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染料敏化太阳能电池的部分文献总结及实验研究构想

1.部分文献

1.1染料敏化太阳能电池的结构

染料敏化太阳能电池总的可以分为三个部分：光电极、染料敏化剂、电解质和对电极。如图1。光阳极部分包含透明导电基底（一般为透明导电玻璃，也有一些柔性基底的）、半导体（主要是TiO2）。染料敏化剂主要是一些有机物，通常含有羧基或磷基基团。电解质主要由有机溶剂、氧化还原电对和添加剂组成。对电极是在透明导电基底上镀一层催化剂材料，如铂、石墨等。

图1 染料敏化太阳能电池的结构

光阳极

目前研究的染料太阳能电池只要采用多孔纳米网络结构的薄膜晶体作为半导体电极。这种电极在染料敏化太阳能电池中，起着支撑染料敏化剂、接收电子和传输电子的作用。它至少应该满足三个条件：

(1)必须有足够大的比表面积，从而能够吸附大量的染料；

(2)纳米多孔薄膜吸附染料的方式必须保证电子有效地注入薄膜的导带； (3)电子在薄膜中有较快传输速度，以减少薄膜中电子与电解质受主的电荷复合。

目前用得最多的光阳极材料是TiO2纳米晶。这类材料有很好的光吸收特性，并且成本较低、稳定性也较好。其他的光阳极材料有ZnO 、Nb2O5、SrTiO3、Zn2SnO4 等。其中ZnO的电子传输特性优于TiO2，但是却不能在酸性环境中稳定存在，而Zn2SnO4克服了ZnO的酸性不稳定性，是一类比较有潜力的光阳极

材料[1]。 染料敏化剂

染料敏化剂是吸附在纳米多孔半导体材料的网络结构中的有机物，这些有机物具有吸收太阳光、产生光电子和传输光电子到半导体导带的作用。这类染料分子一般含有固定配体和辅助配体。应该满足以下条件：

(1)电子最低占据轨道(LUMO) 的能量应该高于半导体导带边缘的能量， 且需有良好的轨道重叠以利于电子的注入；

(2)具有宽的光谱响应范围，应能在尽可能宽的范围内吸收可见太阳光谱； (3)需能牢固吸附于半导体的表面，以利于其激发生成的电子有效注入到半导体的导带；

(4)具有比电解质中的氧化还原电对更正的氧化还原电势，以便能很快得到来自还原态电解质的电子而重生；

(5)有足够负的激发态氧化还原电势，保证染料激发态电子注入TiO2 导带； (6)激发态寿命足够长，且有很高的电荷传输效率； (7)长期光照下需具有良好的化学稳定性；

(8)能溶解于与半导体共存的溶剂，以利于在TiO2 表面形成非聚集的单分子染料层。因为聚集的染料分子会使入射光损耗，阻碍电子输运。

目前，人们研究的可作为敏化剂的染料主要有四种：钌多吡啶有机金属配合物、酞菁和菁类染料、和天然染料等。 电解质

DSSC电池中电解质的关键作用是将电子传输给氧化态的染料分子，并将空穴传输到对电极，电解质的性能对太阳能电池的性能起着举足轻重的作用。电解主要分为液态电解质、准固态电解质和固态电解质。目前准固态、固态电解质是研究的热点。 对电极

对电极在DSSC中起着重要的作用，通常是选用在导电基底上镀一层铂而成。电子在电极/电解质界面起着催化剂的作用，保证了电子的高效传输。其主要作用可以概括为[2]：

(1)收集和输运电子(接收电池外回路的电子并把它传递给电解质里面的氧化还原

电对)；

(2)吸附并催化I-3；

(3)反射透过光(把从工作电极透过的光反射回光阳极膜，提高太阳光的利用率)。 也有用碳、镍或其他聚合物作对电极的，但是催化活性不如铂。 1.2染料敏化太阳能电池的优缺点

它制作方法简单，成本低，光电转换效率超过了7.1%。据估算，染料敏化电池的成本仅相当于硅电池板的1/10。它对光照条件要求不高，即便在阳光不太充足的室内，其光电转化率也不会受到太大的影响。而且能源回报周期短。但是目前染料敏化太阳电池多使用的液态电解质，造成电池的性能很不稳定，寿命比较短，且不易封装。而准固态和固态电解质虽然能克服上述困难，但是效率却不高，因此这方面的技术有待提高。 1.3染料敏化太阳能电池的研究热点

针对染料敏化太阳能电池的效率（相对于传统材料的效率）、稳定性、寿命等方面，目前对燃料敏化电池的研究主要集中在以下几个方面：

（1）光阳极的研究：目前所用的光阳极材料主要是二氧化钛，包括二氧化钛纳米晶、用其他材料修饰过表面的二氧化钛纳米晶等。还有ZnO 、Nb2O5、SrTiO3、Zn2SnO4等也可以作为光阳极材料。

（2）染料的研究：实验室及生产用的大多数是天然的金属有机配合物燃料，但是对环境有污染；有机天然染料成本低，环保潜力大，是目前研究的热点。 （3）电解质的研究：电解质中的氧化还原电对一般选用I-/I3-。然而，目前所用的电解质大多数为液态的，不仅封装困难，还易于挥发等，造成整个电池的新能不稳定。所以，准固态/固态电解质有待发展研究。

（4）对电极的研究：对电极大多采用铂作为对电极上的催化剂材料，但是铂对电极的成本相对较高，而且其稳定还与其制备工艺有关。石墨、碳、镍、金、高分子聚合物等也可以作为对电极的催化剂材料。制备对电极的方法可采用涂覆法、磁控溅射法等。