染料敏化太陽能電池研究現(xiàn)狀

郝安林

（安陽工學(xué)院，河南 安陽 455000）

第三代染料敏化太陽能電池（DSSC）由于其生產(chǎn)簡單，原料豐富，無污染、成本低等特點受到人們的廣泛關(guān)注，也成為科技人員研究的熱點。染料敏化太陽能電池主要由光陽極、對電極、電解質(zhì)、敏化染料等組成。目前，染料敏化太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率還達不到人們的期望值，離其理論轉(zhuǎn)換效率還有較大差距，因此，人們對提高染料敏化太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率從各方面展開了研究。

1光陽極

光陽極是染料敏化太陽能電池非常重要的組成部分，其對太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率了不可替代的重要作用，作為染料敏化太陽能電池光陽極的材料主要有TiO2、ZnO、SnO2、Cu2O等，很多科研工作者對提高光陽極的轉(zhuǎn)換效率展開了研究，光陽極主要通過溶膠—凝膠法、溶液生長法、水熱法、化學(xué)浴沉積法、電沉積方法、真空鍍膜、等方法制備，為獲得較大的比表面積，增加對染料吸附，提高對光捕獲能力，人們通過制備不同表面和空間形態(tài)的納米粒、納米棒、納米管、納米線、納米花等并將不同的微結(jié)構(gòu)復(fù)合[1-10]，或者從界面修飾、納米結(jié)構(gòu)調(diào)控、離子摻雜[11-14]以及不同材料復(fù)合[15-19]等方法獲得較大的比表面積，增加對染料吸附，提高對光捕獲能力，提高染料敏化太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率。

李海超[1]對不同形態(tài)的TiO2作為光陽極材料的DSSC研究得出水熱法制備的TiO2納米粉體作為光陽極并在表面添加大顆粒散射層時，電池的光電轉(zhuǎn)化效率達7.56%，表面修飾使光電轉(zhuǎn)化效率達到7.16%。劉正浩[4]等研究了不同退火溫度對熱分解制備多孔ZnO納米晶的形貌和晶化結(jié)構(gòu)的影響以及光吸收和光電轉(zhuǎn)化性能，研究結(jié)果表明退火溫度升高比表面積降低，孔容降低，界面電阻增大，納米ZnO光陽極在300℃退火表現(xiàn)出較佳的光電性能。林麗萍[6]對不同形貌（菜花狀、紅花狀、龍船花狀、納米顆粒）的ZnO材料作為光陽極材料的光電性能進行了研究，發(fā)現(xiàn)在此幾種形貌的ZnO材料中菜花狀更適合做光陽極材料。康小輝[7]以兩步法生長的ZnO納米線作為底層，以直接沉淀法制備的ZnO納米片組裝的分級結(jié)構(gòu)微球作為中間層（S-ZnO HMSs），以水熱法制備的ZnO納米片組裝的分級結(jié)構(gòu)微球為上層（L-ZnO HMSs），構(gòu)成三層ZnO光陽極結(jié)構(gòu)，用其組裝成的染料敏化太陽能電池獲得了3.21%光電轉(zhuǎn)換效率。王艷香[10]等研究了固相研磨法制備了ZnO光陽極中水的用量、反應(yīng)溫度和鍛燒溫度等對ZnO光陽極和DSSC電池性能的影響，得出在水和氫氧化鈉的質(zhì)量比為1∶1、反應(yīng)溫度為75℃，光陽極鍛燒溫度450℃時所制備的電池性能最佳，其光電轉(zhuǎn)化效率為5.51%。

