染料敏化太陽(yáng)能電池研究進(jìn)展

周毅 周艷霞 趙地

摘 要： 染料敏化太陽(yáng)能電池（DSSC）是一種新型光電化學(xué)太陽(yáng)能電池，它具有生產(chǎn)成本低、制作工藝簡(jiǎn)單、原材料來(lái)源豐富以及環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)。介紹了染料敏化太陽(yáng)能電池的一般結(jié)構(gòu)及原理，綜述了現(xiàn)階段國(guó)內(nèi)外對(duì)染料敏化太陽(yáng)能電池中光陽(yáng)極、敏化劑、對(duì)電極、電解質(zhì)、光譜吸收等因素的最新研究進(jìn)展，并對(duì)目前染料敏化太陽(yáng)能電池中光陽(yáng)極、染料、電解質(zhì)、層疊結(jié)構(gòu)等方面存在的問題及發(fā)展前景進(jìn)行了闡述，最后總結(jié)了染料敏化太陽(yáng)能電池的發(fā)展方向。

關(guān)鍵詞： 太陽(yáng)能電池； 光陽(yáng)極； 染料敏化； 電解質(zhì)； 對(duì)電極； 光電轉(zhuǎn)化效率

中圖分類號(hào)： TM 914.4+2 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

Research Development Status of Dyesensitized Solar Cells

ZHOU Yi1， ZHOU Yanxia2， ZHAO Di1

（1.School of Science， Tibet University， Lhasa 850000， China；

2.School of Engineering， Tibet University， Lhasa 850000， China）

Abstract： Dyesensitized solar cells （DSSC） are a new type of photoelectrochemical solar cells with the advantages of low production cost，simple craft，rich source of raw materials，environmental friendliness，and so on.Therefore，it has become a research focus in the field of new energy.The general structure and principles of dyesensitized solar cells were introduced in this article.The latest research progress of dyesensitized solar cell including photoanode，sensitizer，counter electrode，electrolyte and spectrum absorption was reviewed.The problems and prospects of its photoanode，dyes，electrolytes，and laminated structure were discussed.Finally，the development direction of dyesensitized solar cells was summarized in the article.

Keywords： solar cell； photoanode； dyesensitized； electrolyte； counter electrode； monochromatic incident photontoelectron conversion efficiency

染料敏化太陽(yáng)能電池（DSSC）是眾多太陽(yáng)能電池分類中的一種，它是可以利用一些光敏材料，模仿植物中葉綠素的光合作用，最終將太陽(yáng)能（光能）轉(zhuǎn)化為電能的一種新型太陽(yáng)能電池[1]。由于其原料來(lái)源廣泛，成本低廉，對(duì)生產(chǎn)設(shè)備要求低，生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)單，能耗低，適合大規(guī)模的生產(chǎn)應(yīng)用等特性，在能源短缺和環(huán)境污染的當(dāng)下，受到了越來(lái)越多政府、企業(yè)及研究人員的關(guān)注[2]。但是染料敏化太陽(yáng)能電池光電轉(zhuǎn)化效率（IPCE）相對(duì)于一般太陽(yáng)能電池而言較低，且液態(tài)或半固態(tài)電解質(zhì)會(huì)影響電池穩(wěn)定性[3]。因此現(xiàn)階段對(duì)其的研究方向主要是如何提高其光電轉(zhuǎn)化率和穩(wěn)定性[4]。

1 染料敏化太陽(yáng)能電池原理及構(gòu)造

能源研究與信息2018年 第34卷

第1期周 毅，等：染料敏化太陽(yáng)能電池研究進(jìn)展

1.1 原理

染料敏化太陽(yáng)能電池原理如圖1所示。DSSC的核心思想是將光的吸收過程和電子收集過程分開，即分別由敏化劑和介孔氧化物半導(dǎo)體基底來(lái)完成[5]。電池基底通常是由TiO2納米晶燒結(jié)在一起形成的介孔氧化物半導(dǎo)體層；敏化劑是吸附在納米晶的薄膜表面上的單層染料分子。當(dāng)染料分子吸收太陽(yáng)光時(shí)，電子從基態(tài)躍遷到激發(fā)態(tài)。處于激發(fā)態(tài)的電子不穩(wěn)定，它以非常快的速率注入較低能級(jí)的TiO2導(dǎo)帶中。注入導(dǎo)帶中的電子經(jīng)外電路時(shí)做功產(chǎn)生工作電流，然后流回到對(duì)電極中；電解液中的氧化還原電對(duì)則將留在氧化鈦染料分子中的空穴還原，這時(shí)氧化態(tài)染料分子還原至基態(tài)，就可再次吸收光子；產(chǎn)生的氧化態(tài)電解質(zhì)通過擴(kuò)散在對(duì)電極接受電子被還原，這樣整個(gè)電路經(jīng)過氧化和還原的再生，完成一個(gè)光電化學(xué)反應(yīng)的循環(huán)[6-8]。

