染料敏化太阳电池
染料敏化太阳电池主要是模仿光合作用原理，研制出来的一种新型太阳电池，其主要优势是：原材料丰富、成本低、工艺技术相对简单，在大面积工业化生产中具有较大的优势，同时所有原材料和生产工艺都是无毒、无污染的，部分材料可以得到充分的回收，对保护人类环境具有重要的意义。自从1991年瑞士洛桑高工（EPFL）M. Grtzel教授领导的研究小组在该技术上去的突破以来，欧、美、日等发达国家投
染料敏化太阳能电池的研究历史可以追溯到19世纪早期的照相术。1837年，Daguerre制出了世界上第一张照片。两年后，Fox Talbot将卤化银用于照片制作，但是由于卤化银的禁带宽度较大，无法响应长波可见光，所以相片质量并没有得到很大的提高。1883年，德国光电化学专家Vogel 发现有机染料能使卤化银乳状液对更长的波长敏感，这是对染料敏化效应的最早报导。使用有机染料分子可以扩展卤化银照相软片对可见光的响应范围到红光甚至红外波段，这使得“全色”宽谱黑白胶片乃至现在的彩色胶片成为可能。1887年，Moser将这种染料敏化效应用到卤化银电极上，从而将染料敏化的概念从照相术领域延伸到光电化学领域。1964年，Namba 和Hishiki发现同一种染料对照相术和光电化学都很有效。这是染料敏化领域的重要事件，只是当时不能确定其机理，即不确定敏化到底是通过电子的转移还是通过能量的转移来实现的。直到20世纪60年代，德国的Tributsch发现了染料吸附在半导体上并在一定条件下产生电流的机理，才使人们认识到光照下电子从染料的基态跃迁到激发态后继而注入半导体的导带的光电子转移是造成上述现象的根本原因。这为光电化学电池的研究奠定了基础。但是由于当时的光电化学电池采用的是致密半导体膜，染料只能在膜的表面单层吸附，而单层染料只能吸收很少的太阳光，多层染料又阻碍了电子的传输，因此光电转换效率很低，达不到应用水平。后来人们制备了分散的颗粒或表面积很大的电极来增加染料的吸附量，但一直没有取得非常理想的效果。1988年，Grätzel小组用基于Ru的染料敏化粗糙因子为200的多晶二氧化钛薄膜，用Br2/Br-氧化还原电对制备了太阳能电池，在单色光下取得了12 %的转化效率，这在当时是最好的结果了。直到1991年，Grätzel在O’Regan的启发下，应用了O’Regan制备的比表面积很大的纳米TiO2颗粒，使电池的效率一举达到7.1 %，取得了染料敏化太阳能电池领域的重大突破。应当说，纳米技术促进了染料敏化
结构组成
主要由纳米多孔半导体薄膜、染料敏化剂、氧化还原电解质、对电极和导电基底等几部分组成。纳米多孔半导体薄膜通常为金属氧化物（TiO2、SnO2、ZnO等），聚集在有透明导电膜的玻璃板上作为DSC的负极。对电极作为还原催化剂，通常在带有透明导电膜的玻璃上镀上铂。敏化染料吸附在纳米多孔二氧化钛膜面上。正负极间
填充的是含有氧化还原电对的电解质，最常用的是I3/I-。
工作原理
DSSC工作原理
染料敏化太阳电池结构示意图
⑴染料分子受太阳光照射后由基态跃迁至激发态；
⑵处于激发态的染料分子将电子注入到半导体的导带中；
⑶电子扩散至导电基底，后流入外电路中；
⑷处于氧化态的染料被还原态的电解质还原再生；
⑸氧化态的电解质在对电极接受电子后被还原，从而完成一个循环；
⑹和⑺分别为注入到TiO2 导带中的电子和氧化态染料间的复合及导带上的
电子和氧化态的电解质间的复合
研究结果表明：只有非常靠近TiO2表面的敏化剂分子才能顺利把电子注入到TiO2导带中去，多层敏化剂的吸附反而会阻碍电子运输；染料色激发态寿命很短，必须与电极紧密结合，最好能化学吸附到电极上；染料分子的光谱响应范围和量子产率是影响DSC的光子俘获量的关键因素。到目前为止，电子在染料敏化二氧化钛纳米晶电极中的传输机理还不十分清楚，有待于进一步研究。
通过近二十年的研究与优化，染料敏化太阳能电池的效率已经超过了12 %。这种电池的突出优点是高效率、低成本、制备简单，因此有望成为传统硅基太阳能电池的有力竞争者。
超高效率的太阳电池
超高效率的太阳电池的技术发展，除了运用新颖的组件结构设计，来尝试突破其物理限制外，也有可能因为新材料的引进，而达成异想不到的进展。染料感光太阳电池dye-sensitized solar cell (DSC) 就是最近被
开发出来的一种崭新的太阳电池。DSC也被称为Grätzel cell，因为是在1991年由Grätzel等人发表。这种电池的构造和一般光伏特电池不同，其基板通常是玻璃，也可以是透明且可弯曲的聚合箔(polymer foil)，玻璃上有一层透明导电的氧化物
(transparent conducting oxide TCO) 通常是
SnO2:F) ，然后长有一层约10m厚的porous奈米尺寸的
TiO2 粒子 (约10~20 nm)形成一nano-porous薄膜。然后涂上一层染料附着于TiO2的粒子上。通常染料是采用
ruthenium polypyridyl complex。上层的电极除了也是使用玻璃和TCO 外，也镀上一层铂当电解质反应的催化物
(platinum catalyst) ，二层电极间，则注入填满含有
iodide/triiodide ( )电解质(electrolyte)。
染料感光电池的工作原理，可以简单地叙述如下：当染料被光激发后，将激发的电子注入TiO2导带，而留下氧化的染料分子，电子在TiO2 粒子间传输至电极，经过负载至另一电极，在此经由铂的催化，参与 的反应过程。 离子在电解液中传输至氧化的染料分子，产生 的反应提供额外的电子将氧化的染料分子复原，完成一个工作循环。
染料感光太阳电池的工作原理，基本上是运用光电化学(photoelectrochemical) 效应，而非光伏特效应。其电荷的传导是经由导电电子和 负离子，并没有像光伏特效应中尚有带正电的电洞。染料感光太阳电池一新颖的太阳电池，其优点为制造简易，模块具可挠性(flexible)，效率最高纪录也已经达11%。换言之，假以时日，高效率低成本的染料感光太阳电池，当其相关的可靠性的稳定性问题被解决，或许能被大量制造及广泛应用。
当然，更广泛而言，有机物(organic)或聚合物(polymer)都可用来当太阳电池，染料感光太阳电池为只是其中一种。我们知道，一般而言，LED和太阳电池都是的p-n二极管，只是LED是将电能转换成光能，而太阳电池是将光能转换成电能。既然有机物可以用来做LED(也就是OLED)，当然也可以用来做太阳电池。有机物LED或有机物太阳电池的基本结构一般而言有三个部分：正电极、负电极、和有机分子。它须要有类似p型-金属接触的高功函数 (high work-function) 材料当正电极(也就是阳极anode)，例如使用铝金属。也要有类似n型-金属接触低功函数
(low work-function) 材料当负电极(也就是阴极cathode)，例如使用ITO透明导电氧化物。而主要作用的有机分子的能阶结构必须有功能像导带的highest occupied molecular orbital (HOMO)，和功能像价带的
lowest unoocupied molecular orbital (LUMO)。光子被吸收后，产生HOMO 的电子和LUMO 的电洞。但不同的是，一般的无机半导体的导带的电子和价带的电洞都是自由载子，但有机分子HOMO 的电子和LUMO 的电洞因为彼此的束缚较强，形成激子(exciton)。通常这些激子是区域化(localized)，但也有些情况，激子也可能去区域化(delocalized)而成为polaron。使用有机物当太阳电池的要件，就是要寻找适当的有机分子能提供激子解离的场所(dissociation sites)，来分开正负电荷而解离激子
成为自由电子和电洞。激子一旦解离成自由载子，HOMO 的电子就可以传输至低功函数的负电极，而LUMO 的电洞就可以传输至高功函数的正电极。有关于有机物太阳电池的详细细节，这里不做进一步的讨论，但必须注意的是，使用dye、conjugated polymer、bulk heterojunction 或molecular heterojunction作太阳电池的都是值得注意的研究课题。
全固态染料敏化太阳能电池
发布时间：2012-08-10 23:11:29 来源：本站编辑点击：64 染料敏化太阳能电池固有的缺陷：即容易发生泄漏，以及含有腐蚀性的液体电解质。西北大学的化学家Mercouri Kanatzidis)和材料学家Robert Chang)在最近的《自然》报道“采用固态碘基半导体取代染料电池的液态电解质”，其太阳能电池的效率，在标准测试条件下更接近8%。
