染料敏化太陽(yáng)能電池簡(jiǎn)介

其主要優(yōu)勢(shì)是:原材料豐富、成本低、工藝技術(shù)相對(duì)簡(jiǎn)單，在大面積工業(yè)化生產(chǎn)中具有較大的優(yōu)勢(shì)，同時(shí)所有原材料和生產(chǎn)工藝都是無(wú)毒、無(wú)污染的，部分材料可以得到充分的回收，對(duì)保護(hù)人類(lèi)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(lái)，歐、美、日等發(fā)達(dá)國(guó)家投入大量資金研發(fā)。

染料敏化太陽(yáng)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(duì)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(duì)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(duì)的電解質(zhì)，最常用的是KCl(氯化鉀)。

(1)染料分子受太陽(yáng)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(duì)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(yáng)電池相比有以下一些優(yōu)勢(shì):

⑴壽命長(zhǎng):使用壽命可達(dá)15-20年;

⑵結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于制造，生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)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(yáng)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?xún)?nèi)。

⑸生產(chǎn)過(guò)程中無(wú)毒無(wú)污染;

經(jīng)過(guò)短短十幾年時(shí)間，染料敏化太陽(yáng)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(lèi)，還需要全世界各國(guó)科研工作者的共同努力。

這一新型太陽(yáng)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(yáng)能電池使之多樣化?？傊玖厦艋{米晶太陽(yáng)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(yáng)電池。相信在不久的將來(lái)，染料敏化太陽(yáng)電池將會(huì)走進(jìn)我們的生活。

繼多晶硅及薄膜太陽(yáng)能電池之后，第三代太陽(yáng)能電池產(chǎn)品--染料敏化太陽(yáng)能電池產(chǎn)業(yè)化開(kāi)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(guó)內(nèi)首個(gè)染料敏化太陽(yáng)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(cè)，這種大面積的染料敏化太陽(yáng)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(yáng)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(yáng)能進(jìn)行光合作用，將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為電能。與傳統(tǒng)太陽(yáng)能電池相比，它的最大優(yōu)勢(shì)在于其制作工藝簡(jiǎn)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(yáng)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(wú)污染，同時(shí)它對(duì)光線的要求相對(duì)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(yáng)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(guó)、日本等發(fā)達(dá)國(guó)家投入大量資金也進(jìn)入該研發(fā)領(lǐng)域。我國(guó)染料敏化太陽(yáng)能電池研究始于1994年，由中國(guó)科學(xué)院化學(xué)研究所發(fā)起，目前，該課題已被列為國(guó)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(zhǎng)期合作協(xié)議，并成立漢光太陽(yáng)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(yáng)能電池研發(fā)項(xiàng)目合作協(xié)議。目前，漢光太陽(yáng)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(mǎn)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(guó)自主研發(fā)的這種新一代太陽(yáng)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(guó)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(yáng)能電池達(dá)到20MW的生產(chǎn)能

本書(shū)較全面系統(tǒng)地討論了染料敏化納米晶太陽(yáng)能電池研究的各個(gè)方面。主要內(nèi)容包括:太陽(yáng)能電池及染料敏化太陽(yáng)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(duì)電極上的電子轉(zhuǎn)移、染料敏化太陽(yáng)能電池機(jī)理研究、超快光譜技術(shù)及其……