1.2 構(gòu)造

染料敏化太陽(yáng)能電池的構(gòu)造如圖2所示。典型的DSSC包括透明導(dǎo)電光學(xué)（TCO）玻璃、透明納米孔半導(dǎo)體電極（光陽(yáng)極）、染料、電解質(zhì)、對(duì)電極（光陰極）等[9-11]。

2 國(guó)內(nèi)外最新研究進(jìn)展

目前DSSC的研究都集中于改變或發(fā)現(xiàn)新的組成其結(jié)構(gòu)的材料[12-14]。下面將根據(jù)針對(duì)不同結(jié)構(gòu)所做的研究來(lái)概述DSSC的國(guó)內(nèi)外研究進(jìn)展。

關(guān)于光陽(yáng)極，Milan等[15]研究了用于DSSC的ZnO@SnO2復(fù)合光陽(yáng)極，即將多種氧化物分層設(shè)計(jì)理念應(yīng)用于制造光陽(yáng)極。該設(shè)計(jì)方案綜合利用了兩種氧化物各自的優(yōu)良性能。利用ZnO的高載流子遷移率和SnO2材料在紫外光照射下的高穩(wěn)定性，研究了ZnO@SnO2不同分層組合的效果：基于兩種氧化物設(shè)計(jì)的光陽(yáng)極取得了更高的光能轉(zhuǎn)換率（4.96%），而使用單一SnO2或ZnO的轉(zhuǎn)換率則分別只有1.20%和1.03%。另外，在開路電壓和短路電流密度方面均發(fā)現(xiàn)了協(xié)同增效現(xiàn)象。分層結(jié)構(gòu)之所以能提升功能性能，是因?yàn)檫@一結(jié)構(gòu)優(yōu)化了高化學(xué)電容和低復(fù)合電阻，同時(shí)抑制了從SnO2導(dǎo)帶到電解液中氧化型物質(zhì)的電子回傳。研究證實(shí)了簡(jiǎn)單電極設(shè)計(jì)在強(qiáng)化最終設(shè)備性能方面發(fā)揮的強(qiáng)大作用。

關(guān)于敏化劑，Han等[16]采用超聲波噴涂技術(shù)超快速制造柔性染料敏化太陽(yáng)能電池，研究了用于制造TiO2電極的新型沉積技術(shù)，并將該類電極運(yùn)用在柔性染料敏化太陽(yáng)能電池中。預(yù)先染料包覆技術(shù)和共淀積超聲波噴涂技術(shù)消除了傳統(tǒng)方法及工藝過于耗時(shí)的缺點(diǎn)。采用新型沉積技術(shù)并使用染料N719作為敏化劑制成的電極（以柔性聚合物為基底）實(shí)現(xiàn)了超過4.0%的能量轉(zhuǎn)化率。

關(guān)于對(duì)電極，Maiaugree等[17]利用從山竹皮中提取的天然對(duì)電極和天然染料制成了染料敏化太陽(yáng)能電池。碳化山竹皮和山竹皮染料可分別被用作天然對(duì)電極和天然光敏劑。在碳化山竹皮中發(fā)現(xiàn)了一種具有粗糙納米級(jí)表面的獨(dú)特介孔蜂窩狀碳結(jié)構(gòu)，對(duì)比了利用碳化山竹皮作對(duì)電極的染料敏化太陽(yáng)能電池和采用Pt和PEDOTPSS作對(duì)電極的電池的效果，發(fā)現(xiàn)使用碳化山竹皮和有機(jī)二硫化物/硫醇鹽電極的電池具有較高的太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換效率（2.63%）。

關(guān)于電解質(zhì)，王艷香等[18]研究了DSSC中利用CsSnI3-xFx作為固態(tài)電解質(zhì)，F(xiàn)摻雜取代I和SnF2負(fù)載量等對(duì)電池性能的影響。當(dāng)在CsSnI2.95F0.05中添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%的SnF2后，并在450 ℃下燒制的固態(tài)電解質(zhì)電池的性能最優(yōu)，電池光電轉(zhuǎn)換效率為5.18%。