李晶[11]用沉淀法制備Al3+摻雜ZnO納米粒，超聲輔助沉淀法制備了Al3+ZnO雜ZnO納米片、醇熱回流法制備Al3+ZnO雜ZnO納米球，研究生長條件及Al3+滲雜改性種子層對所制備的ZnO納米棒和電池性能的影響；通過在種子層中ZnO入不同比例的Al3+，得出當(dāng)種子層濃度為0.1M且摻雜9at%Al3+,生長液濃度為0.04M，納米棒長度為5μm時DSSC的光電性能最好，光電轉(zhuǎn)換效率1.07%；多次重復(fù)浸潰種子層工藝，制備出ZnO納米棒和ZnO納米粒的復(fù)合結(jié)構(gòu)光陽極，其DSSC的光電轉(zhuǎn)換效率達2.36%。劉榮[12]從界面修飾、納米結(jié)構(gòu)調(diào)控、離子摻雜等方面分別對基于ZnO和TiO2納米結(jié)構(gòu)構(gòu)筑了量子點敏化太陽能電池和染料敏化太陽能電池電極微結(jié)構(gòu)和電池性能進行有效調(diào)控。對ZnO顆粒膜進行Li+摻雜，使染料敏化太陽能電池能量轉(zhuǎn)化效率提高到4.25%。比較了ZnO,TiO2,TiO2/ZnO及TiO2/ZnO/TiO2復(fù)合結(jié)構(gòu)納米顆粒薄膜電池的光電性能，在采用N719染料時TiO2顆粒膜性能最佳，并通過調(diào)控TiO2納米顆粒層的厚度，在TiO2納米顆粒上引入TiO2亞微米顆粒等方法，電池的能量轉(zhuǎn)換效率最佳達到了10.3%。程厚燕[14]等在鈦箔上采用水熱合成法制備ZnO納米片薄膜，隨后在ZnO納米片薄膜表面用化學(xué)浴沉積法原位沉積ZnO納米粒和微球，得到ZnO納米片/納米粒/微球復(fù)合結(jié)構(gòu)薄膜，通過對鈦箔酸拋光處理、ZnO納米片膜用二水乙酸鋅甲醇溶液改性，組裝成柔性染料敏化太陽能電池最佳為光電性能為：短路電流密度11.26 mA/cm2、開路電壓0.67 V、填充因子0.60、光電轉(zhuǎn)化率4.51%。

高智丹[15]通過研究ZnO/TiO2復(fù)合光陽極DSSC得出其光電轉(zhuǎn)換效率均高于單純ZnO或TiO2的光電轉(zhuǎn)換效率，分別可提高48%、40%。徐炳華[16]對染料敏化太陽能電池光陽極材料SnO2材料進行Bi摻雜SnO2顆粒、A1摻雜SnO2空心微球金屬元素摻雜和ZnO包覆SnO2顆粒金屬氧化物包覆改性處理進行了研究，其研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)SnO2摻雜Bi前后光電轉(zhuǎn)換效率從1.37%上升到2.03%，摻雜A1前后光電轉(zhuǎn)換效率從0.46%提高到3.04%，ZnO包覆SnO2納米顆粒后光電轉(zhuǎn)換效率為3.95%。彭臣志[17]針對溶膠凝膠配合旋涂法制備的ZnO薄膜的熱處理溫度、鍍膜層數(shù)、熱處理時間三個工藝參數(shù)進行了研究，并制備了ZnO/SnO2復(fù)合光陽極薄膜染料敏化太陽能電池，研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)熱處理溫度為500℃，鍍膜6層，熱處理60 min時，薄膜太陽能電池具有最優(yōu)的光電轉(zhuǎn)化效率。許志遠以Zn-Al水滑石、以Zn-Ti類水滑石為前驅(qū)物在不同溫度下制備了不同Zn/Al比、Zn/Ti比的混合金屬氧化物用于DSSCs的光陽極，效率分別達到了1.02%和1.74%。

2 對電極

對電極是染料敏化太陽能電池的另一重要組成部分，Pt是常用的對電極材料，但由于Pt成本昂貴，儲量也很少。且Pt容易被電解液腐蝕，因此限制了染料敏化太陽能電池的商業(yè)化應(yīng)用。開發(fā)其他高效低成本催化材料具有重要的研究意義。任欣欣[20]用Mg2+離子對ZnO納米晶電極的表面修飾得到Mg2+修飾ZnO納米晶電極，使轉(zhuǎn)換效率由未修飾電極的5.16%提升到7.43%。張春陽[21]采用溶膠一凝膠法，制備還原性黑色TiO2并與碳納米管（CNT）復(fù)合作為對電極材料用于ZnO基DSSC，電池效率可達5.71%。探索了Cu2ZnSnS4納米材料以及 Cu2XSnS4（X2+=Mn2+,Fe2+,Co2+,Ni2+,Zn2+,Cd2+）系列半導(dǎo)體材料作為對電極材料用于DSSC可能性及性能。郜秀榮[22]對透明碳對電極和聚苯胺對電極兩種透明非鉑對電極組裝的染料敏化太陽能電池的雙面吸光性能進行了研究，研究結(jié)果表明其獲得的透明碳對電極和聚苯胺對電極均具有較優(yōu)異的透光性，透過率分別達到70%、80%以上。袁之敏[23]對制備大比表面積的光陽極以及高效的非Pt對電極CEs材料進行了研究，采用高反應(yīng)性活性的DPP-Se陰離子作前驅(qū)體成功合成了CuGaSe2和Cu（In,Ga）Se2QDs，得到了多孔CoS對電極。顯示出明顯增強的催化活性和改善的導(dǎo)電性，有更好的QDSC光電轉(zhuǎn)化效率。設(shè)計了基于g-C3N4修飾的TiO2異質(zhì)結(jié)納米片光陽極和Co9Sg納米管陣列對電極的染料敏化電池。電池的最高的光電轉(zhuǎn)化效率是8.07%。自支撐的鎳鈷硫（NCS）針狀納米管陣列作為DSSC的對電極組裝電池，得到的最顯著的光電轉(zhuǎn)化效率為8.95%。程健[24]等以Co-Ni/碳氣凝膠材料作為ZnO基染料敏化太陽能電池對電極，使用N719釕染料，I-/I3-的乙腈溶液電解液，其光電轉(zhuǎn)換效率達到5.32%。

