染料敏化納米晶太陽能電池

本書較全面系統(tǒng)地討論了染料敏化納米晶太陽能電池研究的各個(gè)方面。主要內(nèi)容包括:太陽能電池及染料敏化太陽能電池的基本原理、半導(dǎo)體納米粒子及納米晶薄膜的制備及性質(zhì)、染料的合成及性質(zhì)、電解質(zhì)中及對電極上的電子轉(zhuǎn)移、染料敏化太陽能電池機(jī)理研究、超快光譜技術(shù)及其……

第1章 太陽能電池概況

1.1 引言

1.2 太陽能電池的種類

1.3 半導(dǎo)體能帶結(jié)構(gòu)概念

1.4 半導(dǎo)體能帶位置的測定方法

1.5 半導(dǎo)體的摻雜

1.6 光與半導(dǎo)體的作用

1.7 半導(dǎo)體的PN結(jié)

1.8 固態(tài)太陽能電池的光伏過程

第2章 染料敏化納米晶太陽能電池基本原理

2.1 半導(dǎo)體-溶液界面

2.2 半導(dǎo)體的導(dǎo)帶及價(jià)帶的測定方法

2.3 染料敏化半導(dǎo)體表面以及光誘導(dǎo)電荷分離

2.4 染料敏化太陽能電池工作原理

2.5 染料敏化太陽能電池的測試方法

第3章 半導(dǎo)體納米粒子與納米晶薄膜

3.1 半導(dǎo)體納米粒子的特性

3.2 半導(dǎo)體納米粒子的制備方法

3.3 二氧化鈦納米晶薄膜的制備方法

3.4 二氧化鈦納米晶及其薄膜的表征方法

3.5 薄膜的表面電子能譜技術(shù)

第4章 染料敏化太陽能電池的敏化劑

4.1 染料敏化劑的概況

4.2 染料敏化劑的特點(diǎn)

4.3 敏化劑的種類

4.4 光敏染料的性質(zhì)研究

第5章 氧化還原電解質(zhì)及對電極

5.1 染料敏化太陽能電池的電解質(zhì)體系

5.2 電解質(zhì)中的電子轉(zhuǎn)移反應(yīng)

5.3 對電極上的電子轉(zhuǎn)移反應(yīng)

5.4 電解質(zhì)中Li+的影響

5.5 4-叔丁基吡啶(TBP)的影響和作用機(jī)理

5.6 染料敏化太陽能電池空穴傳輸材料研究進(jìn)展

第6章 染料敏化納米晶太陽能電池的機(jī)理研究

6.1 光誘導(dǎo)電子轉(zhuǎn)移反應(yīng)

6.2 TiO2納米晶薄膜電極的光電化學(xué)性質(zhì)

6.3 TiO2納米晶薄膜電極中的電子輸運(yùn)過程

6.4 TiO2納米晶薄膜電極與電解液界面的復(fù)合反應(yīng)

第7章 超快光譜及染料敏化太陽能電池中的電子注入

7.1 超快光譜簡介

7.2 超短光脈沖與實(shí)驗(yàn)方法

7.3 染料與半導(dǎo)體納米晶薄膜間電子注入研究

第8章 半導(dǎo)體納米晶及薄膜光電化學(xué)體系的研究

8.1 硫化物復(fù)合敏化TiO2納米晶膜電極的光電化學(xué)研究

8.2 N3敏化Sr2+表面修飾TiO2納米晶膜電極光電化學(xué)

8.3 染料敏化稀土離子修飾TiO2納米晶電極的光電化學(xué)性質(zhì)

8.4 InSe納米粒子的光物理化學(xué)性質(zhì)研究

參考文獻(xiàn)

書名: 染料敏化納米晶太陽能電池

關(guān)鍵詞:染料 敏化 納米材料 半導(dǎo)體晶體 太陽能電池 楊術(shù)明

分類: 工業(yè)技術(shù) >獨(dú)立電源技術(shù)(直接發(fā)電)

繼多晶硅及薄膜太陽能電池之后，第三代太陽能電池產(chǎn)品--染料敏化太陽能電池產(chǎn)業(yè)化開發(fā)取得突破。上周河北漢光重工有限責(zé)任公司透露，該公司承擔(dān)的國內(nèi)首個(gè)染料敏化太陽能電池產(chǎn)業(yè)化項(xiàng)目攻克了光電材料、單元封裝、組件封裝等難關(guān)，把電池從2×2平方厘米、5×5平方厘米、15×15平方厘米，做到了80×72平方厘米。經(jīng)檢測，這種大面積的染料敏化太陽能電池的技術(shù)指標(biāo)及穩(wěn)定性均達(dá)到了產(chǎn)業(yè)化要求。

染料敏化太陽能電池是以低成本的納米二氧化鈦和光敏染料為主要原料，模擬自然界中植物利用太陽能進(jìn)行光合作用，將太陽能轉(zhuǎn)化為電能。與傳統(tǒng)太陽能電池相比，它的最大優(yōu)勢在于其制作工藝簡單、不需昂貴的設(shè)備和高潔凈度的廠房設(shè)施，制作成本僅為硅太陽能電池的1/10~1/5。該電池使用的納米二氧化鈦、N3染料、電解質(zhì)等材料價(jià)格便宜且環(huán)保無污染，同時(shí)它對光線的要求相對不那么嚴(yán)格，即使在比較弱的光線照射下也能工作。

據(jù)該項(xiàng)目負(fù)責(zé)人介紹，染料敏化太陽能電池于1991年由瑞士科學(xué)家實(shí)現(xiàn)了技術(shù)上的重大突破，之后美國、日本等發(fā)達(dá)國家投入大量資金也進(jìn)入該研發(fā)領(lǐng)域。我國染料敏化太陽能電池研究始于1994年，由中國科學(xué)院化學(xué)研究所發(fā)起，目前，該課題已被列為國家"863"、"973"計(jì)劃重大科研項(xiàng)目。

