染料敏化太阳能电池汇编
染料敏化太阳能电池的研究进展
陶涛
太阳能电池的发展
●1954年美国贝尔实验室制成了世界上第一个实用的太阳能电池，效率为4%，于1958
年应用到美国的先锋1号人造卫星上。
●由于材料、结构、工艺等方面的不断改进，太阳能电池逐渐由航天等特殊的用电场合进
入到地面应用中。现在太阳能电池的价格不到20世纪70年代的1%。预期10年内太阳能电池能源在美国、日本和欧洲的发电成本将可与火力发电竞争。目前，年均增长率35%，是能源技术领域发展最快的行业。
办公楼与玻璃幕墙一体化的PV 太阳能屋顶系统错误！未找到引用源。
无机太阳能电池
光生伏特效应
电荷运动的势垒：p-n结区内形成的内建电场。阻碍电子从n区向p区运动，空穴从p区向n区运动。
光子入射：造成跃迁产生空穴－电子对。
光电池：空穴、电子通过外电路复合，在电路中产生电流。
半导体中可以利用各种势垒如pn结、肖特基势垒、异质结等形成光伏效应。
当太阳能电池受到阳光照射时，光与半导体相互作用可以产生光生载流子，所产生的电子
-空穴对靠半导体内形成的势垒分开到两极，正负电荷分别被上下电极收集。由电荷聚集所形成的电流通过金属导线流向电负载。
太阳能电池结构示意图
负载中消耗的功率
转换效率（h)＝
入射在电池表面的阳光的功率
太阳能电池结构示意图
太阳能电池主要材料
半导体单晶硅、多晶硅非晶硅、GaAs有机半导体
表面：涂层金属氧化物、导电聚合物
电极：金属导体
封装：玻璃、有机玻璃
对材料的基本要求①能充分利用太阳能辐射，即半导体的禁带不能太宽；
②有较高的光电转换效率；
③材料本身对环境不造成污染；
④材料便于工业化生产，材料的性能稳定且经济
无机太阳能电池的性能及应用
名称禁带宽度(eV) 转换效率应用实况
单晶硅 1.12 24.4 用于空间及地面太阳电池
多晶硅 1.12 18 与单晶硅占市场70~80%
非晶硅 1.5~2.0 13 占市场10~20%消费电子,能源
复合型17.3 已商业化
CdTe 1.44 15 与CdS结合构成的太阳电池已商业化CuInSe2 1.04 17 探索大面积应用批量生产技术
GaAs 1.42 37.4 已开始用于空间太阳电池
InP 1.35 19.1 耐辐射性能优异,处于研究开发阶段
硅材料：
工业硅
（又称：结晶硅或金属硅）
半导体用硅材料含硅化合物（SiHCl3, SiH4）太阳能用硅材料
半导体用多晶硅太阳能用多晶硅
（又称：高纯硅或超纯硅） (Solar grade silicon)
单晶硅锭单晶
硅锭多晶硅锭
各种硅片单晶硅片多晶硅片
各种半导体器件单晶硅太阳能电池多晶硅太阳能电池
2004年太阳能电池产量1,194.7MW，增长60.6%，其中：
产量比例% 增长%
mc-Si 669.15 56.0 46.8
sc-Si 343.45 28.7 71.3
a-Si 64.60 5.4 49.2
a-Si/scSi 60.00 5.0 100
Ribbon 41.00 3.4 502.9
CdTe 13.00 1.1 333.3
CIS 3.0 0.3 -25.0
各种太阳能电池的市场份额
太阳能用硅材料的生产工艺
1-1 单晶锭
1-1-1 CZ法
1-1-2 FZ法
1-2 多晶锭
1-2-1 铸造多晶硅
1-2-1 EMC多晶硅
1-3 非晶硅
太阳能用硅材料的生产工艺 CZ法
● 1 熔化 2 稳定 3 引晶 4 缩径 5 放肩 6 等径
●来源：CGS
太阳能用硅材料的生产工艺 FZ法
太阳能用硅材料的生产工艺多晶浇注法
由于铸锭中采用低成本的坩埚及脱模涂料，对硅锭的材质仍会造成影响。近年来电磁法（EMC）被用来进行铸锭试验，方法是投炉硅料从上部连续加到熔融硅处，而熔融硅与无底的冷坩埚通过电磁力保持接触，同时固化的硅被连续地向下拉。目前该工艺已铸出截面为220mmX220mm的长硅锭，铸锭的材质纯度比常规硅锭高。我国可生产出
220mmX220mmX140mm的硅锭。
太阳能用硅材料的生产工艺多晶浇注设备
HEM DSS
太阳能用硅材料的生产工艺方法比较
Method Width
（cm）Weight
(kg)
Growth
Rate
(mm/mi
n)
Growth
Rate
(kg/h)
Throug
hput
(m2/da
y)
Energy
Use
(kWh/k
g)
Energy
Use
(kWh/
m2)
Effici
ency
(Typic
al,
best)
FZ 15 50 2-4 4 80 30 36 <18, 24 CZ 15 50 0.6-1.