3 敏化染料

常用于染料敏化太陽能電池的染料是N3和N719，其電極經(jīng)敏化后對太陽光的吸收主要集中在可見光區(qū)，而紫外光及紅外光卻很少被吸收，為擴展染料敏化太陽能電池的光譜響應(yīng)范圍，提高其光電轉(zhuǎn)換效率，科研工作者對染料敏化太陽能電池的染料也進行了很多有益探索[25-32]。

李月英[25]對稀土摻雜下/上轉(zhuǎn)換發(fā)光材料進行研究，用固相反應(yīng)法制備的立方結(jié)構(gòu)的SrTiO3∶Ho3+納米晶制作下轉(zhuǎn)換薄膜光陽極，使光電轉(zhuǎn)換效率提高了近60%，將水熱法制備的SrTiO3：Sm3+納米粉體表面包覆SiO2，制得具有核殼結(jié)構(gòu)的SrTiO3：Sm3+@SiO2納米粉體。將 SrTiO3：Sm3+和 SrTiO3：Sm3+@SiO2作為下轉(zhuǎn)換劑分別摻雜于納米TiO2光陽極，DSSC的光電轉(zhuǎn)換效率最大分別達到4.38%和5.07%，將Ho3+摻雜于TiO2納米線/納米粒復(fù)合粉體作為下轉(zhuǎn)換納米線光陽極，較TiO2納米線光陽極光電轉(zhuǎn)換效率提高了一倍。黃金昭[26]等采用ZnO摻雜稀土發(fā)光材料RE3+（Eu3+,Tb3+,Er3+,Yb3+）制備了纖鋅礦結(jié)構(gòu)的ZnO：RE3+用于染料敏化太陽能電池光陽極中，利用稀土發(fā)光材料的光譜轉(zhuǎn)換特性使藍紫光和紅外光經(jīng)下轉(zhuǎn)換、上轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換為N719易于吸收的可見光，提高了的電池的光電性能。黃瀛[28]研究了以CdS量子點和玫瑰紅B作為敏化劑各自單獨敏化和共同敏化時的影響因素及最佳條件，并且得出CdS和玫瑰紅B共敏化可提高太陽能電池的短路電流密度和光電轉(zhuǎn)換效率，與單獨敏化相比，轉(zhuǎn)換效率分別提高了28%和22%。覃嘉媛[29]對Al摻雜ZnO（AZO）納米棒作為光陽極的染料敏化太陽能電池進行了研究，得出在化學(xué)浴沉積法制備Al摻雜ZnO（AZO）納米棒時的較佳生長條件。并對ZnO（AZO）納米棒用欽酸四丁醋（TBOT）和NaZS摻雜，以曙紅Y作為敏化劑，分別對Al摻雜ZnO（AZO）納米棒、AZO欽酸四丁醋（TBOT）摻雜、AZO NaZS摻雜薄膜組裝AZO染料敏化太陽能電池,經(jīng)研究分析發(fā)現(xiàn)各摻雜存在最佳濃度，過高或過低都將降低光電轉(zhuǎn)換效率。李國輝[30]以海膽棘殼色素作為敏化劑溶膠凝膠法制備了TiO2薄膜ZnO及Al，Sm摻雜ZnO薄膜，敏化光陽極后組裝電池，經(jīng)以及得出其組成的電池最佳光電轉(zhuǎn)換效率分別為0.28%和0.33%。李亞嬌[31]等合成了兩種方酸染料，使用曙紅（EY）和方酸（SQ）兩種染料構(gòu)成納晶Ti02/EY/ZnO薄層//S Q結(jié)構(gòu)實現(xiàn)FRET過程，光電轉(zhuǎn)換效率分別達到3.78%和3.84%，效率比單獨方酸分別提高了22.7%和18%。周小風(fēng)[32]對染料敏化太陽電池的光陽極的性質(zhì)差異進行了研究，首先用不同分級結(jié)構(gòu)的Cu-Bi2O4微球作為光敏劑用于ZnO基太陽電池中，以ZnO/CuBi2O4構(gòu)成復(fù)合光陽極的DSSC太陽電池起效率最高達到4.83%，其次用水浴法結(jié)合后處理制備的不同形貌結(jié)構(gòu)和帶隙較窄的Cu2O粉末與ZnO制成ZnO/Cu2O復(fù)合光陽極，其構(gòu)成的DSSC太陽電池效率達6.94%。再者制備了ZnO/NiO復(fù)合光陽極，用飽和Zn（Ac）2醇溶液對其處理再退火其構(gòu)成的染料敏化太陽電池效率達7.01%。最后對表面涂層改性的染料敏化ZnO光陽極薄膜制得的ZnO基染料敏化太陽進行了對比研究，得出其較高光電轉(zhuǎn)換率的生成條件。