花青苷染料在TiO2纳米线界面染料敏化太阳能电池发布时间：2012-12-03 14:33:00 来源：中国科学院物理研究所点击：10
图1 三种有机分子的光学吸收谱。红线、蓝线分别对应于分解和不分解状态。
图2 同一有机染料分子在TiO2表面的各种吸附构型和电子态分布。
图3 电子-空穴动力学。
图4 有氧空位缺陷时的电子注入过程和可能的电子-空穴复合过程。
染料敏化太阳能电池被认为是二十一世纪可能取代化石能源的可再生、低能耗（价格）的关键能源技术之一。很大程度上，它的优越性来源于对自然界的光合系统的模拟，即把需要很大空间尺度的可见光吸收过程和要求高纯度、小尺度以降低电子散射的电子收集过程分开，达到各自的最高效率。难题在于如何在同一系统同时实现这两种功能以及如何有效地提高它们的效率。
染料敏化太阳能电池巧妙地利用高消光系数的染料分子吸附在氧化物纳米颗粒界面来实现高效的太阳光吸收和电子空穴的分离收集。由于纳米颗粒材料具有极大的比表面积，光吸收可比单晶表面提高1000倍以上。但是在这种纳米尺度上染料分子/氧化物界面处电子空穴的分离过程和一些影响因素却不清楚。
中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家实验室（筹）孟胜研究员的研究团队与瑞士联邦理工大学(Ecole Polytechnique Federale Lausanne) Efhimios Kaxiras教授合作，在原先揭示了花青苷自然染料在TiO2纳米线界面有快速的电子注入的基础之上[Nano Lett. 8, 3266 (2008)]，利用基于含时密度泛函电子动力学的第一性原理计算细致研究了影响染料敏化太阳能电池电子注入效率的主要因素并总结了其中的物理规律。他们的研究揭示染料分子尺寸大小、分子分解和吸附状态、表面处原子缺陷都会影响到电子空穴分离的时间尺度从而影响负电极收集激发态电子的效率。
一直以来人们观测到不同染料分子/TiO2界面处电子受激注入的时间尺度不一，从真空条件下最快的3fs（烟酸，Bi-isonicontinic acid）到器件中可能达到的100ps(钌复合物N719,三重态注入)。巨大的时间跨度意味着丰富的物理过程在发生，精确理解这些过程能帮助我们调控电子运动时间、提高光电转化效率。比如，根据非绝热
过程中隧穿电子数随着距离成指数衰减的规律，可以预知染料分子与氧化物半导体之间每增加一个(CH2)基团，电子注入时间增加3.3倍。用Re染料（ReC1A）做实验得到与此基本相符的结果，但用连有1或4个苯环乙炔基团的Zn卟啉作染料做超快测量，却没有观察到注入时间的明显增加。孟胜等通过计算模拟发现在三种有机染料分子中较长的分子的确需要较长的注入时间，和直观印象相符；更重要的，这种时间增长仅有1.2倍(对于增加(CH)2基团的情形)和1.3倍（增加噻吩基团）。这意味着在这种情况下绝热过程起着主要作用，这也能够解释卟啉实验的结果。
他们进一步发现染料分子在氧化物表面的吸附状态极大地影响了电子注入的时间。首先通过和实验光谱的比较，他们确定分子存在着不分解和分解吸附两种状态。利用含时密度泛函实时波函数演化，他们发现前者比后者电子过程要慢20-60fs。而且对于同样不分解的状态，不同吸附构型也会导致电子注入时间相差3倍。分析表明这种差异主要来自于界面处电偶极矩大小不同，对于引起较大的朝上电偶极矩的吸附构型，半导体导带底向上推移，而且阻碍了激发态电子从分子迁移到半导体导带上。
界面原子结构也对电子空穴动力学有着根本影响。有机分子吸附在氧空位上吸附能增强约3倍，非常稳定。由于存在较强的电子耦合，受光激发的电子快速注入，比在干净表面上快2-3倍，在50fs左右完成。但是注入后的电子有很大几率和分子上的空穴重新复合，从而不做有用功，降低电子收集效率。所以控制表面氧缺陷可以极大加快电子注入，但是也反过来影响导致电子和空穴的重新复合，降低器件效率。实验上对类似的染料分子观察到两个不同时间尺度，40fs和200fs。通过和第一性原理分子电子动力学模拟结果比较，这两种过程应该分别对应于有氧空位缺陷和完美表面的情形，这很好地解释了实验结果。
他们还对空穴过程和注入后的电子向染料分子基态的反注入过程作了研究。所有的结果都表明电子-空穴在200fs以内的时间尺度上在空间上分离，这保证了染色太阳能器件能够正常工作；但是这个过程可以受到分子种类、大小、吸附构型、和表面缺陷的调控，从而为精确调控微观、超快过程、进一步优化太阳能电池光电转化效率提供了基础。这项研究的主要结果发表在《纳米快报》（Nano Letters 10, 1238 (2010)）上。（来源：中国科学院物理研究所）
光化学效应是指物质的分子吸收了外来光子的能量后激发的化学反应。普通光与生物组织作用时，在一定条件下就可产生光化学效应。例如，视紫红质受光照后发生的漂白过程。人体皮肤中的麦角胆固醇在阳光作用下变成维生素D2，以及在叶绿体存在的条件下，阳光照射可使水和二氧化碳合成碳水化合物和氧气。激光作为一种能量高度集中、单色性极好的光源，它还可以引起一些普通光不起引起的光化学效应。
光化学反应的种类很多，它们的发生机制各不相同，但它们的一个最基本的规律
是，特定的光化学反应要特定波长的光子来引发。一般说来，可以引发生物分子产生光化学反应的是波长700nm以下的可见光和紫外光。在眼科激光治疗中涉及到的光化学效应有光切除和光辐射治疗。
编辑本段光化学反应
重要作用
光化学是研究光与物质相互作用所引起的永久性化学效应的化学分支学科。由于历史的和实验技术方面的原因，光化学所涉及的光的波长范围为100～1000纳米，即由紫外至近红外波段。
比紫外波长更短的电磁辐射，如X或γ射线所引起的光电离和有关化学变化，则属于辐射化学的范畴。至于远红外或波长更长的电磁波，一般认为其光子能量不足以引起光化学过程，因此不属于光化学的研究范畴。近年来观察到有些化学反应可以由高功率的红外激光所引发，但将其归属于红外激光化学的范畴。
光化学过程是地球上最普遍、量重要的过程之一，绿色植物的光合作用，动物的视觉，涂料与高分子材料的光致变性，以及照相、光刻、有机化学反应的光催化等，无不与光化学过程有关。近年来得到广泛重视的同位素与相似元素的光致分离、光控功能体系的合成与应用等，更体现了光化学是一个极活跃的领域。但从理论与实验技术方面来看，在化学各领域中，光化学还很不成熟。
特点
光化学反应与一般热化学反应相比有许多不同之处，主要表现在：加热使分子活化时，体系中分子能量的分布服从玻耳兹曼分布；而分子受到光激活时，原则上可以做到选择性激发，体系中分子能量的分布属于非平衡分布。所以光化学反应的途径与产物往往和基态热化学反应不同，只要光的波长适当，能为物质所吸收，即使在很低的温度下，光化学反应仍然可以进行。
光化学的初级过程是分子吸收光子使电子激发，分子由基态提升到激发态。分子中的电子状态、振动与转动状态都是量子化的，即相邻状态间的能量变化是不连续的。因此分子激发时的初始状态与终止状态不同时，所要求的光子能量也是不同的，而且要求二者的能量值尽可能匹配。
由于分子在一般条件下处于能量较低的稳定状态，称作基态。受到光照射后，如果分子能够吸收电磁辐射，就可以提升到能量较高的状态，称作激发态。如果分子可以吸收不同波长的电磁辐射，就可以达到不同的激发态。按其能量的高低，从基态往上依次称做第一激发态、第二激发态等等；而把高于第一激发态的所有激发态统称为
高激发态。
激发态分子的寿命一般较短，而且激发态越高，其寿命越短，以致于来不及发生化学反应，所以光化学主要与低激发态有关。激发时分子所吸收的电磁辐射能有两条主要的耗散途径：一是和光化学反应的热效应合并；二是通过光物理过程转变成其他形式的能量。
分类
光物理过程可分为辐射弛豫过程和非辐射弛豫过程。辐射弛豫过程是指将全部或部分多余的能量以辐射能的形式耗散掉，分子回到基态的过程，如发射荧光或磷光；非辐射弛豫过程是指多余的能量全部以热的形式耗散掉，分子回到基态的过程。
决定一个光化学反应的真正途径往往需要建立若干个对应于不同机理的假想模型，找出各模型体系与浓度、光强及其他有关参量间的动力学方程，然后考察何者与实验结果的相符合程度最高，以决定哪一个是最可能的反应途径。
光化学研究反应机理的常用实验方法，除示踪原子标记法外，在光化学中最早采用的猝灭法仍是非常有效的一种方法。这种方法是通过被激发分子所发荧光，被其他分子猝灭的动力学测定来研究光化学反应机理的。它可以用来测定分子处于电子激发态时的酸性、分子双聚化的反应速率和能量的长程传递速率。