關(guān)于光譜吸收的研究，Kinoshita等[19]采用鈣鈦礦結(jié)構(gòu)增加電池對(duì)光譜的吸收范圍，制造了染料敏化太陽(yáng)能電池，將太陽(yáng)能電池對(duì)光的吸收范圍向近紅外區(qū)域擴(kuò)展來(lái)提高電池的能量轉(zhuǎn)換效率。雖然鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的高轉(zhuǎn)換率大于20%，但是這種電池在長(zhǎng)波段的吸收限大約在800 nm。為了進(jìn)一步增強(qiáng)鈣鈦礦型太陽(yáng)能電池的轉(zhuǎn)換效率，建立了一種結(jié)合近紅外光伏發(fā)電的混合系統(tǒng)。采用一種DX3的全色性增感劑，這種增感劑在近紅外區(qū)域的響應(yīng)很寬，大約可達(dá)1 100 nm，同時(shí)這種材料在模擬大氣質(zhì)量和1.5標(biāo)準(zhǔn)日光輻射環(huán)境中的短路電流密度可超過30 mA·cm-2。將基于DX3的染料敏化太陽(yáng)能電池和可吸收可見光的鈣鈦礦電池相結(jié)合，這一采用光譜拆分系統(tǒng)的介觀混合光伏發(fā)電技術(shù)實(shí)現(xiàn)了21.5%的轉(zhuǎn)換效率。

3 潛在問題及展望

在光陽(yáng)極方面[20-24]，目前納米結(jié)構(gòu)光陽(yáng)極的發(fā)展仍然處于初級(jí)階段，還無(wú)法精確控制其微觀形貌和結(jié)構(gòu)，使之完全滿足DSSC光陽(yáng)極的功能需求。如何從紛繁復(fù)雜的各種材料、結(jié)構(gòu)和工藝中遴選出最具發(fā)展?jié)摿Φ募{米結(jié)構(gòu)形式，并通過微觀結(jié)構(gòu)、光電功能的優(yōu)化，最終真正實(shí)現(xiàn)比納米顆粒光陽(yáng)極更高的光電轉(zhuǎn)化效率，是所有研究者必須面對(duì)的挑戰(zhàn)和機(jī)遇。

在光敏染料方面[25-31]，染料分子結(jié)構(gòu)可能對(duì)敏化太陽(yáng)能電池的開路電壓有較大影響，而對(duì)于總的光電轉(zhuǎn)換效率的影響仍無(wú)規(guī)律可循，而且目前仍然存在染料容易從TiO2上脫附，在光照下也容易被氧化等問題，導(dǎo)致電池的穩(wěn)定性下降。這些因素極大地影響了DSSC的工業(yè)化應(yīng)用。所以，繼續(xù)尋找更加匹配的電子給體或穩(wěn)定度好，與TiO2鍵和牢固并且有著較強(qiáng)吸電子能力的電子受體的新型敏化染料是非常必要的。

在電解質(zhì)方面[32-33]，現(xiàn)階段電解質(zhì)分為液態(tài)、準(zhǔn)固態(tài)、全固態(tài)。液態(tài)電解質(zhì)最大的缺點(diǎn)是不夠穩(wěn)定，易泄漏、揮發(fā)，有腐蝕性；而采用準(zhǔn)固態(tài)或全固態(tài)電解質(zhì)代替液態(tài)電解質(zhì)，也只能在一定程度上提高DSSC的穩(wěn)定性，但是大部分電池的光電轉(zhuǎn)換效率還是低于含液態(tài)電解質(zhì)的電池。此外，對(duì)于其他組成部分，例如，需要綜合考慮染料、半導(dǎo)體納米晶、電解質(zhì)對(duì)電極的能級(jí)匹配以及相互作用對(duì)電池性能的影響。

在層疊結(jié)構(gòu)方面，通過各種層疊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，有利于拓寬DSSC的光譜利用范圍。雖然光譜的可利用范圍增大，但其電池的光電轉(zhuǎn)換率并沒有顯著升高。目前層疊DSSC的研究剛剛起步，如果能找到具有寬光譜吸收特性、高量子轉(zhuǎn)換效率的P型染料以及更匹配的電解質(zhì)，或許更有利于層疊DSSC的發(fā)展。

4 結(jié) 論

DSSC具有弱電發(fā)光，受環(huán)境溫度及光入射角度影響小，制備工藝簡(jiǎn)單，同時(shí)具有可制備柔性以及藝術(shù)多彩DSSC等特點(diǎn)，這是其他種類太陽(yáng)能電池?zé)o法比擬的。如何進(jìn)一步提高DSSC的光電轉(zhuǎn)化率、開發(fā)高效固態(tài)電解質(zhì)以及高效光敏材料研究是DSSC研究領(lǐng)域有待解決的問題。盡管如此，目前DSSC已發(fā)展到向產(chǎn)業(yè)化過渡的階段。相信隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，DSSC美好的應(yīng)用前景必將凸顯，包括可應(yīng)用于攜帶移動(dòng)電源、數(shù)碼家電，以及建筑一體化的汽車一體化應(yīng)用等，它也必將以其優(yōu)異的性能和低廉的成本成為太陽(yáng)能電池市場(chǎng)上有力的競(jìng)爭(zhēng)者，并在未來(lái)能源結(jié)構(gòu)中占據(jù)重要地位。這也將有助于解決人類的能源需求，緩解化石燃料帶來(lái)的環(huán)境污染等問題。

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