提高染料敏化太陽(yáng)能電池光電轉(zhuǎn)換效率的途徑

吳琪

摘 要：伴隨著能源危機(jī)的加劇，染料敏化太陽(yáng)能電池由于具有低成本、制作工藝簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，受到了各國(guó)科學(xué)家的廣泛關(guān)注。文章回顧了染料敏化太陽(yáng)能電池從產(chǎn)生到發(fā)展再到逐漸成熟以及現(xiàn)階段取得的成就。染料敏化太陽(yáng)能電池雖具有其他太陽(yáng)能電池?zé)o法比擬的眾多優(yōu)點(diǎn)，但其也存在一些問(wèn)題，如光電轉(zhuǎn)換效率低便是制約染料敏化太陽(yáng)能電池發(fā)展的重要因素之一。文章綜述了提高太陽(yáng)能利用率及太陽(yáng)能電池各器件光電轉(zhuǎn)換效率的途徑，即優(yōu)化染料敏化劑增強(qiáng)其與半導(dǎo)體薄膜材料表面的鍵合強(qiáng)度、吸附量及穩(wěn)定性。

關(guān)鍵詞：染料敏化太陽(yáng)能電池；光電轉(zhuǎn)換效率；途徑

中圖分類(lèi)號(hào)：TM914.4 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2018）05-0036-02

Abstract： With the aggravation of energy crisis， dye-sensitized solar cells have attracted wide attention from scientists all over the world because of their advantages of low cost and simple fabrication process. This paper reviews the achievements of dye-sensitized solar cells from generation to development to maturity. Dye-sensitized solar cells have many advantages that other solar cells can not compare， but there are some problems， such as low photoelectric conversion efficiency is one of the important factors restricting the development of dye-sensitized solar cells. In this paper， the ways to improve the solar energy utilization rate and the photoelectric conversion efficiency of solar cell devices are reviewed， that is， it intends to optimize the dye sensitizer to enhance the bonding strength， adsorption capacity and stability between the dye sensitizer and the surface of semiconductor thin film.

Keywords： dye-sensitized solar cells； photoelectric conversion efficiency； approach

能源是人類(lèi)社會(huì)賴以生存和發(fā)展的重要基礎(chǔ)。20世紀(jì)中葉以來(lái)，隨著人類(lèi)社會(huì)的不斷進(jìn)步和全球經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，人類(lèi)面臨的環(huán)境污染問(wèn)題和能源短缺問(wèn)題越來(lái)越嚴(yán)重?；茉词侨祟?lèi)使用的主要能源，而化石能源在促進(jìn)人類(lèi)社會(huì)不斷進(jìn)步和發(fā)展的同時(shí)，也造成了不可再生的化石燃料，尤其是煤和石油等資源的過(guò)渡消耗。因此為了應(yīng)對(duì)日益惡化的生態(tài)環(huán)境和日益嚴(yán)峻的能源形勢(shì)，科研工作者開(kāi)始了對(duì)新能源領(lǐng)域的研究和探索。在眾多能源中，太陽(yáng)能作為一種可再生的能源擁有非常廣泛的發(fā)展前景。在我國(guó)太陽(yáng)能儲(chǔ)量豐富，開(kāi)發(fā)利用方便，且無(wú)地域限制，是一種環(huán)境友好型的能源，因而受到世界范圍內(nèi)研究者們廣泛關(guān)注。

光伏效應(yīng)是由法國(guó)科學(xué)家Becquerel在160多年前發(fā)現(xiàn)的。自1839年，Becquerel在試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)將鹵化物溶液涂在金屬電極上會(huì)產(chǎn)生光電現(xiàn)象[1]，即發(fā)生伏特效應(yīng)以來(lái)，太陽(yáng)能電池已經(jīng)經(jīng)歷了160多年漫長(zhǎng)的發(fā)展歷史。至此，人們對(duì)光電化學(xué)領(lǐng)域開(kāi)始了深入的研究。1960年代，H.Gerischer，H.Tributsch，Meier及R.Memming發(fā)現(xiàn)在一定條件下，當(dāng)染料吸附在半導(dǎo)體上時(shí)會(huì)產(chǎn)生電流[2]，這種現(xiàn)象成為光電化學(xué)電池的重要基礎(chǔ)，從此以后，染料被廣泛用于光電化學(xué)電池研究中。從上世紀(jì)70年代到90年代，R. Memming，H. Gerischer，Hauffe，H. Tributsh等人大量研究了平板電極上的各種染料敏化劑與半導(dǎo)體納米晶之間的光敏化作用，但其光電轉(zhuǎn)換效率不到百分之一。1991年，Grtzel M.于《Nature》上發(fā)表了文章，報(bào)道了染料敏化太陽(yáng)能電池（DSSC）的轉(zhuǎn)化效率從2.5%提高到了7.1%[3]，標(biāo)志著太陽(yáng)能電池的發(fā)展又進(jìn)入一個(gè)嶄新的時(shí)代，為更加充分、合理的利用太陽(yáng)能提供了一條新的途徑。1993年，Grtzel M.等人再次報(bào)道了光電轉(zhuǎn)換效率達(dá)10%的染料電池，就單純從轉(zhuǎn)化效率而言已十分接近傳統(tǒng)的硅基電池的水平。由于諸多科學(xué)家以及科研機(jī)構(gòu)的共同努力，染料敏化電池的性能不斷得到改善，越來(lái)越符合當(dāng)今世界的要求。染料敏化太陽(yáng)能電池制備工藝簡(jiǎn)單，生產(chǎn)成本低廉，其作為一種新型的太陽(yáng)能電池得到了不斷的發(fā)展。染料敏化劑是染料敏化太陽(yáng)能電池的關(guān)鍵組成部分，因而也備受研究人員的關(guān)注。

