TiO2應用于染料敏化太陽能電池

徐慷

【摘 要】染料敏化太陽電池因具有使用壽命長、易于制造、光電轉(zhuǎn)換效率高， 比傳統(tǒng)太陽電池成本低廉等優(yōu)點，成為新一代太陽電池的研究熱點。TiO2更是DSSC光陽極的主要材料。本文簡單介紹了染料敏化太陽能電池的原理，以及TiO2納米空心球的應用。

【關(guān)鍵詞】TiO2；空心球；染料敏化；太陽能

0 引言

太陽能電池中非晶硅太陽能電池是目前普遍的太陽能電池，但是由于成本較高、投資商投資回收較慢，不方便普及推廣。因此，人們一直不斷在工藝、新材料、電池薄膜化等方面進行探索，自從Gratzel博士首次成功研制納米TiO2太陽能電池至今，納米TiO2太陽能電池掀起廣泛研究熱潮。染料敏化太陽能電池（DSSC）是一種新一代太陽能電池。由于制作方法簡單、成本便宜和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，無毒無害對環(huán)境無污染，有著很好的開發(fā)前景。能夠解決當今社會能源，以及污染的主要問題。染料敏化太陽電池因具有使用壽命長、易于制造、光電轉(zhuǎn)換效率高， 比傳統(tǒng)太陽電池成本低廉等優(yōu)點，成為新一代太陽電池的研究熱點。我們可以將TiO2制備成納米空心球結(jié)構(gòu)來獲得更大的比表面積，TiO2空心球表面能夠吸附更多的染料分子，只有緊密吸附在空心球表面的染料分子將會提高他的敏化效率。

本文研究的TiO2空心球球密度小，比表面積較大，捕光效率較高，顯著提高了光的吸收效率。

1 DSSC的結(jié)構(gòu)及工作原理

DSSC的結(jié)構(gòu)組成：由TiO2納米空心球、電解質(zhì)、染料、FTO、鉑薄膜等構(gòu)成。TiO2納米空心球匯集在FTO玻璃板上成為染料敏華電池的正極。負極是在FTO玻璃上鍍金屬鉑薄膜。敏化染料吸附在TiO2納米空心球表面上。電解質(zhì)我們一般取用I3/I-。DSSC工作原理如下圖所示：

染料敏化太陽能電池（DSSC）在陽光下的反應過程，以及工作原理，都表現(xiàn)在圖1中。通過染料以及電解質(zhì)的氧化還原反應而產(chǎn)生電子，反應發(fā)生在二氧化鈦的表面。二氧化鈦從中起到一個催化劑的作用。

具體過程可以用以下的式子表示：

染料（S）+hv→染料*（S*）

S*+TiO2→e-（TiO2導帶）+氧化染料（S+）

S+ + 3I-→S+I3-（染料還原）

I3-+2e-（陰電極）→3I-（電解質(zhì)還原）

I3-+2e-（TiO2導帶）→3I-（暗電流）

2 TiO2納米空心球的制備

制備納米TiO2空心球的方法有很多，本篇文章中我們采用模板法制作TiO2空心球。先用葡萄糖水熱法制作碳球，以碳球為模板。因為碳無毒，無害，燃燒后無雜質(zhì)，且葡萄糖價格便宜，取材方便是最好的模板材料。制備好的碳球收集干燥。

我們以溶膠-凝膠法，在碳球的基礎(chǔ)上包覆鈦酸丁酯，加熱條件下勻速攪拌，使碳球均勻包覆，控制過程反應緩慢進行。最終將產(chǎn)物放進馬弗爐里高溫退火，由于碳模板經(jīng)過高溫燃燒后，變成二氧化碳氣體消失。所以產(chǎn)物為白色的TiO2納米空心球。

3 總結(jié)

染料敏化太陽電池因具有使用壽命長、易于制造、光電轉(zhuǎn)換效率高， 比傳統(tǒng)太陽電池成本低廉等優(yōu)點，成為新一代太陽電池的研究熱點。TiO2更是DSSC光陽極的主要材料。制作中使用的模板碳，無毒無害。所以整個制作過程綠色環(huán)保無污染，具有很好的發(fā)展前景，未來染料敏化太陽能電池將會取代傳統(tǒng)的非晶硅太陽能電池。

【參考文獻】

[1]Green， M. A.； Emery， K.； Hishikawa， Y.； Warta， W.； Dunlop， E. D. Progr. Photovoltaics 2013， 21 （1）， 1-11.

[2]Kim， H. S.； Lee， C. R.； Im， J. H.； Lee， K. B.； Moehl， T.； Marchioro， A.； Moon， S. J.； Humphry-Baker， R.； Yum， J. H.； Moser， J. E.； Gratzel， M.； Park， N. G. Sci. Rep. 2012， 2， 591.

[3]蘭章，吳季懷，林建明，黃妙良.水熱法可控合成二氧化鈦納米晶及其在染料敏化太陽能電池中的應用，中國科學：化學，2012，42（7）：1029～1034.

[4]高明琦，徐友龍，白楊.用于染料敏化太陽能電池的鈮、氟雙摻雜二氧化鈦微球，西安交通大學學報，2011年12月，第45卷，第12期.endprint