TiO2納米材料的光伏應(yīng)用

溫耐

摘 要：TiO2納米材料因?yàn)槠洫?dú)特的結(jié)構(gòu)特性在許多方面得以應(yīng)用。該文主要綜述了TiO2納米晶電極、TiO2納米二極管在太陽能電池中的光伏應(yīng)用，為降低能量損耗和提高太陽能電池的效率提供了新的思路和方法。

關(guān)鍵詞：TiO2納米材料 光伏應(yīng)用 太陽能電池 納米晶電極

中圖分類號：TB383.1 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2016）12（a）-0044-02

TiO2納米材料因其具有大比表面積、高表面活性及靈敏性等獨(dú)特結(jié)構(gòu)及優(yōu)異性能受到了廣泛關(guān)注，并且在許多方面取得了成功的應(yīng)用。TiO2納米材料作為一種重要的無機(jī)功能材料在太陽能電池這一領(lǐng)域有著非凡的效果，因?yàn)樗陌l(fā)展使得太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率得到了極大的提升，為開發(fā)新的可持續(xù)環(huán)保型能源提供了重要的手段。

1 在染料敏化太陽能電池中的應(yīng)用

基于TiO2納米晶電極，染料敏化太陽能電池（DSSC）得到了廣泛的研究。DSSC系統(tǒng)的心臟是一個(gè)電荷轉(zhuǎn)移附著在單層介孔TiO2納米薄膜，該膜與氧化還原電解質(zhì)或有機(jī)孔導(dǎo)體接觸，光激發(fā)的電荷注入TiO2的導(dǎo)帶，電子可以傳導(dǎo)到外部電路來驅(qū)動(dòng)負(fù)載。電荷的原始狀態(tài)隨后由電解質(zhì)捐贈(zèng)電子恢復(fù)，電解質(zhì)通常是含有氧化還原系統(tǒng)的有機(jī)溶劑。

在過去的幾十年里，研究人員努力提出大量優(yōu)化的有機(jī)染料提高DSSC的效率，而近年來研究方向主要集中在TiO2納米晶電極，并取得了一些重要結(jié)果。

1.1 介孔TiO2納米電極

Zukalova等人發(fā)現(xiàn)有序介孔TiO2納米晶薄膜與隨機(jī)取向的相同厚度的銳鈦礦型納米晶傳統(tǒng)薄膜相比提高了50%的轉(zhuǎn)換效率[1]。

1.2 TiO2納米管電極

Adachi等發(fā)現(xiàn)無序單晶TiO2納米管電極（10 nm直徑，長度30～300 nm）染料敏化太陽能電池，顯示效率為4.88%，與那些在類似的薄膜厚度區(qū)域的P25 TiO2納米粒子電極相比顯示出了超過兩倍的短路電流密度，TiO2納米管基電極的太陽能電池效率更高[2]。

1.3 倒生的TiO2蛋白石

固態(tài)染料敏化太陽能電池獲得的效率比較低是由于進(jìn)入到TiO2納米薄膜里面的材料滲透性比較差和空穴傳輸層與TiO2電極產(chǎn)生的非接觸。Somani等人提出一種提高固態(tài)染料敏化電池效率的方法，使用大的表面積的TiO2反蛋白石薄膜制備固態(tài)染料敏化有機(jī)無機(jī)雜化太陽能電池電極。反蛋白石TiO2薄膜的使用與TiO2薄膜相比會使得光轉(zhuǎn)換效率至少提高1級以上，研究發(fā)現(xiàn)蛋白石電池更好的性能是由于TiO2介孔薄膜允許空穴傳輸，材料很容易就滲透到廣泛、良好的連通孔隙中，且允許與染料良好接觸，因此電池的效率最好。