由于吸收给定波长的光子往往是分子中某个基团的性质，所以光化学提供了使分子中某特定位置发生反应的最佳手段，对于那些热化学反应缺乏选择性或反应物可能被破坏的体系更为可贵。光化学反应的另一特点是用光子为试剂，一旦被反应物吸收后，不会在体系中留下其他新的杂质，因而可以看成是“最纯”的试剂。如果将反应物固定在固体格子中，光化学合成可以在预期的构象(或构型)下发生，这往往是热化学反应难以做到的。
地球与行星的大气现象，如大气构成、极光、辐射屏蔽和气候等，均和大气的化学组成与对它的辐照情况有关。地球的大气在地表上主要由氮气与氧气组成。但高空处大气的原子与分子组成却很不相同，主要和吸收太阳辐射后的光化学反应有关。
大气污染过程包含着极其丰富而复杂的化学过程，目前用来描述这些过程的综合模型包含着许多光化学过程。如棕色二氧化氮在日照下激发成的高能态分子，是氧与碳氢化物链反应的引发剂。又如氟碳化物在高空大气中的光解与臭氧屏蔽层变化的关系等，都是以光化学为基础的。
编辑本段光切除(Photoablation)
紫外波段的激光具有较高的光子能量。但是，如果不加特殊的调控，其能量还不足以使原子中的电子脱离原子核的束缚，成为自由电子。然而，它们可以打断生物大
分子的化学健，从而引发光化学效应。例如，用波长300nm以下，间隔极短(10ns)的
高能量密度紫外激光束照射组织，可使组织表面被一层一层地蚀刻掉，这个过程就称
为光切除。显然，这种切除组织的机制不同于红外波段激光，如Er:YAG、HF和C02等激光，它们都是依靠激光的热效应切除组织的。借助光化学效应切割组织，切口边
缘特别锐利，而且切口周围没有热损伤的痕迹。
能利用光化学效应切除组织的激光主要是准分子激光。这是一类具有高能量光子
的紫外脉冲激光，波长大都在远紫外段。以193nm氩氟(ArF)准分子激光为例，它的
每个光子具有6.4eV的能量，而生物组织中的碳链和肤链的分子键维持能量仅为3.4eV。在这些光子的冲击下，分子内部的化学键被打断，断键剩余的光子能量使靶组织部位
的分子碎片以超音速喷射出来，从而实现切除组织的目的。
编辑本段光辐射治疗(Photoradiation therapy)
这实际上是一种在光敏化剂和氧参与下的、以激光为照射光源的光敏氧化反应。在生物系统中，这种反应常被称做光动力反应。它与使用放射性元素和X射线的放射
治疗在机制和效应上完全不同。为了有别与此，临床上也将它们称为光动力治疗(photodynamic therapy, PDT)。又因它常用血卟啉衍生物(hematoporphrin derivative, HPD)做光敏化剂，用激光做照射光源，所以，又称之为激光-HPD技术。
能作为光敏剂的物质有很多，大部分都是三杂环化合物。它们都有各自的光谱吸
收范围和荧光发射峰值，并对不同的组织和细胞结构有选择性的亲和力。
编辑本段应用
HPD是一种光辐射治疗中常用的敏化剂。在血清中的荧光激发峰值波长在405nm 处，荧光发射波长范围为600nm~700nm，对肿瘤组织的亲和力比正常组织大2倍~10倍。HPD吸收光能后被激发到三重态，然后将能量转移给氧，使之激发为单态氧。单
态氧是瞬时存在的强氧化剂，它对细胞有强烈的氧化破坏作用，从而导致肿瘤细胞失
活坏死。人体静脉注射HPD后48h~72h，它在正常组织中基本排泄干净，但肿瘤组织
内仍有很高浓度的HPD，这时用波长630nm的连续波红染料激光照射瘤体(630nm激
光不仅处在HPD的光谱吸收范围内，而且有较高的组织透射率)可以选择性地破坏瘤
细胞。眼科临床用这项技术治疗脉络膜黑色素瘤和视网膜母细胞瘤获得了一定的疗效。开放分类：
化学化学反应科学自然科学光学能量光，化学类
CsSnI3的晶体结构——新型太阳能电池材料（化学竞赛预测点之一）
(2012-07-24 23:51:44)
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CsSnI3的晶体结构
时至今日，太阳能电池的发展仍存在很多局限性，例如生产成本高、运行效率低以及耐用性问题。此外，很多太阳能电池的原材料都含有毒性，且属于稀缺材料。近日，美国西北大学的研究团队研发出一种新型的太阳能电池，从理论上可以这种新型太阳能电池的研发得益于跨学科协作。纳米技术专家罗伯特?张与化学家科瑞?卡纳茨迪斯作为研究团队的主要成员，共同提出使用一种新材料来解决太阳能电池的局限性。在新型太阳能电池中，薄膜复合材料由铯、锡和碘制成，称
这种材料开始也是一种液体，最后会形成一种固体物质。这种新的全固态太阳能电池本质上更高效，更稳定，使用寿命更长。
科瑞?卡纳茨迪斯说：“我们创造了一种性能强大的新材料，可以使染料敏化太阳能电池效果更好。新的材料呈固态，而不是液态，所以避免了泄漏或腐蚀。”
罗伯特?张表示：“我们的太阳能电池完全采用纳米技术。亿万颗纳米粒子给予了我们巨大的有效表面积，可以为所有的粒子都涂上吸光染料。”
众所周知，太阳能电池发展至今，为了降低高昂的原材料成本，为了让太阳
性的就是格拉兹尔电池。它低廉的成本与环保性能，以及相对较高的转换率，都让这种电池具有光明的发展前景。然而，格拉兹尔电池的缺点也很显著。这种染料敏化电池的电解质使用有机液体制成，会发生泄漏，并会腐蚀太阳能电池本身。
作用中的叶绿素。但是，这种电池的使用寿命通常都不到18个月，这就使其商用价值比较低。
解决了材料和性能上的缺陷。这种新型太阳能电池同时使用n型和p型半导体，并使用单层染料分子连结。每个近似球形的纳米粒子，都是由二氧化钛制成，作为一种n型半导体。而铯锡碘薄膜材料则作为一种新型的可溶P型半导体。
单个太阳能电池的尺寸约10微米厚，把有染料涂层的纳米粒子包进去。铯锡碘薄膜材料开始时呈液态，倒入电池中会在纳米粒子周围流动，经过蒸发，形成固态物质。这种吸光染料中的光子会转换成电能，而吸光染料存在于两个半导体之间。
时，CsSnI3本身也吸收光。这种材料能够吸收更多的光子，吸收更广泛的可见光谱，性能胜过格拉兹尔电池使用的传统染料。
实验显示，这种新型太阳能电池表现出的最高转换效率大约是10.2％。现有的最佳固态燃料电池的转换率只有7％。相比较而言，传统太阳能电池采用高纯度的硅制成，可以转换大约20％的入射光。格拉兹尔电池的最高转换性能大约在11％至12％。但是，综合原料成本、耐用性及环保性能，这种新型太阳能电池的表现已经可以让人眼前一亮了。同时，经过加速试验，这种新型太阳能电池拥有的稳定性更持久，使用寿命相当于25年。良好的成本效益，证明了它在商业上的可行性。
美国丹佛大学有机太阳能电池专家肖恩?夏新认为：“在标准测量条件下，西北大学的太阳能电池效率更接近8％，这对于染料敏化电池技术来说已经是一个重要
的进展了。”斯坦福大学高级光电分子中心主任迈克尔?麦吉也表示：“在染料敏化电池这一领域，西北大学的进展最终将能把高雅的科学奇想转化为实用的发电设备。”
持总体性能的提升态势。罗伯特?张说：“ 我们有望超过格拉兹尔电池的性能。我们的研究开辟了一种新的可能性。这些新材料有可能制造出迄今所见过的最先进、效率最高的太阳能电池。”
研究团队指出，这种轻巧的薄膜结构可兼容自动化生产，这种概念适用于多
基于二氧化钛的染料敏化的太阳能电池的高效率和低成本，使它们对于可再生能源应用来说很有吸引力，但在设备结构中使用有机电解质则使它们易于发生泄漏和腐蚀。Mercouri Kanatzidis及其同事现在发现了一种可在溶液中处理的无机半导体，它由CsSnI3?xFx化合物组成，能代替液体电解质，形成具有较高能量转换效率的全固体太阳能电池，尤其是在光谱的红色区域，其性能超过传统染料敏化的太阳能电池。这些新型化学物由廉价的、地球上含量丰富的元素组成，可在室温下进行处理。通过进一步优化和采用改进的燃料，能量转换效率应能大大提高。
染料敏化太阳能电池
染料敏化太阳能电池 物理科学与技术学院化学物理学交叉培养班张玲玲 2011213434 摘要染料敏化太阳电池主要是模仿光合作用原理，研制出来的一种新型太阳电池，其主要优势是原材料丰富、成本低、工艺技术相对简单，在大面积工业化生产中具有较大的优势，同时所有原材料和生产工艺都是无毒、无污染的，部分材料可以得到充分的回收，对保护人类环境具有重要的意义。本文主要从染料敏化太阳能电池的原理和电解质来进行介绍。 关键词染料敏化太阳能电池原理制备 一、染料敏化太阳能电池的基本结构 染料敏化太阳能电池主要由纳米多孔半导体薄膜、染料敏化剂、氧化还原电解质、电极和导电基底等几部分组成。纳米多孔半导体薄膜通常为金属氧化物（TiO2、SnO2、ZnO等），聚集在有透明导电膜的玻璃板上作为染料敏化太阳能电池的负极。对电极作为还原催化剂，通常在带有透明导电膜的玻璃上镀上铂。敏化染料吸附在纳米多孔二氧化钛膜面上。正负极间填充的是含有氧化还原电对的电解质，最常用的是I3/I-。 图1染料敏化太阳能电池的基本结构 二、染料敏化太阳能电池的工作原理 当太阳光照射在染料敏化太阳能电池上，染料分子中基态电子被激发，激发态染料分子将电子注入到纳米多孔半导体的导带中，注入到导带中的电子迅速富集到导电玻璃面上，传向外电路，并最终回到对电极上。而由于染料的氧化还原