2008年初，中科院化學(xué)研究所與河北漢光重工有限責(zé)任公司簽訂長期合作協(xié)議，并成立漢光太陽能研究所。2009年底，邯鄲市政府與河北漢光重工有限責(zé)任公司簽訂共同推進(jìn)染料敏化太陽能電池研發(fā)項(xiàng)目合作協(xié)議。目前，漢光太陽能研究所已掌握核心材料如:N3染料、電解質(zhì)、鉑液、保護(hù)層、碳層的配方及生產(chǎn)合成工藝，具備了多種規(guī)格型號(hào)電池單元的制作能力，其光電流、光電壓及光電效率都已滿足小型用電器的電量要求，具備小批量生產(chǎn)能力。

該項(xiàng)目負(fù)責(zé)人還告訴記者，我國自主研發(fā)的這種新一代太陽能電池產(chǎn)品只在短短十幾年內(nèi)就邁向了產(chǎn)業(yè)化，目前國內(nèi)在該領(lǐng)域的科研水平與世界保持同步，計(jì)劃在2015年染料敏化太陽能電池達(dá)到20MW的生產(chǎn)能

其主要優(yōu)勢是:原材料豐富、成本低、工藝技術(shù)相對簡單，在大面積工業(yè)化生產(chǎn)中具有較大的優(yōu)勢，同時(shí)所有原材料和生產(chǎn)工藝都是無毒、無污染的，部分材料可以得到充分的回收，對保護(hù)人類環(huán)境具有重要的意義。自從1991年瑞士洛桑高工(EPFL)M. Grtzel教授領(lǐng)導(dǎo)的研究小組在該技術(shù)上取得突破以來，歐、美、日等發(fā)達(dá)國家投入大量資金研發(fā)。

染料敏化太陽能電池 - 結(jié)構(gòu)組成

主要由納米多孔半導(dǎo)體薄膜、染料敏化劑、氧化還原電解質(zhì)、對電極和導(dǎo)電基底等幾部分組成。納米多孔半導(dǎo)體薄膜通常為金屬氧化物(TiO2、SnO2、ZnO等)，聚集在有透明導(dǎo)電膜的玻璃板上作為DSC的負(fù)極。對電極作為還原催化劑，通常在帶有透明導(dǎo)電膜的玻璃上鍍上鉑。敏化染料吸附在納米多孔二氧化鈦膜面上。正負(fù)極間填充的是含有氧化還原電對的電解質(zhì)，最常用的是KCl(氯化鉀)。

(1)染料分子受太陽光照射后由基態(tài)躍遷至激發(fā)態(tài)(D*) ;

(2) 處于激發(fā)態(tài)的染料分子將電子注入到半導(dǎo)體的導(dǎo)帶中;

電子擴(kuò)散至導(dǎo)電基底，后流入外電路中;

(3) 處于氧化態(tài)的染料被還原態(tài)的電解質(zhì)還原再生;

(4) 氧化態(tài)的電解質(zhì)在對電極接受電子后被還原，從而完成一個(gè)循環(huán);

(5) 和(6) 分別為注入到TiO2 導(dǎo)帶中的電子和氧化態(tài)染料間的復(fù)合及導(dǎo)帶上的電子和氧化態(tài)的電解質(zhì)間的復(fù)合

研究結(jié)果表明:只有非常靠近TiO2表面的敏化劑分子才能順利把電子注入到TiO2導(dǎo)帶中去，多層敏化劑的吸附反而會(huì)阻礙電子運(yùn)輸;染料色激發(fā)態(tài)壽命很短，必須與電極緊密結(jié)合，最好能化學(xué)吸附到電極上;染料分子的光譜響應(yīng)范圍和量子產(chǎn)率是影響DSC的光子俘獲量的關(guān)鍵因素。到目前為止，電子在染料敏化二氧化鈦納米晶電極中的傳輸機(jī)理還不十分清楚，有Weller等的隧穿機(jī)理、Lindquist等的擴(kuò)散模型等，有待于進(jìn)一步研究。

DSC與傳統(tǒng)的太陽電池相比有以下一些優(yōu)勢:

⑴壽命長:使用壽命可達(dá)15-20年;

⑵結(jié)構(gòu)簡單、易于制造，生產(chǎn)工藝簡單，易于大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn);

⑶制備電池耗能較少，能源回收周期短;

⑷生產(chǎn)成本較低，僅為硅太陽能電池的1/5~1/10，預(yù)計(jì)每峰瓦的電池的成本在10元以內(nèi)。

⑸生產(chǎn)過程中無毒無污染;

經(jīng)過短短十幾年時(shí)間，染料敏化太陽電池研究在染料、電極、電解質(zhì)等各方面取得了很大進(jìn)展。同時(shí)在高效率、穩(wěn)定性、耐久性、等方面還有很大的發(fā)展空間。但真正使之走向產(chǎn)業(yè)化，服務(wù)于人類，還需要全世界各國科研工作者的共同努力。

這一新型太陽電池有著比硅電池更為廣泛的用途:如可用塑料或金屬薄板使之輕量化，薄膜化;可使用各種色彩鮮艷的染料使之多彩化;另外，還可設(shè)計(jì)成各種形狀的太陽能電池使之多樣化?？傊玖厦艋{米晶太陽能電池有著十分廣闊的產(chǎn)業(yè)化前景，是具有相當(dāng)廣泛應(yīng)用前景的新型太陽電池。相信在不久的將來，染料敏化太陽電池將會(huì)走進(jìn)我們的生活。