天然色素敏化太陽能電池的研究進(jìn)展

趙興隆

(通化師范學(xué)院化學(xué)學(xué)院,吉林白山 134002)

天然色素敏化太陽能電池的研究進(jìn)展

趙興隆

(通化師范學(xué)院化學(xué)學(xué)院,吉林白山 134002)

簡(jiǎn)單回顧了近年來我國(guó)的科技工作者在天然色素敏化太陽能電池領(lǐng)域進(jìn)行的一些探索,并對(duì)其未來發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了展望。

DSSC 天然色素 敏化

由于科技的飛速發(fā)展,石油、煤炭等不可再生資源日益減少,對(duì)可再生新能源的研究迫在眉睫。地球的能源,幾乎全部來自于太陽,但人類對(duì)太陽能的直接利用還處在初級(jí)階段?，F(xiàn)代采用太陽能光伏發(fā)電,它的核心器件是太陽能電池。1839年,法國(guó)科學(xué)家E．Becquerel發(fā)現(xiàn)液體的光伏現(xiàn)象,1877年W．G．Adams等研究了硒的光伏效應(yīng),并制作第一片硒太陽能電池,1954年貝爾實(shí)驗(yàn)室研究人員D．M．Chapin等報(bào)道4．5%效率的單晶硅太陽能電池。隨后,人們模仿光合作用原理,開發(fā)出了新型太陽電池,即染料敏化太陽電池DSSC。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,對(duì)保護(hù)人類環(huán)境具有重要的意義。1991年,Brian等于《Nature》上發(fā)表了關(guān)于染料敏化納米晶體太陽能電池的文章以較低的成本得到了＞7%的光電轉(zhuǎn)化效率,為利用太陽能提供了一條新的途徑。目前,DSSC的光電轉(zhuǎn)化效率已能穩(wěn)定在10%以上,且其制造成本僅為硅太陽能電池的1/5～1/10。從天然的動(dòng)植物、礦物中提取天然色素, 在其中尋找合適的光敏化劑,已成為該領(lǐng)域的一項(xiàng)重要工作。天然色素具有可再生的特點(diǎn),不會(huì)消耗煤、石油等資源。我國(guó)的科技工作者在這個(gè)領(lǐng)域進(jìn)行了大量的工作,現(xiàn)將近年來一些研究進(jìn)行綜述。

2013年,清華大學(xué)的林紅等人從高原金蓮花中提取天然染料[1],通過紫外光譜和紅外光譜確定其主要成分為花色苷。研究發(fā)現(xiàn),在pH=5時(shí),該天然染料敏化太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率最高,達(dá)到0．292%(如圖1所示)。

圖1 不同酸堿性條件下花色苷結(jié)構(gòu)

2013年,西藏大學(xué)的次仁央金等,通過萃取西藏林芝核桃果皮、江孜沙棘果實(shí)以及拉薩紫草根部的天然色素,分析研究了西藏天然色素光吸收性能；利用以上3種天然色素以及它們的混合色素,研制了染料敏化太陽能電池[2]。結(jié)果表明,核桃與紫草的混合色素DSSC電池效率最高,達(dá)到8．2%。

圖2 鴨跖草色素的可見光吸收光譜圖

2013年,華僑大學(xué)的蘭章等人,以葡萄皮乙醇提取液作為敏化劑用于染料敏化太陽能電池[3],光電轉(zhuǎn)換效率達(dá)到0．81%。在酸性介質(zhì)中的吸光譜能較好的滿足太陽能電池對(duì)吸光的需求。采用稀鹽酸處理陽極膜的方法,使染料與膜結(jié)合性能提高,光電裝換效率達(dá)到1．43%。

2014年,沈陽建筑大學(xué)的高旭等人,從不同種類的植物中提取了十一種天然染料,組裝成天然染料敏化太陽能電池,并檢測(cè)其光電性能,最后對(duì)各個(gè)天然染料敏化太陽能電池的光電性能進(jìn)行分析[4]。結(jié)果采用藍(lán)莓制備的染料作為光敏劑敏化的太陽能電池在所研究的十一種染料中表現(xiàn)出最好的光電性能,其光電轉(zhuǎn)化效率達(dá)到1．11%。

2014年,海南大學(xué)的林仕偉等人,以高度有序TiO2納米管陣列作為光陽極,鴨跖草色素作為敏化劑制備了天然染料敏化太陽能電池[5]。陽極氧化6h制備的TiO2納米管作為電極的電池的光電轉(zhuǎn)換效率約達(dá)0．52%。利用紫外－可見光光譜儀研究鴨跖草色素的光吸收性能。研究表明適當(dāng)提高TiO2納米管長(zhǎng)度可以有效提高天然染料敏化太陽能電池的光電性能(如圖2所示）。

天然染料由于低成本、環(huán)境友好、可再生等優(yōu)點(diǎn),成為最佳敏化劑之一。近年來,不同的天然染料作為DSSC的敏化劑,使得天然染料在可見光區(qū)吸收效率逐漸提高。但是天然染料作為太陽能電池的敏化劑還有一些不足之處,主要是電池效率目前還較低。未來想要在這個(gè)領(lǐng)域發(fā)揮更大的作用,可從以下兩方面著手:

(1)探索更多的天然色素作為敏化劑的效果；

(2)對(duì)天然色素進(jìn)行簡(jiǎn)單、綠色的化學(xué)修飾,改變其光電性質(zhì),或增加其與納米TiO2的結(jié)合能力。

太陽能是21世紀(jì)的能源,希望天然色素敏化太陽能電池這項(xiàng)綠色、環(huán)保、可再生的技術(shù),在不久的未來能夠幫助人類克服能源危機(jī),創(chuàng)造更大的生產(chǎn)力。

[1]林紅等.pH值對(duì)金蓮花染料敏化太陽能電池性能的影響[J].物理化學(xué)學(xué)報(bào),2013,29(3):539-545.

[2]次仁央金等.天然色素染料敏化太陽能電池的制備[J].材料導(dǎo)報(bào),2013,27(22):120-122.

[3]蘭章等.葡萄皮天然色素在染料敏化太陽能電池中的應(yīng)用[J].化學(xué)工程與裝備,2013,(8):04-06.

[4]高旭等.單一天然染料制備染料敏化太陽能電池[J].沈陽建筑大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2014,30(2):283-290.

[5]林仕偉等.鴨跖草色素敏化TiO2納米管太陽能電池的研究[J].化工新型材料,2014,42(3):39-41.