光陽(yáng)極研

29、究的方向。2.3.2纖維狀無TCO染料敏化太陽(yáng)能電池纖維狀無 TCO 染料敏化太陽(yáng)能電池(fiber-type TCO-less dye sensitized solar cell)，這種太陽(yáng)能電池是將染料敏化太陽(yáng)能電池層，環(huán)繞著一根長(zhǎng)3.5厘米(cm)、 直徑9毫米(mm)玻璃纖維所組成。其研究人員將一層氧化鈦一層敏化顏料，以及一層多孔鈦(porous Ti)作為電 極(正極)；一層包含碘等電解質(zhì)的多孔層，以及一層白急Pt)與鈦?zhàn)鳛榱硪欢穗姌O (負(fù)極)。將上述兩種電極順序環(huán)繞著玻璃纖維；而除了該玻璃纖維的兩端，整個(gè)太陽(yáng) 能電池都以鈦覆蓋著。將光線從玻璃纖維的一端透進(jìn)去，光就會(huì)被太陽(yáng)能電池中

30、的染料所吸收，并轉(zhuǎn)換成電力；而若是該纖維稍有傾斜，在光線從另一端出去之 前，就不會(huì)在表面下的玻璃造成完全反射。目前該種太陽(yáng)能電池所展現(xiàn)的轉(zhuǎn)換效率，在使用某種染料的情況下僅稍高于 1%，該數(shù)字稍低了些，且由于該種電池使用的玻璃纖維有9mm直徑，長(zhǎng)度卻只 有1.5公分左右，因此大約有九成從纖維的一端入射，從另一端出去的光線并沒 有被轉(zhuǎn)換。預(yù)計(jì)未來該種太陽(yáng)能電池的凈轉(zhuǎn)換率(net conversion efficiency )可望達(dá)到 10%，被浪費(fèi)的光線問題能透過增加光纖的長(zhǎng)度或是減少纖維直徑來克服。而該種新型太陽(yáng)能電池與標(biāo)準(zhǔn)染料敏化太陽(yáng)能電池的一個(gè)最大差異，是新電 池并不使用透明電極(透明導(dǎo)電氧

31、化物薄膜TCO)，研究人員計(jì)劃利用尚未被現(xiàn)有 染料敏化太陽(yáng)能電池所使用的近紅外線(near-infrared)能源，來產(chǎn)生電力。第三章 染料敏化太陽(yáng)能電池的制作過程3.1染料敏化太陽(yáng)能電池的制作步驟二氧化鈦膜的制備I利用天然染料把二氧化鈦膜著色I(xiàn)制作反電極I組裝電池I注入電解質(zhì)圖3-1染料敏化太陽(yáng)能電池的制作步驟3.1.1二氧化鈦膜的制備制備P25二氧化鈦納米晶粒表面包裹乙酸分子的膠質(zhì)體：使用分析天平秤取6g二氧化鈦粉末，將6g P25二氧化鈦粉末置于定性濾紙 上以微溫加熱烘干10min以除去去多余濕氣，再用研缽和研杵將可能因貯存而產(chǎn) 生團(tuán)聚現(xiàn)象的TiO2粉末均勻的研磨開來。然后加入4-5滴經(jīng)

32、稀釋過的乙酸溶劑， 研磨5min，再加入數(shù)滴乙酸溶液和3g松油醇，再繼續(xù)研磨，直至混合物形成質(zhì) 感滑順的膠質(zhì)態(tài)浮物，最后逐滴加入乙基纖維素溶液，不斷的研磨，揮發(fā)多余的 乙醇，直至獲得粘稠狀的膠質(zhì)混合物。（圖3-2）圖3-2二氧化鈦漿料制備L圖3-3二氧化鈦涂覆員層的玻璃基板置于在化學(xué)抽風(fēng)煙柜中的平板式加熱器的!0分鐘。在烘干過程中，膠質(zhì)內(nèi)的有機(jī)溶劑乙酸和介面活，TiP2膠質(zhì)的顏色會(huì)逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)樽厣３掷m(xù)加熱，將玻璃基板置于桌面，使用電表判斷導(dǎo)電面，使可導(dǎo)電的面朝上，并將厚度 約為20um的3M膠帶粘附于玻璃基板的三側(cè)邊約1cm寬度，再另外用較寬的膠 帶將基板固定于實(shí)驗(yàn)桌面上，以利于下一實(shí)驗(yàn)步驟的

33、進(jìn)行。取膠質(zhì)材料，將其沾 附于導(dǎo)電基板上（有條件的話可先滴1-2滴TiO2溶液，有助于導(dǎo)電玻璃吸附膠質(zhì)）， 然后使用直徑均勻的玻璃棒將膠質(zhì)均勻地涂抹于玻璃基板上。基板三側(cè)邊所粘貼 的膠帶的功能是用以提供約20um厚度的襯墊用，當(dāng)用玻璃棒碾平TiO2膠質(zhì)時(shí)， 可以借以控制TiO2的涂抹厚度。涂抹完成后晾干，用微型鑷子小心地除去玻璃基板上的膠帶，小心不要刮傷 所涂抹的TiO2膠質(zhì)層，也盡量避免在膠質(zhì)層完全干燥時(shí)才撕去膠帶。（圖3-3）將涂抹了 Tip加熱平板上，加熱性劑乙基纖維素會(huì)逐漸被烘干2璃基板上顏色較深時(shí)可停止加熱，然后讓玻璃基板慢慢地冷卻到最后當(dāng)乙酸和介面活，性劑被完全驅(qū)離Tip2粒子的表面，而形成具有膨松多空的白色 TiO2層膜，玻 室溫。或者可以直接放置在高溫爐中，使用450r的溫度烘烤且升溫速率不得太 快，玻璃基板和TiP2膠質(zhì)層