有機(jī)染料敏化納米晶太陽(yáng)能電池雖具有理論轉(zhuǎn)換效率高、制備工藝簡(jiǎn)單、透明性高、可半透明、成本低（僅為硅系太陽(yáng)能電池的1/5以下）等眾多優(yōu)點(diǎn)，但相對(duì)于第一代和第二代太陽(yáng)能電池，仍存在諸多亟待解決的問(wèn)題，主要有其效率有待提高，原材料及器件制造成本高和器件的長(zhǎng)期穩(wěn)定性等問(wèn)題。一方面是因?yàn)檫@種新型太陽(yáng)能電池發(fā)展的時(shí)間還比較短，另一方面主要是因?yàn)槌Ｒ?guī)的思路已經(jīng)完全不能解決現(xiàn)時(shí)代下對(duì)染料電池的要求。所以染料電池想要想達(dá)到產(chǎn)業(yè)化階段，光電轉(zhuǎn)換效率低和長(zhǎng)期穩(wěn)定性便是制約染料敏化太陽(yáng)能電池發(fā)展的重要因素之一。有機(jī)染料敏化納米晶太陽(yáng)能電池以半導(dǎo)體TiO2薄膜為光陽(yáng)極、引入帶有發(fā)色團(tuán)的染料分子，借助于染料對(duì)可見(jiàn)光的強(qiáng)吸收，提高光電轉(zhuǎn)化效率。其工作原理為：當(dāng)入射光（特征吸收波長(zhǎng)）照射在染料敏化太陽(yáng)能電池的納米TiO2的陰極上時(shí)，染料分子中的電子吸收光子從而躍遷到高能量的激發(fā)態(tài)，從而產(chǎn)生電子空穴對(duì)。電子和空穴在氧化物半導(dǎo)體與染料之間的界面上發(fā)生分離，此后電子將快速注入到二氧化鈦導(dǎo)帶內(nèi)，空穴則以相反的方向運(yùn)動(dòng)，因而在閉合回路中產(chǎn)生電流，達(dá)到光電轉(zhuǎn)換的目的。在反應(yīng)過(guò)程中，激發(fā)態(tài)電子壽命越長(zhǎng)，越有利于電子的注入。若激發(fā)態(tài)電子壽命太短，則在電子未被注射到導(dǎo)帶之前，電子就已經(jīng)通過(guò)非輻射衰減湮滅了。因此降低TiO2的禁帶寬度，減少電子與空穴的復(fù)合，提高電子注入率，寬化可利用太陽(yáng)光譜范圍以及提高染料敏化劑吸附量已成為提高光電轉(zhuǎn)化效率的關(guān)鍵問(wèn)題。endprint