2
1.5 30 18-40 21-48 <15, 20
DS (定向结晶) 69 240 0.1-0.
6
3.5 70 8-15 9-17 <14, 18
EMC (电磁铸造) 35 400 1.5-2 30 600 12 35 <14, 16
太阳能用硅材料的生产工艺硅片切割
常规的硅片切割采用内圆切片机，其刀损为0.3一0.35mm，使晶体硅切割损失较大，且大硅片不易切得很薄。近几年，多线切割机的使用对晶体硅片的成本下降具有明显作用。多线切割机采用钢丝带动碳化硅磨料来进行切割硅片，切损只有0.22mm，硅片可切薄到0.2mm，且切割的损伤小。
圆切割技术与线切割技术在实际应用中互为补充而存在
（1）在新建硅圆片加工生产线上，规模在年产量达50吨以上硅单晶加工生产线，并且圆片品种主要针对较大数量集成电路用硅圆片时，切割设备选型可定位在线切割机上，同时大规模、单一硅圆片品种（主要指圆片的厚度规格品种）的太阳能级圆片加工，切割设备选型也可定位在线切割机上。厚度规格品种的多少，直接关系到线切割机排线导轮备件的多少。该排线导轮目前国内无法配套，国外供应商配套，价格较高。频繁更换排线导轮增加了辅助时间，还会增加线丝的浪费。
（2）生产规模较小的生产单位或多品种硅圆片生产并具有较大规模的生产单位，在设备选型上，应首先考虑选用内圆切片机。
兰州瑞德集团 X07 150-1型多线锯切割机
上海日进下压式NWS6X2多线钢丝切割机下压式NWS6X2多线钢丝切割机可同时并列切割二支Φ6"×9"（φ152mm×230mm）硅晶棒，切割晶片最薄厚度为0.2mm。
技术进展直径变化
技术进展直径变化
技术进展薄片技术
技术进展带硅
mc-Si 比例总体上升趋势，但04年有所下降，从03年的61.3%下降至56%；
sc-Si 比例止住了下降趋势，由03年的26.9%上升至28.7%。而且同比增长（71%），超过mc-Si （46.8 % ）。如果包括a-Si/scSi ，则比例达到32.1%,
同比增长75%。
Ribbon 比例由03年的0.9%,提高至3.4%，同比增长502.9%；
晶体硅（包括mc-Si, sc-Si, a-Si/scSi和Ribbon）的比例近4年来变化不大，在91.1%
—93.1%之间；
2001-2004各种太阳能电池比例的变化
10203040506070 01 02 03 04 年
sc-Si
a-Si/sc-Si mc-Si Ribbon 其他
国内太阳能电池用硅材料现状 硅单晶产量 近年来我国硅单晶产量 2004年单晶硅产量（吨）
0%
20%40%60%80%100%1
2
3
4
其他Ribbon mc-Si
a-Si/sc-Si sc-Si
单晶总产量 1700 太阳能单晶产量 1200 太阳能单晶生产能力
2000
200400600800100012001400160018002000
2001
2002
2003
2004
2005
注：单晶硅产量 及生产能力估算见附件1 国内现状趋势及分析
● 和国外情况不同，我国太阳能用单晶硅的比例大大高于多晶硅。
● 形成的原因是：国内廉价单晶炉设备优势；半导体硅单晶生产有一定基础；技术
门槛低。
● 国内太阳能硅材料产业存在的主要问题是：
● 1 硅材料的发展偏重于单晶硅，而且是单晶硅锭。硅片加工能力严重不配套。
企业价值链过短，缺乏企业发展所必需的独立性和自主性，使企业的增值能力受到严重影响；多晶硅材料处于起步阶段。
2 产业价值链仍存在严重脱节。单晶硅绝大部分出口；缺乏切片能力；电池片企业所需大量硅片几乎都以赖进口。作为一个企业其价值链的长短虽然重要，但要根据企业的具体财力、技术能力和管理能力而定。而作为国家则必须考虑。 ● 国内太阳能硅片加工环节十分薄弱