电位高于氧化还原电解质电对的电位，这时处于氧化态的染料分子随即被还原态的电解质还原。然后氧化态的电解质扩散到对电极上得到电子再生，如此循环，即产生电流。电池的最大电压由氧化物半导体的费米能级和氧化还原电解质电对的电位决定。 图2 染料敏化太阳能电池的工作原理示意图 2.1纳米晶多孔薄膜 作为太阳能电池半导体材料，首要条件为光照下性能稳定。考虑到只有禁带宽度Eg ﹥ 3eV 的宽带隙半导体才满足这一条件，因此可以用作DSC 半导体材料的禁带宽度必须大于3eV 。TiO2禁带宽度为3. 2eV ，是性能最优、使用最广泛的DSC 半导体电极材料。所有的太阳能电池都是依靠光电效应将光能转化为电能． 半导体的截止波长由下式计算: g E 1240g =λ 式中: Eg 为半导体禁带宽度，λg 为半导体的截止吸收波长． 则禁带宽度为3eV 半导体材料截止波长为413 nm ，而太阳光主要分布在可见光区域，而可见光光谱范围为390 ～770 nm ，因此基本不能被吸收． 为了使宽带隙半导体材料能够吸收可见光，必须通过某种方法将截止波长红移至红外区． 吸附于半导体表面的染料可以使半导体的吸收边强烈红移。 2.2染料分子
染料敏化太阳能电池
新能源课程 染料敏化太阳能电池（DSSC）装置的制作教学实验报告 电气01 王平09041020 4/22 Monday
《染料敏化太阳能电池（DSSC）装置的制作》教学实验 一、研究背景： 随着工业发展和技术进步，人类对能源的需求与日俱增。因此开发新的绿色能源，减少对环境的冲击影响，是迫切需要研究的课题。绿色能源种类很多，本实验将针对染料敏化太阳能电池（DSSC）进行实验制作，以了解其设计原理及机制。 二、实验目的： 了解染料敏化太阳能电池（DSSC）发电原理，掌握DSSC基本制作方法和的电池性能测定；理解决定DSSC性能的材料方面的影响因素，实验比较不同燃料、不同光线对电池性能的效果。 三、实验技能： 学习研磨制样、材料的选择、万用电表的使用、涂布coating及组装、测试太阳能电池。 四、工作原理： 本实验所制备的染料敏化太阳能电池（DSSC），是一个电化学反应过程装置。由正极、负极、电解质液组成。其中正极为涂布有石墨的导电玻璃；负极为涂布有二氧化钛的导电玻璃；二氧化钛为多孔纳米结构，吸附有染料或光敏剂；电解液为含碘化合物，能够产生I2/I-,被填充在正、负极之间。 DSSC太阳能电池是由一系列电子传递过程完成光能-电能转换的。当光线照在负极侧，染料吸收光能发生电子跃迁，染料被氧化，电子经二氧化钛半导体传导，流动到负极的导电玻璃片进入外电路；电子到达正极后，电解液中的I2/I-氧化还原作用使得染料被还原到原始状态。这样构成电子回路，产生电。 五、实验准备： 1.材料： A．导电玻璃：具有高透过率、导电率，如ITO、FTO B．正极：导电能力强、有一定催化活性，如炭、铂 C．二氧化钛：具有催化能力，高活性、比表面积大、分散均匀
染料敏化太阳能电池学术发展简史
染料敏化太阳能电池学术发展简史 2016-05-07 13:13来源：内江洛伯尔材料科技有限公司作者：研发部 基于钌化合物的染料敏化太阳能电池 1839年，Becquerel发现氧化铜或卤化银涂在金属电极上会产生光电现象，证实了光电转换的可能。 1960年代，H.Gerischer，H.Tributsch，Meier及R.Memming发现染料吸附在半导体上并在一定条件下产生电流的现象，成为光电化学电池的重要基础。 1980年代, 光电转换研究的重点转向人工模拟光合作用，美国州立Arizona大学的Gust和Moore研究小组成功模拟了光合作用中光电子转换过程，并取得了一定的成绩。Fujihia等将有机多元分子用L B 膜组装成光电二极管，开拓了这方面的工作。 1970年代到90年代，R.Memming，H.Gerischer，Hauffe，H.Tributsh等人大量研究了各种染料敏化剂与半导体纳米晶间光敏化作用，研究主要集中在平板电极上，这类电极只有表面吸附单层染料，光电转换效率小于1%。 1991年，Graetzel M.于《Nature》上发表了关于染料敏化纳米晶体太阳能电池的文章以较低的成本得到了>7%的光电转化效率，开辟了太阳能电池发展史上一个崭新的时代,为利用太阳能提供了一条新的途径。 1993年,Graetzel M.等人再次研制出光电转换效率达10 %的染料敏化太阳能电池, 已接近传统的硅光伏电池的水平。 1997年，该电池的光电转换效率达到了10%－11%，短路电流达到18mA/cm2,开路电压达到720mV。 1998年，采用固体有机空穴传输材料替代液体电解质的全固态Gr?tzel电池研制成功，其单色光电转换效率达到33%，从而引起了全世界的关注。 2000年，东芝公司研究人员开发含碘/碘化物的有机融盐凝胶电解质的准固态染料敏化纳米晶太阳能电池，其光电能量转换率7.3 % 。 2001年, 澳大利亚STA 公司建立了世界上第一个中试规模的DSC 工厂。 2002 年, STA建立了迄今为止独一无二的面积为200m2 DSC 显示屋顶,集中体现了未来工业化的前景；PengWang等人用含 1-methyl-3-propylimidazoliumiodide 和poly(viylidenefloride
染料敏化太阳能电池关键材料的制备与表征
实验一 染料敏化太阳能电池关键材料的制备与表征 在众多新能源中，太阳能因具有清洁、环保、无污染、取之不尽、用之不竭等诸多优点，被认为是未来最有希望的新能源之一。太阳能电池是通过光电效应或光化学效应直接把光能转化成电能的装置。太阳能电池产业，已成为世界主要国家抢占新一轮经济和科技发展制高点的重大战略之一。 在众多太阳能电池中，硅基太阳能电池技术最为成熟，但制作工艺复杂、价格昂贵、设备要求较高而不适合开展大学生实验。纳米二氧化钛（TiO 2）晶体太阳能电池是最近发展起来的一种新型太阳能电池，其优点在于其低廉的成本、简单的工艺以及相对稳定的性能。其光电效率稳定在10%以上，而制作成本仅为硅太阳能电池的1/5～1/10，寿命却能达到20年以上。但是TiO 2的禁带宽度为3.2eV ，只能吸收波长小于375nm 的紫外光。为了使其吸收红移至可见光区，增大对全光谱范围的响应，1991年，瑞士洛桑高等工业学院（EPFL ）的Gratzel 研究小组开发了染料敏化太阳能电池（Dye Sensitized Solar Cell ，简称DSSC ），它由 吸附了染料光敏化剂（过渡金属钌的有 机化合物）的纳米TiO 2多孔薄膜制成， 其光电转换效率可达7.1%。1993年，他 将光电转换效率提高到了10%，1998年， 该研究组进一步研制出全固态DSSC ， 使用固体有机空穴传输代替液体电解质， 单色光光电转化效率达到33%，引起了全世界的科学家对DSSC 的关注。近年来，染料敏化太阳能电池的研究主要集中在阳极材料的改性、染料的改进、电解质的研究、以及阴极对DSSC 的影响等方面。 “染料敏化太阳能电池的制备、组装及测试”实验涵盖材料制备实验（水热反应制备TiO 2纳米颗粒、热解法制备Pt 催化剂、丝网印刷技术制备光阳极薄膜、玻璃工操作、材料热处理等）、仪器分析实验（台阶仪测量薄膜厚度、X 射线衍射仪表征材料的结构与成分、扫描电子显微镜观测形貌、紫外-可见吸收光谱测试光谱吸收效果）等多种实验方法。由于实验步骤繁多、周期较长，因此根据其 图1 Gratzel 研究小组开发的 DSSC
染料敏化太阳能电池的结构与工作原理
染料敏化太阳能电池的结构与工作原理 染料敏化太阳能电池主要由表面吸附了染料敏化剂的半导体电极、电解质、Pt 对电极组成，其 结构如图1-1。 图1-1 染料敏化太阳能电池结构图 当有入射光时，染料敏化剂首先被激发，处于激发态的染料敏化剂将电子注入半导体的导带。氧化态的染料敏化剂被中继电解质所还原，中继分子扩散至对电极充电。这样，开路时两极产生光 电势，经负载闭路则在外电路产生相应的光电流（图1-2）。 图1-2 染料敏化太阳能电池工作原理图 通过超快光谱实验可得出染料敏化太阳能电池各个反应步骤速率常数的数量级[12]： ①染料(S)受光激发由基态跃迁到激发态（S*）： S + hυ→S* ②激发态染料分子将电子注入到半导体的导带中： S* →S+ + e-(CB)，k inj = 1010~1012s-1 ③I-离子还原氧化态染料可以使染料再生： 3I- + 2S+ →I3 - + 2S，k3 = 108s-1 ④导带中的电子与氧化态染料之间的复合：