4 電解質(zhì)與襯底

染料敏化太陽電池目前大多數(shù)使用的電解質(zhì)為液態(tài)電解質(zhì)，雖說采用液態(tài)電解質(zhì)的染料敏化太陽電池其轉(zhuǎn)化效率較高，但也存在一些缺點，如易揮發(fā)、易泄露、對電極的腐蝕性以及對環(huán)境有所危害等。故此準固態(tài)和固態(tài)電解質(zhì)成為研究者們關(guān)注的熱點[33-38]。染料敏化太陽電池一般以硬質(zhì)平板為基底如導(dǎo)電玻璃等，但存在容易破碎、極高的硬度等一些不足，柔性基底也引起研究者們的關(guān)注。

畢世青[33]用聚苯乙烯（PS）作為凝膠劑的凝膠電解質(zhì)用其構(gòu)建準固態(tài)ZnO-DSC和用石墨烯和聚苯乙烯微球復(fù)合的準固態(tài)電解質(zhì)，在室內(nèi)和戶外20天的測試下準固態(tài)ZnO-DSC光電轉(zhuǎn)化效率僅僅衰減了7%和12%，但是同條件下的液態(tài)電解質(zhì)的太陽能電池衰減達到了27%和37%。石墨烯和聚苯乙烯構(gòu)建的ZnO基準固態(tài)DSC在1000 h的戶外測試后，仍然能夠保持其初始效率的90%。用金納米顆粒與Ti02的復(fù)合光陽極應(yīng)用到DSC中光電轉(zhuǎn)化效率達到了10.02%。張曉英[35]電鍍技術(shù)和化學(xué)鍍技術(shù)在金屬導(dǎo)電纖維銅絲上制備了錳基復(fù)合纖維和鈦、鐵金屬絲上鍍錳得到的錳復(fù)合纖維在不導(dǎo)電聚合物PBT聚合物纖維表面制備了PBT/Cu/Mn復(fù)合基底，用于全固態(tài)纖維DSSC。所得全固態(tài)ZnO基纖維電池性能高于基于傳統(tǒng)的Ti纖維絲、不銹鋼纖維絲電池的性能。陳增[36]等通過研究發(fā)現(xiàn)通過機械壓膜方法對柔性導(dǎo)電襯底（ITO/PEN襯底）上的SnO2/ZnO復(fù)合薄膜進行機械壓膜后處理，可以顯著提高SnO2/ZnO復(fù)合光陽極的光電性能，組裝的染料敏化太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率達到了3.95%,短路光電流密度為16.43 mA/cm2、開路光電壓為0.493 V和填充因子為0.49。成栗[37]采用簡單的電沉積方法制備了具有減反射效應(yīng)的微森林狀鎳枝晶電極并應(yīng)用于柔性DSSC，相較傳統(tǒng)的平板電極，其光電性能得到大幅度提高而且還具有良好的機械穩(wěn)定性。鮑允娜[38]對染料敏化電池的基底材料基底材料的選取進行了探索，其通過用金屬纖維上沉積出的鋅基復(fù)合基底上生長的ZnO納米棒陣列，得到纖維光陽極并組裝DSSC電池，光電轉(zhuǎn)換性能超過以Ti絲、不銹鋼絲為基底的DSSC電池，擴大了電池的基底選擇范圍，提高電池的光電轉(zhuǎn)換性能。

5 結(jié)束語

隨著對染料敏化太陽能電池研究的不斷深入，對組成染料敏化太陽能電池的光陽極、對電極、電解質(zhì)、敏化染料等各部分研究取得長足進展，階段性成果不斷涌現(xiàn)，性能不斷提高，一些新的材料和工藝也相繼發(fā)現(xiàn)被應(yīng)用于染料敏化太陽能電池中，但現(xiàn)有研究結(jié)果與期望性能還有差距，大面積商業(yè)應(yīng)用還需要研究者進一步提高光電轉(zhuǎn)換效率、研發(fā)新工藝、新材料，以期達到理想性能。