目前各國(guó)的很多研究人員也將他們的研究重點(diǎn)放在了DSSC敏化劑的研究上，這是因?yàn)檎麄€(gè)電池中的半導(dǎo)體是寬帶材料，只對(duì)紫外光有良好的吸收，故而對(duì)太陽(yáng)光的利用率極低，難以滿足大眾的要求，為了解決這一問(wèn)題，通常選擇加入染料進(jìn)行敏化，改變?cè)械奈諜C(jī)制，使電池對(duì)光的吸收范圍拓寬至可見(jiàn)光區(qū)域；染料敏化劑分子的性質(zhì)對(duì)太陽(yáng)能敏化電池的各項(xiàng)性能有直接的影響，因?yàn)閷ふ乙环N優(yōu)良的染料敏化劑分子是提高染料敏化太陽(yáng)能電池的關(guān)鍵。在太陽(yáng)能敏化電池中，經(jīng)特定波長(zhǎng)的入射光照射染料，為了將光生電子注入外電路，在有機(jī)金屬配合物染料中通常將有金屬到配體的電子躍遷的發(fā)生，隨后將電子注入半導(dǎo)體的導(dǎo)帶中。對(duì)于純有機(jī)染料來(lái)說(shuō)也具有相似的過(guò)程，染料分子通過(guò)分子內(nèi)的π-π*躍遷，將受激后產(chǎn)生的電子注入半導(dǎo)體的導(dǎo)帶中。而通過(guò)對(duì)染料分子進(jìn)行分子結(jié)構(gòu)和組態(tài)的改變，進(jìn)而達(dá)到調(diào)控材料能級(jí)的目的，從而優(yōu)化器件性能，所以在染料敏化太陽(yáng)能電池領(lǐng)域里對(duì)染料的研究一直是熱點(diǎn)和重點(diǎn)。另一個(gè)重要的研究出發(fā)點(diǎn)是基于液態(tài)電解質(zhì)的染料敏化太陽(yáng)能電池的轉(zhuǎn)化效率雖然已經(jīng)超過(guò)了12%，但是液態(tài)電解質(zhì)的泄露、不易密封以及電池的穩(wěn)定性不高卻嚴(yán)重束縛著它的發(fā)展。因此研究開(kāi)發(fā)不含易揮發(fā)有機(jī)溶劑的高性能全固態(tài)電解質(zhì)是染料敏化太陽(yáng)能電池發(fā)展的一個(gè)重要方向，也是今后電池大規(guī)模生產(chǎn)應(yīng)用的必須滿足的硬指標(biāo)。

因此有兩種有效提高太陽(yáng)能電池光電轉(zhuǎn)化效率技術(shù)途徑：通過(guò)優(yōu)化染料敏化劑增強(qiáng)其與半導(dǎo)體薄膜材料表面的鍵合強(qiáng)度、吸附量及穩(wěn)定性，提高太陽(yáng)能電池的光電轉(zhuǎn)化效率和使用壽命；研發(fā)具有較窄盡帶寬度、可利用可見(jiàn)光的納米級(jí)半導(dǎo)體薄膜材料，提高太陽(yáng)能的利用率的同時(shí)，延長(zhǎng)光生電子壽命和提高電池光生電子密度，進(jìn)而提高光電轉(zhuǎn)化效率。目前新型的有機(jī)染料分子結(jié)構(gòu)多樣，且容易修飾，合成工藝簡(jiǎn)單。因此，通過(guò)巧妙設(shè)計(jì)純有機(jī)染料進(jìn)而提高燃料敏化太陽(yáng)能電池也具有相當(dāng)?shù)母?jìng)爭(zhēng)力。近年來(lái)，基于純有機(jī)染料的DSSCs 的性能有了顯著的提高。Tingli Ma將N-TiO2應(yīng)用于N719型DSSCs系統(tǒng)中可將光電轉(zhuǎn)化效率提高至8%，并提出若能提高染料敏化劑在電極薄膜表面吸附量，將有利于光電轉(zhuǎn)化效率的進(jìn)一步提高。在全太陽(yáng)光照射下，基于二氫吲哚染料的DSSC達(dá)到了高于9%的能量轉(zhuǎn)換效率， 仍略低于N3系列染料。而利用三苯胺、香豆素、二烷基苯胺、低（聚）噻吩、二萘嵌苯等染料改善DSSC性能的研究也均有報(bào)道。

總之，DSSC依靠其他太陽(yáng)能電池?zé)o法與之比擬的眾多優(yōu)點(diǎn)，逐步發(fā)展到向產(chǎn)業(yè)化過(guò)度的階段。雖然目前尚存在一些問(wèn)題（如其效率還有待提高），但隨著對(duì)DSSC研究的深入，技術(shù)水平的不斷提高，染料敏化太陽(yáng)能電池良好的應(yīng)用前景必將顯現(xiàn)，其產(chǎn)業(yè)化的趨勢(shì)也不可阻擋。未來(lái)，DSSC必將以其優(yōu)越的性能得到人們的廣泛使用，走向?qū)嵱没?，而且必?huì)依靠其低成本及高性能優(yōu)勢(shì)在激烈的太陽(yáng)能市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中脫穎而出，并在未來(lái)能源結(jié)構(gòu)中取得一席之地。最后，DSSC的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展將有效解決人類(lèi)在發(fā)展經(jīng)濟(jì)過(guò)程中對(duì)能源的迫切需求，且不會(huì)造成環(huán)境污染，可以預(yù)見(jiàn)DSSC將成為清潔能源的佼佼者，并帶領(lǐng)新能源產(chǎn)業(yè)在世界范圍內(nèi)廣泛使用。

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