S+ + e-(CB) →S，k b = 106s-1 ⑤导带中的电子在纳米晶网络中传输到后接触面(back contact ，BC)后而流入到外电 路中： e-(CB) →e-(BC)，k5 = 103~100s-1 ⑥纳米晶膜中传输的电子与进入TiO2 膜的孔中的I3 -离子复合： I3 - + 2e-(CB) →3I-，J0 = 10-11~10-9A cm-2 ⑦I3 -离子扩散到对电极上得到电子使I-离子再生： I3 - + 2e-(CE) →3I-，J0 = 10-2~10-1A cm-2 激发态的寿命越长，越有利于电子的注入，而激发态的寿命越短，激发态分子有可能来不及将 电子注入到半导体的导带中就已经通过非辐射衰减而返回到基态。②、④两步为决定电子注入效率 的关键步骤。电子注入速率常数（k inj）与逆反应速率常数（k b）之比越大（一般大于三个数量级）， 电子复合的机会越小，电子注入的效率就越高。I-离子还原氧化态染料可以使染料再生，从而使染料 不断地将电子注入到二氧化钛的导带中。步骤⑥是造成电流损失的一个主要原因，因此电子在纳米 晶网络中的传输速度(k5)越大，电子与I3 -离子复合的交换电流密度(J0)越小，电流损失就越小。步骤 ③生成的I3 -离子扩散到对电极上得到电子变成离子I-(步骤⑦)，从而使I-离子再生并完成电流循环。 DSC的结构组成：主要由纳米多孔半导体薄膜、染料敏化剂、氧化还原电解质、对电极和导电基底等几部分组成。纳米多孔半导体薄膜通常为金属氧化物（TiO2、SnO2、ZnO等），聚集在有透明导电膜的玻璃板上作为DSC的负极。对电极作为还原催化剂，通常在带有透明导电膜的玻璃上镀上铂。敏化染料吸附在纳米多孔二氧化钛膜面上。正负极间填充的是含有氧化还原电对的电解质，最常用的是I3/I-。 DSC工作原理如下图所示： ⑴染料分子受太阳光照射后由基态跃迁至激发态； ⑵处于激发态的染料分子将电子注入到半导体的导带中； ⑶电子扩散至导电基底，后流入外电路中； ⑷处于氧化态的染料被还原态的电解质还原再生； ⑸氧化态的电解质在对电极接受电子后被还原，从而完成一个循环； ⑹和⑺分别为注入到TiO2 导带中的电子和氧化态染料间的复合及导带上的电子和氧化态的电解质间的复合
染料敏化太阳电池
染料敏化太阳电池主要是模仿光合作用原理，研制出来的一种新型太阳电池，其主要优势是：原材料丰富、成本低、工艺技术相对简单，在大面积工业化生产中具有较大的优势，同时所有原材料和生产工艺都是无毒、无污染的，部分材料可以得到充分的回收，对保护人类环境具有重要的意义。自从1991年瑞士洛桑高工（EPFL）M. Grtzel教授领导的研究小组在该技术上去的突破以来，欧、美、日等发达国家投 染料敏化太阳能电池的研究历史可以追溯到19世纪早期的照相术。1837年，Daguerre制出了世界上第一张照片。两年后，Fox Talbot将卤化银用于照片制作，但是由于卤化银的禁带宽度较大，无法响应长波可见光，所以相片质量并没有得到很大的提高。1883年，德国光电化学专家Vogel 发现有机染料能使卤化银乳状液对更长的波长敏感，这是对染料敏化效应的最早报导。使用有机染料分子可以扩展卤化银照相软片对可见光的响应范围到红光甚至红外波段，这使得“全色”宽谱黑白胶片乃至现在的彩色胶片成为可能。1887年，Moser将这种染料敏化效应用到卤化银电极上，从而将染料敏化的概念从照相术领域延伸到光电化学领域。1964年，Namba 和Hishiki发现同一种染料对照相术和光电化学都很有效。这是染料敏化领域的重要事件，只是当时不能确定其机理，即不确定敏化到底是通过电子的转移还是通过能量的转移来实现的。直到20世纪60年代，德国的Tributsch发现了染料吸附在半导体上并在一定条件下产生电流的机理，才使人们认识到光照下电子从染料的基态跃迁到激发态后继而注入半导体的导带的光电子转移是造成上述现象的根本原因。这为光电化学电池的研究奠定了基础。但是由于当时的光电化学电池采用的是致密半导体膜，染料只能在膜的表面单层吸附，而单层染料只能吸收很少的太阳光，多层染料又阻碍了电子的传输，因此光电转换效率很低，达不到应用水平。后来人们制备了分散的颗粒或表面积很大的电极来增加染料的吸附量，但一直没有取得非常理想的效果。1988年，Grätzel小组用基于Ru的染料敏化粗糙因子为200的多晶二氧化钛薄膜，用Br2/Br-氧化还原电对制备了太阳能电池，在单色光下取得了12 %的转化效率，这在当时是最好的结果了。直到1991年，Grätzel在O’Regan的启发下，应用了O’Regan制备的比表面积很大的纳米TiO2颗粒，使电池的效率一举达到7.1 %，取得了染料敏化太阳能电池领域的重大突破。应当说，纳米技术促进了染料敏化 结构组成 主要由纳米多孔半导体薄膜、染料敏化剂、氧化还原电解质、对电极和导电基底等几部分组成。纳米多孔半导体薄膜通常为金属氧化物（TiO2、SnO2、ZnO等），聚集在有透明导电膜的玻璃板上作为DSC的负极。对电极作为还原催化剂，通常在带有透明导电膜的玻璃上镀上铂。敏化染料吸附在纳米多孔二氧化钛膜面上。正负极间
染料敏化太阳能电池-化学与物理电源基础实验讲义1
天然染料敏化TiO2太阳能电池的制备及光电性能测试 太阳能电池是通过光电效应或者光化学效应直接把光能转化成电能的装置。纳米TiO2晶体化学能太阳能电池是最近发展起来的，优点在于其廉价的成本和简单的工艺及稳定的性能。其光电效率稳定在10%以上，制作成本仅为硅太阳电池的1/5～1/10．寿命能达到20年以上。但是TiO2的禁带宽度为3.2eV，只能吸收波长小于375nm的紫外光，为了使其吸收红移至可见光区，增大对全光谱范围的响应，1991年，瑞士洛桑高等工业学院(EPFL) Gratzel研究小组开发了染料敏化太阳能电池(Dye Sensitized Solar Cell，简称DSSC)，它是由吸附染料光敏化剂（过渡金属钌的有机化合物染料）的纳米二氧化钛(TiO2)多孔薄膜制成的新型光化学电池。其光电转换效率达7.1%。1993年，他再次报道了光电转换效率达10%的TiO2染料电池，1998年，该研究组进一步研制出全固态DSSC，使用固体有机空穴传输代替液体电解质，单色光光电转化效率达到33%，从而引起了全世界的科学家对染料敏化太阳能电池的关注。近年来，染料敏化太阳能电池的研究主要集中在阳极材料的改性、染料的改进、电解质的研究、以及阴极对染料敏化太阳能电池的影响等。本实验主要研究不同的染料敏化剂和不同的敏化方法对TiO2太阳能电池光电转换效应的影响。 【实验目的】 (1)了解染料敏化纳米TiO2太阳能电池的工作原理及性能特点。 (2)掌握合成纳米TiO2溶胶的方法、染料敏化太阳能电池光阳极的制备方法以及电池的组装方法。 (3)掌握评价染料敏化太阳能电池性能的方法。 【实验原理】 一、DSSC结构和工作原理 DSSC结构：染料敏化太阳能电池的结构是一种“三明治”结构, 如图1所示，主要由以下几个部分组成: 导电玻璃、染料光敏化剂、多孔结构的TiO2半导体纳米晶薄膜、电解质和铂电极。其中吸附了染料的半导体纳米晶薄膜称为光阳极，铂电极叫做对电极或光阴极。 DSSC电池的工作原理：电池中的TiO2禁带宽度为3.2 eV，只能吸收紫外区域的太阳光，可见光不能将它激发，于是在TiO2膜表面覆盖一层染料光敏剂来吸收更宽的可见光，当太阳光照射在染料上，染料分子中的电子受激发跃迁至激发态，由于激发态不稳定，并且染料与TiO2薄膜接触，电子于是注入到TiO2导带中，此时染料分子自身变为氧化态。注入到TiO2导带中的电子进入导带底，最终通过外电路流向对电极，形成光电流。处于氧化态的染料分子在阳极被电解质溶液中的I-还原为基态，电解质中的I3-被从阴极进入的电子还原成I-，这样就完成一个光电化学反应循环。但是反应过程中，若电解质溶液中的I-在光阳极上被TiO2导带中的电子还原，则外电路中的电子将减少，这就是类似硅电池中的“暗电流”。整个反应过程可用如下表示: (l) 染料D受激发由基态跃迁到激发态D*： D + hv→ D* (2) 激发态染料分子将电子注入到半导体导带中：D*→ D+ + e- (3) I-还原氧化态染料分子：3I- + 2D+→ I3- + 2D (4) I3-扩散到对电极上得到电子使I-再生：I3- +2e- → 3I- (5) 氧化态染料与导带中的电子复合：D+ + e- → D (6) 半导体多孔膜中的电子与进入多孔膜中I3-复合：I3- +2e-→ 3I- 其中，反应(5)的反应速率越小，电子复合的机会越小，电子注入的效率就越高；反应(6)是造成电流损失的主要原因。 光阳极 目前，DSSC常用的光阳极是纳米TiO2。TiO2是一种价格便宜，应用广泛，无污染，稳定且抗腐蚀性能良好的半导体材料。TiO2有锐钛矿型(Anatase)和金红石型(Rutile)两种不同晶型，其中锐钛矿型的TiO2带隙(3.2eV)略大于金红石型的能带隙(3.l eV)，且比表面积略大于金红石，对染料的吸附能力较好，因而光
