染料敏化太陽(yáng)能電池的概述

高明寶

摘要：本文簡(jiǎn)要介紹了燃料敏化太陽(yáng)能電池的特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)，并且詳細(xì)的介紹了DSSC的結(jié)構(gòu)組成。

關(guān)鍵詞：電池；敏化劑；電解質(zhì)

染料敏化太陽(yáng)能電池（Dye Sensitized Solar Cells，簡(jiǎn)稱DSSC）全稱為“染料敏化納米薄膜太陽(yáng)能電池”，由瑞士洛桑高等理工學(xué)院（EPFL）Gratzel教授于1991年取得突破性進(jìn)展，立即受到國(guó)際上廣泛的關(guān)注和重視，DSSC主要是指以染料敏化多孔納米結(jié)構(gòu)TiO2薄膜為光陽(yáng)極的一類半導(dǎo)體光電化學(xué)電池，另外也有用 ZnO、SnO2等作為TiO2薄膜替代材料的光電化學(xué)電池[1]。

1.1染料敏化太陽(yáng)能電池優(yōu)點(diǎn)

它是仿照植物葉綠素光合作用原理的一種太陽(yáng)能電池。由于染料敏化太陽(yáng)能電池中使用了有機(jī)染料，其功能就如同樹葉中的葉綠素，在太陽(yáng)光的照射下，易產(chǎn)生光生電子，而納晶TiO2薄膜就相當(dāng)于磷酸類脂膜，因此我們形象的把這種太陽(yáng)能電池稱為人造樹葉。DSSC與傳統(tǒng)的太陽(yáng)電池相比有以下一些優(yōu)勢(shì)：

（1） 壽命長(zhǎng)：使用壽命可達(dá)15-20年；

（2） 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于制造，生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)單，易于大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)；

（3） 制備電池耗能較少，能源回收周期短；

（4） 生產(chǎn)成本較低，僅為硅太陽(yáng)能電池的1/5～1/10，預(yù)計(jì)每瓦的電池成本在10元以內(nèi)；

（5） 生產(chǎn)過程中無毒無污染；

納米晶染料敏化太陽(yáng)能電池有著十分廣闊的產(chǎn)業(yè)化前景和應(yīng)用前景，相信在不久的將來，DSSC將會(huì)走進(jìn)我們的生活。因此吸引了各國(guó)眾多科學(xué)家與企業(yè)大力進(jìn)行研究和開發(fā)，近年來獲得了飛速發(fā)展。

1.2染料敏化太陽(yáng)能電池（DSSC）的結(jié)構(gòu)組成

染料敏化太陽(yáng)能電池包括四部分：納米氧化物半導(dǎo)體多孔膜（TiO2，ZnO），含有氧化還原電對(duì)的電解液（I-/I3-），作為敏化劑的染料（如N719/N3）以及對(duì)電極（如Pt）。除此之外DSSC還需要襯底材料，通常為氟摻雜的氧化錫導(dǎo)電玻璃（FTO導(dǎo)電玻璃）。該實(shí)驗(yàn)中，納米氧化物半導(dǎo)體多孔膜為ZnO，敏化劑用N719染料[1]。

（1）FTO透明導(dǎo)電玻璃

FTO導(dǎo)電玻璃為摻雜氟的SnO2透明導(dǎo)電玻璃（SnO2：F），簡(jiǎn)稱為FTO。FTO玻璃被作為ITO導(dǎo)電玻璃的替換用品被開發(fā)利用，可被廣泛用于液晶顯示屏，它是染料敏化太陽(yáng)能電池的TiO2/ZnO薄膜的載體，同時(shí)也是光陽(yáng)極電子的傳導(dǎo)器和對(duì)電極上電子的傳導(dǎo)器和對(duì)電極上電子的收集器[2]。

（2）光陽(yáng)極

多孔半導(dǎo)體光陽(yáng)極是染料敏化太陽(yáng)能電池的核心之一，它是染料分子的載體，同時(shí)也起著分離、傳輸電荷的作用。DSSC電池的光陽(yáng)極是由透明的導(dǎo)電玻璃及其上面覆蓋的一層半導(dǎo)體納米晶多孔膜構(gòu)成的。這層薄膜是光電轉(zhuǎn)換的前提和重要基礎(chǔ)，納米TiO2的微觀結(jié)構(gòu)（如粒徑、氣孔率等）對(duì)太陽(yáng)能電池的光電轉(zhuǎn)換效率有非常大的影響。

（3）染料敏化劑

染料分子被稱為電池中的光子馬達(dá)，正是它對(duì)光子的響應(yīng)才驅(qū)動(dòng)了整個(gè)器件的運(yùn)作。這主要是由于光陽(yáng)極（以銳鈦礦型TiO2為例）禁帶寬度為312eV，僅對(duì)紫外光有響應(yīng)，只有通過染料敏化才能實(shí)現(xiàn)對(duì)可見光的吸收。高效率染料必須同時(shí)具備以下特征：

① 能夠與TiO2表面形成牢固的化學(xué)鍵合；

② 在可見光區(qū)乃至紅外光區(qū)有強(qiáng)而寬的吸收；

③ 激發(fā)態(tài)壽命足夠長(zhǎng)，且LUMO能級(jí)與TiO2導(dǎo)帶匹配；

④ 穩(wěn)定性高、可逆性好。

（4）電解質(zhì)

電解質(zhì)在DSSC電池中主要起著還原染料正離子及傳輸電荷的作用。高效率的電解質(zhì)應(yīng)當(dāng)具有與染料HOMO軌道相匹配的氧化還原能級(jí)和快速的空穴傳導(dǎo)能力。目前，最常用、最有效的電解質(zhì)都含有I3-/I-電對(duì)，主要得益于其優(yōu)異的可逆性和動(dòng)力學(xué)性能，且復(fù)合反應(yīng)較慢。但是I3-/I-電對(duì)也存在一些缺點(diǎn)，如腐蝕能力強(qiáng)，對(duì)可見光有一定的吸收等[3]。因此，人們一直都在研究和探索新的氧化還原電對(duì)來替換I3-/I-，如Br2/Br-、擬鹵素和金屬配合物Co3+/2+等，但目前與I3-/I-相比，在效率和穩(wěn)定性上都有較大差距。電解質(zhì)從表觀形態(tài)上大致可以分為液態(tài)電解質(zhì)、準(zhǔn)固態(tài)電解質(zhì) （凝膠電解質(zhì) ）和全固態(tài)電解質(zhì)。

（5）對(duì)電極

對(duì)電極又稱為光陰極或反電極，它起著收集外電路電子和催化還原I3-、再生I-的作用。對(duì)于高效DSSC電池而言，對(duì)電極必須具有優(yōu)異的電子傳導(dǎo)能力和高催化活性。對(duì)電極的特性和在其表面發(fā)生的還原反應(yīng)的速率極大地影響著電池的性能和效率。目前，Pt仍然是最佳的催化材料。

參考文獻(xiàn)：

[1] 李雪陽(yáng)， 陳司漢， 薛衛(wèi)東染料敏化太陽(yáng)能電池—神奇的人造樹葉[J]. 化學(xué)教育， 2007， 5： 3-4.

[2] 曹怡， 張建成. 光化學(xué)技術(shù)北京[M]： 化學(xué)工業(yè)出版社， 2004： 127-128.

[3] Zhou Wang， Lin Tian Quan， et al. H-Doped Black Titania with Very High Solar Absorption and Excellent Photocatalysis Enhanced by Localized Surface Plasmon Resonance[J]. Adv. Funct. Mater.， 2013， 23（43）： 5444-5450.endprint