1.4 混合TiO2納米電極

Han等發(fā)現(xiàn)一個(gè)混合的銳鈦礦相和金紅石TiO2電極與純銳鈦礦組成的電池相比較，太陽能電池轉(zhuǎn)換效率得到提高[3]。

染料敏化太陽能電池轉(zhuǎn)換效率降低是由于感光電子氧化染料分子的重組損失或者納米TiO2表面的氧化還原，已經(jīng)采取了各種各樣的方法來防止這種損失。Kang等人在TCO基板和TiO2層之間添加一個(gè)TiO2-WO3復(fù)合材料的緩沖層并且發(fā)現(xiàn)緩沖層有效地隔離染料分子和電解質(zhì)直接接觸導(dǎo)電基板。

染料敏化太陽能電池的操作條件下，電子需要擴(kuò)散到周圍的TiO2層的在距離電子受體只有幾納米的幾微米深處。TiO2層的多孔結(jié)構(gòu)提供了大量的表面積，允許吸收足夠的染料分子達(dá)到顯著的光學(xué)密度。然而，這種結(jié)構(gòu)也提高了復(fù)合過程，也降低了DSSC的總轉(zhuǎn)換效率。已經(jīng)證明核殼納米TiO2電極組成的納米TiO2薄膜表面覆蓋著的另一層金屬氧化物TiO2表面形成的能量勢壘使重組變得緩慢。Zaban等人發(fā)現(xiàn)，TiO2/Nb2O5多孔電極可提高染料敏化太陽能電池性能的35%[4]。

2 在金屬/半導(dǎo)體結(jié)的Schottky二極管太陽能電池中的應(yīng)用

McFarlanda和Tang報(bào)道，一個(gè)多層光伏器件結(jié)構(gòu)中光子的吸收發(fā)生于沉積在超薄金屬/半導(dǎo)體的肖特基二極管表面的光感受器上[5]。

光子器件的電子發(fā)生轉(zhuǎn)換有4個(gè)步驟：第一步，光的吸收發(fā)生在吸附的感光細(xì)胞表面，產(chǎn)生高能電子；第二步，激發(fā)態(tài)感光電子被注射到相鄰的導(dǎo)電水平的導(dǎo)體，它們以費(fèi)米能級為Ef=1E的能量彈道學(xué)地穿過金屬；第三步，假如1E大于Schottky勢壘高度f，載流子的平均自由程比金屬厚度長，電子穿過金屬進(jìn)入半導(dǎo)體傳導(dǎo)水平（內(nèi)部電子發(fā)射）；第四步，被吸收的光子的能量被保存在剩下的自由能過剩的電子，當(dāng)被后面的歐姆接觸收集產(chǎn)生光電壓V。熱化電子轉(zhuǎn)移使在相鄰的金屬態(tài)Ef附近的光氧化染料被還原。這種替代光伏能量轉(zhuǎn)換的方法可以為使用各種材料、耐用的低成本太陽能電池提供依據(jù)。

3 摻雜TiO2納米材料為基礎(chǔ)的太陽能電池

Lindgren等發(fā)現(xiàn)N-TiO2摻雜的納米多孔薄膜顯露出波長在400～535 nm范圍的可見光吸收，生成一個(gè)與電流效率響應(yīng)的射光子光譜。為了獲得最佳的氮摻雜TiO2電極，相比純TiO2電極行為由于可見光增加約200倍的中等偏差，就產(chǎn)生了光生電流。

4 結(jié)語

TiO2納米材料在太陽能電池中的應(yīng)用很大程度地提高了太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率，從而盡可能地降低了能量損耗的問題，給新能源的開發(fā)提供了可行的思路。TiO2納米材料在光伏應(yīng)用中非?；钴S，在尋找可再生清潔能源技術(shù)中扮演著重要的角色。

參考文獻(xiàn)

[1] 趙斌，胡益錆，楊森，等.太陽能綜述[J].化工裝備技術(shù)，2012（1）：57-64.

[2] 虞華，郭宗林，陳光亞，等.新能源產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J].中國電力，2011（1）：83-85.

[3] 許平昌，柳陽，魏建紅，等.溶劑熱法制備Ag/TiO2納米材料及其光催化性能[J].物理化學(xué)學(xué)報(bào)，2010（8）：2261-2266.