染料敏化太阳能电池
染料敏化太阳能电池 摘要：与硅基太阳能电池相比，染料敏化太阳能电池（DSSC）具有成本低、制备工艺简单、理论光电转化效率高、制备过程无毒无污染等优点，因而迅速成为该领域的研究热点，目前染料敏化太阳能电池的最高转化效率已达到12%以上，被认为是实现下一代光伏器件大规模利用的主要候选者，是极具研发潜力的太阳能电池之一。 关键词：太阳能电池，染料敏化，光阳极 前言 染料敏化太阳能电池被人们称为神奇的人造树叶，因此以天然植物色素作为光敏剂的太阳能电池一直都被各国所关注。染料敏化太阳能电池是1991年由瑞士科学家O’Regan与Gr?ztel首先发明的，并发表在Nature上，其报道了光电转化效率达7.1%的染料敏化太阳能电池。染料敏化太阳能电池具有原材料丰富、成本低、制作工艺简单及生产过程都是无毒无害等优点，成为最有发展前景的太阳能电池之一。染料敏化剂是染料敏化太阳能电池的重要组成部分，它通过吸收太阳光将基态的电子激发到激发态中产生光电子，然后再注入半导体的导带上。因此，染料敏化剂的好坏对染料敏化太阳能电池的光电性能起着决定性的作用。目前，已开发的染料敏化剂主要有金属配合物染料和纯有机染料。染料敏化太阳能电池是仿照光合作用原理研制出来的，因此天然染料作为纯有机染料的一部分，从染料敏化太阳能电池研究初期就引起各国专家的注意。1997年，Gr?ztel从黑莓中提取天然染料作为敏化剂敏化太阳能电池，得到的光电转化效率为0.56%。为了提高天然染料敏化太阳能电池的光电转化效率，研究者们在天然染料分子的基础上进行了改性，经过不断努力，Hara等合成了光电转化效率7.6%由香豆素衍生染料敏化太阳能电池，使天然染料敏化太阳能电池的光电性能得到了很大提高，更增加了人们研究天然染料的信心。天然染料原材料丰富分布广泛种类繁多，可以直接从天然的植物中提取，制备过程简单无污染，大大降低了染料敏化太阳能电池的生产成本[1]。 一、染料敏化太阳能电池（DSSC）的结构与原理 DSSC的基本结构如图1所示，主要包括：TCO透明导电玻璃（光阳极）、TiO2纳米晶粒薄膜、光敏染料、电解液以及对电极。当太阳光照射在染料敏化太阳能电池上，染料分子中基态电子被激发，激发态染料分子将电子注入到纳米多孔半导体的导带中，注入到导带中的电子迅速富集到导电玻璃面上，传向外电路，并最终回到对电极上。而由于染料的氧化还原电位高于氧化还原电解质电对的电
染料敏化太阳能电池实验报告(共9篇)
染料敏化太阳能电池实验报告(共9篇) 染料敏化太阳能电池实验 天然染料敏化TiO2太阳能电池的制备及光电性能测试姓名：蓝永琛班级：新能源材料与器件学号：20112500041 一、实验目的 1. 了解染料敏化纳米TiO2太阳能电池的工作原理及性能特点。 2. 掌握合成纳米TiO2溶胶的方法、染料敏化太阳能电池光阳极的制备方法 以及电池的组装方法。 3. 掌握评价染料敏化太阳能电池性能的方法。 二、实验原理 略 三、仪器与试剂 一、仪器设备 可控强度调光仪、紫外-可见分光光度计、超声波清洗器、恒温水浴槽、多功能万用表、电动搅拌器、马弗炉、红外线灯、研钵、三室电解池、铂片电极、饱和甘汞电极、石英比色皿、导电玻璃、镀铂导电玻璃、锡纸、生料带、三口烧瓶（500mL）、分液漏斗、布氏漏斗、抽虑瓶、容量瓶、烧杯、镊子等。 二、试剂材料 钛酸四丁酯、异丙醇、硝酸、无水乙醇、乙二醇、乙腈、碘、碘化钾、TBP、丙酮、石油醚、绿色叶片、红色花瓣、去离子水
四、实验步骤 一、TiO2溶胶制备 目前合成纳米TiO2的方法有多种，如溶胶-凝胶法、水热法、沉淀法、电化 学沉积法等。本实验采用溶胶-凝胶法。 （1）在500mL的三口烧瓶中加入1：100（体积比）的硝酸溶液约100mL，将三口烧瓶置于60-70oC的恒温水浴中恒温。 （2）在无水环境中，将5mL钛酸丁酯加入含有2mL异丙醇的分液漏斗中，将混合液充分震荡后缓慢滴入（约1滴/秒）上述三口烧瓶中的硝酸溶液中，并不断搅拌，直至获得透明的TiO2溶胶。 二、TiO2电极制备 取4片ITO导电玻璃经无水乙醇、去离子水冲洗、干燥，分别将其插入溶胶中浸泡提拉数次，直至形成均匀液膜。取出平置、自然晾干，再红外灯下烘干。最后在450oC下于马弗炉中煅烧30min 得到锐态矿型TiO2修饰电极。可用XRD粉 末衍射仪测定TiO2晶型结构。 三、染料敏化剂的制备和表征 (1) 叶绿素的提取 采集新鲜绿色幼叶，洗净晾干，去主脉，称取5g剪碎放入研钵，加入少量石油醚充分研磨，然后转入烧杯，再加入约20mL石油醚，超声提取15min后过滤，弃去滤液。将滤渣自然风干后转入研钵中，再以同样的方法用20mL丙酮提取，过滤后收集滤液，即得到
染料敏化太阳电池光电能量转换效率的测定实验报告
染料敏化太阳电池光电能量转换效率的测定 一、实验目的 1.了解染料敏化太阳电池的基本工作原理，学习CHI630电化学工作 站的基本功能和调谐方法(或恒电位仪测量光电流的方法)； 2.了解染料敏化太阳电池的基本结构，测定方法； 3.掌握利用I-V曲线计算染料敏化太阳电池的能量转换效率 二、实验原理 太阳能的利用是一个永恒的课题。染料敏化纳米晶光电化学电 池以其低成本和高效率而成为硅太阳能电池的有力竞争者。 染料敏化太阳电池是由透明导电玻璃、TiO2多孔纳米膜、电解质 溶液以及镀铂镜对电极构成的“三明治”式结构。 图1 染料敏化太阳电池的结构示意图 与p-n结固态太阳能电池不同的是，在染料敏化太阳电池中光 的吸收和光生电荷的分离是分开的。图2是染料敏化太阳电池的能 级分布和工作原理图。
图2 染料敏化纳米晶太阳能电池的工作原理Ecb半导体的导带边;Evb半导体的价带边; D’,D’’ 是氧化还原电解质。对电极表面镀一层金属铂分别是染料的基态和激发态; I-,I- 3 上图表示在光照射太阳电池后,电池内的电子直接转移过程。(1)染料分子的激发。(2)染料分子中激发态的电子注入到TiO2的导带,CB和VB 分别表示TiO2的导带底和价带顶。从图中可以看出染料分子的能带最好与TiO2的能带重叠,这有利于电的注入。(3)染料分子通过接受来自电子 供体- I的电子,得以再生。(4)注入到TiO2导带中的电子与氧化态染料之3 间的复合,此过程会减少流入到外电路中电子的数量,降低电池的光电流。(5)注入到TiO2导带中的电子通过TiO2网格,传输TiO2膜与导电玻璃 的接触面后流入到外电路,产生光电流。(6)在TiO2中传输的电子与- I间 3 的复合反应。(7) - I离子扩散到对电极被还原再生,完成外电路中电流循 3 环。 太阳能电池的性能测试系统主要分为五部分，分别为光源，透镜，电池器件，电化学工作站(恒电位仪)，计算机，通过对太阳能电池光照下的电流/电压曲线的分析，来测试染料敏化TiO2纳米晶光电化学电池的
柔性染料敏化太阳能电池
· 25 ·第38卷第1期 柔性染料敏化太阳能电池材料制备工艺参数的优化 赵晓冲1，杨盼2，林红1，李鑫1，许晨阳2，李建保1 (1. 清华大学材料科学与工程系，新型陶瓷与精细工艺国家重点实验室，北京 100084；2. 中国矿业 大学(北京)材料科学与工程系，北京 100083) 摘要：采用水热法制备TiO2纳米浆，与P25粒子和TiO2散射大粒子混合制成级配浆料。将所得的浆料涂敷在铟掺杂氧化锡–聚苯二甲酸乙二醇酯导电聚合物基板上，并在120～150℃进行热处理制成光阳极薄膜。利用溅射法制备Pt对电极，将其组装成柔性的染料敏化太阳能电池(dye-sensitized solar cell，DSC)。研究了对电极溅射时间、TiO2薄膜热处理温度、膜厚以及级配浆料中的酸添加量对电池光电性能的影响。结果表明：当对电极Pt 溅射时间为30s，TiO2薄膜热处理温度为150℃，膜厚为10.5μm，浆料添加0.05 mol/L HNO3时，柔性DSC的光电性能最好，光电转换效率可达4.05%。 关键词：染料敏化太阳能电池；柔性；二氧化钛薄膜；铂对电极 中图分类号：O484 文献标志码：A 文章编号：0454–5648(2010)01–0025–04 OPTIMIZATION OF FABRICATION PARAMETERS OF FLEXIBLE DYE-SENSITIZED SOLAR CELLS ZHAO Xiaochong1，YANG Pan2，LIN Hong1，LI Xin1，XU Chenyang2，LI Jianbao (1. State Key Laboratary of New Ceramics and Fine Processing, Department of Material Science and Engineering, Tsinghua University, Beijing 100084; 2. Department of Material Science and Engineering, China University of Mining and Technology, Beijing 100083, China) Abstract: A binder-free paste with a graded structure, which was composed of titania (TiO2) nano-particles synthesized by hydro-thermal method, titania particles named P25 and scattering large particles, was prepared. The TiO2 photoanode film was prepared on a conductive indium-tin oxide -coated polyethylene naphthalate plastic sheet in a temperature range of 120–150℃ by a doctor-blade method. The Pt counter electrode was prepared by an ion sputtering method. The effects of sputtering time of Pt counter electrode, heat-treatment temperature, thickness of TiO2 film and the acid content of the paste on the photovoltaic performance of the flexible dye-sensitized solar cell (DSC) fabricated from the above materials were discussed. The results show that the flexible DSC has the highest light-to-energy conversion efficiency of 4.05% when the Pt sputtering time is 30 s, the acid content is 0.05 mol/L, the heat-treatment temperature is 150℃and the film thickness is 10.5μm. Key words: dye-sensitized solar cells; flexible; TiO2 film; Pt counter electrode 自从Graetzel等[1]提出以染料敏化二氧化钛纳米薄膜作光阳极的光伏电池以来，染料敏化太阳能电池(dye-sensitized solar cell，DSC)以其低成本、无污染、工艺简单等优点被认为是未来光伏发电最有前景的发展方向之一。[2]具有可折叠性、便携性等优点的柔性DSC进一步拓宽了电池的应用范围，有较高的研究价值。 Zhang 等[3]通过优化柔性DSC的前驱体材料和辐射工艺，取得 3.27%的光电转换效率。Miyasaka 等[4]调整了薄膜制备工艺，采用刮涂法进行薄膜的低温制备获得了5.8%的光电转换效率。新工艺的不断研发为柔性DSC在工业生活中的应用提供了广阔前景。近期莫纳什大学[5]的研究人员研发出一款适于大规模生产的超薄柔性太阳能电池。 收稿日期：2009–08–06。修改稿收到日期：2009–10–09。基金项目：国家自然科学基金(50672041)；国家“863”计划(2006AA03Z218) 资助项目。 第一作者：赵晓冲(1985—)，男，博士研究生。 通讯作者：林红(1964—)，女，博士，副教授。Received date:2009–08–06. Approved date: 2009–10–09. First author: ZHAO Xiaochong (1985–), male, postgraduate student for doctor degree. E-mail: zxc08@https://www.wendangku.net/doc/3f11769128.html, Correspondent author: LIN Hong (1964–), female, Ph.D., associate pro- fessor. E-mail: hong-lin@https://www.wendangku.net/doc/3f11769128.html, 第38卷第1期2010年1月 硅酸盐学报 JOURNAL OF THE CHINESE CERAMIC SOCIETY Vol. 38，No. 1 January，2010
染料敏化太阳能电池前景
染料敏化太阳能电池(DSSCs)未来应用前景广阔 太阳能是新能源开发利用最活跃的领域。目前市场上的太阳能电池主要是单晶硅和多晶硅两种。但这两种太阳能电池最大的问题在于工艺条件苛刻，制造成本过高，不利于广泛应用。而上世纪90年代出现的纳米TiO2有机半导体复合太阳能电池和有机/聚合物太阳能电池，工艺条件简单，成本较低，有可能成为21世纪太阳能电池的新贵。 染料敏化太阳能电池极有可能取代传统硅系太阳能电池，成为未来太阳能电池的主导能源是世界经济发展的首要问题，当前，许多国家都把发展新能源作为应对金融危机、加快经济复苏的重要举措。我国改善能源结构也必须积极发展可再生能源和新能源，不断提高清洁能源在能源结构中的比重。 作为一种“取之不尽、用之不竭”的洁净的天然能源，太阳能成为最有希望的能源之一。目前研究和应用最广泛的太阳能电池主要是硅系太阳能电池，但硅系电池原料成本高、生产工艺复杂、效率提高潜力有限，其光电转换效率的理论极限值为30%，因此其民用化受到技术性限制，急需开发低成本的太阳能电池。 人工制造的“树叶” 染料敏化太阳能电池价格相对低廉，制作工艺简单，拥有潜在的高光电转换效率，所以极有可能取代传统硅系太阳能电池，成为未来太阳能电池的主导。 上个世纪90年代初，染料敏化纳米晶太阳能电池DSSCs（Namo-Crystallion Dye-Sensitized Solar Cells）初露峥嵘，其光电转换效率达7.1%—7.9%，开创了太阳能电池研究和发展的全新领域。随后Gatzel和同伴开发出了光电能量转换效率达10%—11%的DSSCs。目前，在标准条件下，染料敏化太阳能电池的能量转化效率已达到11. 2%，如果你知道树叶的结构，你会很好地理解DSSCs。从结构上来看，DSSCs就像人工制作的树叶，只是植物中的叶绿素被敏化剂所代替，而纳米多孔半导体膜结构则取代了树叶中的磷酸类酯膜。 染料敏化纳米晶太阳能电池，主要由制备在导电玻璃或透明导电聚酯片上的纳米晶半导体薄膜、敏化剂分子、电解质和对电极组成，其中制备在导电玻璃或透明导电聚酯片上的纳米晶半导体薄膜构成光阳极。 完全不同于传统硅系结太阳能电池的装置，染料敏化太阳能电池的光吸收和电荷分离传输分别是由不同的物质完成的，光吸收是靠吸附在纳米半导体表面的染料来完成，半导体仅起电荷分离和传输载体的作用，它的载流子不是由半导体产生而是由染料产生的。 阳光驱动的“电子泵” 如果简单地概括一下原理，DSSCs就像是由灿烂阳光驱动的分子电子泵。靠阳光的照耀，源源不断地对外供电。 要说最具代表性的染料敏化太阳能电池，还得是Gatzel电池。照原理图（左图）上看，由于TiO2不能被可见光激发，因而要在TiO2表面吸附一层对可见光吸收特性良好的敏化剂。 在可见光作用下，敏化剂分子通过吸收光能跃迁到激发态，由于激发态的不稳定性，敏化剂分子与TiO2表面发生相互作用，电子很快跃迁到较低能级TiO2的导带，进入TiO2 导带的电子将最终进入导电膜，然后通过外回路，产生光电流。同时，处于氧化态的染料分
染料敏化太阳能电池解读
在为期三个星期的实习期间，我针对本人的毕业设计题目——染料敏化太阳能电池进行大量的资料查询，包括论文研究的目的与意义、传统太阳能电池与染料敏化太阳能电池的异同、燃料敏化太阳能电池的国内外现状和发展前景等。在这三个星期的实习期中，不仅使我对世界能源的状况有了更深一步的了解，加深了我的能源节约意识，而且对于染料敏化太阳能电池的制作过程有了详细的了解与认识，更是学习到研究者的严谨的逻辑思维，这对于我以后的学习和工作会有极大的帮助。 一论文研究目的与意义 人类迄今已有400万年的历史，在这期间，人类从学会使用火开始，经过石器、铁器时代，直到近代工业化革命，各种技术发明使人类文明到达了一个前所未有的高度。同时，人类消耗的能源也日益增长，其中煤、石油等是今天主要的能源来源。今天，能源更是人类社会赖以生存和发展的物质基础，在国民经济中具有特别重要的战略地位。能源相当于城市的血液，它驱动着城市的运转。现代化程度越高的城市对能源的依赖越强，因为能源在维系以下重要功能：照明、交通、餐饮、供暖、降温、自动化管理系统。能源必然已经成为人类生存与发展的不可或缺的一部分。然而随着世界经济持续、高速地发展，能源短缺、环境污染、生态恶化等问题逐渐加深，能源供需矛盾日益突出。当前世界能源消费以化石资源为主，其中中国等少数国家是以煤炭为主，其它国家大部分则是以石油与天然气为主。根据专家预测，按目前的消耗量，石油、天然气最多只能维持不到半个世纪，煤炭也只能维持一二百年。所以不管是哪一种常规能源结构，人类面临的能源危机都日趋严重。与此同时，大规模使用化石燃料至今，环境污染已经到了地球难以承受的程度。工业革命以来，煤炭、石油、天然气、水电、核能与可再生能源等相继大规模地进入了人类活动领域。能源结构的演变推动并反映了世界经济发展和社会进步，同时也极大地影响了全球二氧化碳排放量和全球气
染料敏化太阳能电池原理
染料敏化纳米晶TiO2太阳能电池的电池结构和工作机理 DSSC由镀有透明导电膜的导电基片、多孔纳米晶半导体薄膜、染料光敏化剂电解质溶液及透明对电极等几部分构成（图1-1），其工作原理如图1-2所示，其中，E cb为半导体的导带边，E vb半导体的价带边，S*、S0和S 分别为染料的激发态、基态和氧化态；Red和Ox为电解质中的氧化还原电对。 Fig. 1-1 Structure representation of nanocrystalline TiO2 dye-sensitized solar cell D、D*分别是染料的基态和激发态，I-/I3-为氧化还原电解质。 图1-1 染料敏化纳米晶TiO2太阳能电池的结构示意图
D、D*分别是染料的基态和激发态，I-/I3-为氧化还原电解质。 Fig. 1-2 Working principle of nanocrystalline TiO2 dye-sensitized solar cell 图1-2 染料敏化纳米晶TiO2太阳能电池的工作原理[3] 1）当能量低于半导体的禁带宽度且大于染料分子特征吸收波长的入射光（hν）照射到电极上时，吸附在电极表面的基态染料分子（D）中的电子受激跃迁至激发态。 D + hν→D* （染料激发）（1-1） 2）激发态染料分子(D*)将电子注入到半导体导带中，此时染料分子自身转变氧化态。D* →D+ + e- →E cb（1-2） 3）处于氧化态的染料分子（D+）则通过电解质（I-/I3-）溶液中的电子给体（I-），自身恢复为还原态，使染料分子得到再生。 3I- + 2D+ → 2D + I3-（染料还原）（1-3） 4）注入到半导体导带中的电子与氧化态的染料发生复合反应： D+ + e- →D（电子复合）（1-4） 5）注入半导体导带的电子被收集到导电基片，并通过外电路流向对电极，形成电流。 6）注入到半导体导带中的电子与电解液中的I3-发生复合反应： I3- + 2e- →3I-（暗电流）（1-5） 7）电解质溶液中的电子供体I-提供电子后成为I3-，扩散到对电极，在电极表面得到电子被还原： I3- + 2e- →3I-（电解质被还原）（1-6）
染料敏化太阳能电池的介绍
染料敏化太阳能电池的介绍 电气与电子工程学院信息1301班1131200116 马文栋 十六周的新能源课程让我对新兴能源有了一定的了解，现在让我来介绍一下染料敏华电池。染料敏化太阳电池主要是模仿光合作用原理，研制出来的一种新型太阳电池。它是继多晶硅及薄膜太阳能电池之后，第三代太阳能电池产品——染料敏化太阳能电池产业化开发取得突破。染料敏化太阳能电池是以低成本的纳米二氧化钛和光敏染料为主要原料，模拟自然界中植物利用太阳能进行光合作用，将太阳能转化为电能。与传统太阳能电池相比，它的最大优势在于其制作工艺简单、不需昂贵的设备和高洁净度的厂房设施，制作成本仅为硅太阳能电池的1/10~1/5。该电池使用的纳米二氧化钛、N3染料、电解质等材料价格便宜且环保无污染，同时它对光线的要求相对不那么严格，即使在比较弱的光线照射下也能工作。 敏化染料太阳能电池主要优势是：原材料丰富、成本低、工艺技术相对简单，在大面积工业化生产中具有较大的优势，同时所有原材料和生产工艺都是无毒、无污染的，部分材料可以得到充分的回收，对保护人类环境具有重要的意义。自从1991年瑞士洛桑高工领导的研究小组在该技术上取得突破以来，欧、美、日等发达国家投入大量资金研发。 敏化染料太阳能电池简称DSC, 主要由纳米多孔半导体薄膜、染料敏化剂、氧化还原电解质、对电极和导电基底等几部分组成。纳米多孔半导体薄膜通常为金属氧化物(TiO2、SnO2、等)，聚集在有透明导电膜的玻璃板上作为DSC的负极。对电极作为还原催化剂，通常在带有透明导电膜的玻璃上镀上铂。敏化染料吸附在纳米多孔二氧化钛膜面上。正负极间填充的是含有氧化还原电对的电解质，最常用的是I3-/I-。 敏化染料太阳能电池发电的原理是： （1）染料分子受太阳光照射后由基态跃迁至激发态； （2）处于激发态的染料分子将电子注入到半导体的导带中； （3）电子扩散至导电基底，后流入外电路中； （4）处于氧化态的染料被还原态的电解质还原再生； （5）氧化态的电解质在对电极接受电子后被还原，从而完成一个循环； （6）和（7）分别为注入到TiO2 导带中的电子和氧化态染料间的复合及导带上的电子和氧化态的电解质间的复合； 敏化染料太阳能电池工作原理： 染料敏化太阳能电池主要由表面吸附了染料敏化剂的半导体电极、电解质、Pt 对电极组成。 当有入射光时，染料敏化剂首先被激发，处于激发态的染料敏化剂将电子注入半导体的导带。 氧化态的染料敏化剂被中继电解质所还原，中继分子扩散至对电极充电。这样，开路时两极产生光电势，经负载闭路则在外电路产生相应的光电流 通过超快光谱实验可得出染料敏化太阳能电池各个反应步骤速率常数的数量级。染料敏化太阳能电池的发展历史： 染料敏化太阳能电池的研究历史可以追溯到19世纪早期的照相术。1837年，Daguerre制出了世界上第一张照片。两年后，Fox Talbot将卤化银用于照片制作，但是由于卤化银的禁带宽度较大，无法响应长波可见光，所以相片质量并没有得到很大的提高。1883年，德国光电化学专家V ogel发现有机染料能使卤化银乳状液对更长的波
染料敏化太阳能电池
华南师范大学实验报告 学生姓名:蓝中舜学号：20120010027 专业：新能源材料与器件勷勤创新班年级、班级：12新能源 课程名称：化学电源实验 实验项目：染料敏化太阳能电池 实验类型：验证设计综合实验时间：2014年6月5日-9日 实验指导老师：孙艳辉组员：吕俊郭金海余启鹏 一、实验目的 1、了解染料敏化纳米TiO2太阳能电池的工作原理及性能特点。 2、掌握合成纳米TiO2溶胶的方法、染料敏化太阳能电池光阳极的制备方法以及电池的组装方法。 3、掌握评价染料敏化太阳能电池性能的方法。 二、实验原理 DSSC 结构：染料敏化太阳能电池的结构是一种“三明治”结构, 如图1 所示，主要由以下几个部分组成: 导电玻璃、染料光敏化剂、多孔结构的TiO2半导体纳米晶薄膜、电解质和铂电极。其中吸附了染料的半导体纳米晶薄膜称为光阳极，铂电极叫做对电极或光阴极。 DSSC 电池的工作原理：电池中的TiO2禁带宽度为3.2 eV，只能吸收紫外区域的太阳光，可见光不能将它激发，于是在TiO2膜表面覆盖一层染料光敏剂来吸收更宽的可见光，当太阳光照射在染料上，染料分子中的电子受激发跃迁至激发态，由于激发态不稳定，并且染料与TiO2薄膜接触，电子于是注入到TiO2导带中，此时染料分子自身变为氧化态。注入到TiO2导带中的电子进入导带底，最终通过外电路流向对电极，形成光电流。处于氧化态的染料分子在阳极被电解质溶液中的I- 还原为基态，电解质中的I3-被从阴极进入的电子还原成I-，这样就完成一个光电化学反应循环。但是反应过程中，若电解质溶液中的I-在光阳极上被TiO2导带中的电子还原，则外电路中的电子将减少，这就是类似硅电池中的“暗电流”。整个反