● 除保定英利新能源浙江精功光电配套多晶硅片加工外，太阳能单晶生产企业中只有晶龙
有少量多线切割能力
● 专业硅片加工企业目前仅一家，即镇江环太硅科技有限公司 。切割能力约为1000万片
/年 ●
我国多晶硅片 生产能力（MW ） 保定英利新能源有限公司 6 浙江精功光电有限公司
2
● 保定英利新能源有限公司
● 垂直集成型，目前公司具有6MW 多晶硅片、10MW 电池片、50MW 电池组件的生产能力。 ● 二期投资完成后,硅片的年生产能力将达到70MW ，将新增DSS 多晶硅铸锭机20台,破锭
机3台,多线切割机5台。
●浙江精功光电有限公司（前身为浙江中意太阳能有限公司）
●原为中方与意大利ENITECHNOLOGIE 合资企业，多晶硅片生产能力2MW。
有扩大生产规模至20MW 的计划。
●在建和筹建的多晶锭、片企业
●精功绍兴太阳能技术有限公司（筹建）
●精功集团与德国布莱斯-戴姆勒集团(Preiss-Daimler)共同投资兴建。引进GT Sola
设备和技术。一期10MW，二期将达20MW。
●力诺太阳能基地项目（济南）
●太阳能多晶硅片2500万片，太阳能电池片50MW，太阳能电池组件50MW，太阳能电站
10MW。
●该项目第一期是利用现有土地和厂房，购置多晶硅铸锭炉5台，1台破锭机和1台SD-B
型线切割机等主要设备。年产量为多晶硅片500万片,第二期1000万片，第三期2500万片
（新疆新能源公司20MW硅片项目，资金筹措中）
非晶硅太阳电池
非晶硅太阳电池又称“无定形硅太阳电池”，简称“ a—Si太阳电池"。它是太阳电池发展中的后起之秀。非晶硅太阳电池的最大特点是薄，不同于单晶硅或多晶硅太极电池需要以硅片为底村，而是在玻璃或不锈钢带等材料的表面镀上一层薄薄的硅膜，其厚度只有单晶硅片的1/300。因此，可以大量节省硅材料，加之可连续化大面积生产，能耗也低，成本自然也低。由于电池本身是薄膜型的，太阳的光可以穿透，所以还可做成叠层式的电池，以提高电池的电压。通常单晶硅太阳电池每个单体只有0．5伏左右的电压，必须几个单体串联起来，才能获得一定的电压。非晶太阳硅电池一个就能做到几伏电压，使用比较方便。非晶硅太阳能电池是最理想的一种廉价太阳电池。作为一种弱光微型电源使用，如小型计算器、电子手表等。非晶硅科技已转化为一个大规模的产业，世界上总组件生产能力每年在50MW以上，组件及相关产品销售额在10亿美元以上。应用范围小到手表、计算器电源大到10Mw级的独立电站。
其应用涉及诸多品种的电子消费品、照明和家用电源、农牧业抽水、广播通讯台站电源及中小型联网电站等。a一Si太阳电池成了光伏能源中的一支生力军，对整个洁净可再生能源发展起了巨大的推动作用。
GaAs材料
太阳能电池阵列转换效率的提高对于空间系统有十分重要的意义‘它可以降低系统的重量，改善系统的搭载能力，减小轨道运行的阻力。还可以降低系统的成本。
料敏化纳米晶体太阳能电池
染料敏化纳米晶体太阳能电池（DSSCs）（或称Gr?tzel型光电化学太阳能电池）主要包括镀有透明导电膜的玻璃基底，染料敏化的半导体材料、对电极以及电解质等几部分。
错误！未找到引用源。
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敏化剂
●吸收尽可能多的太阳光；
●紧密吸附在纳米晶网络电极表面；（－COOH,-SO3H,－PO3H2等）
● 与相应的纳米晶的能带相匹配；
● 激发态寿命足够长；
具有长期的稳定性……
错误！未找到引用源。
N N
N
Ru
HOOC
COOH
COOH
NCS
NCS
SCN
N3
Black dye
Nazeeruddin M.K, et al J. Am. Chem. Soc., 1993, 115, 6382.
Nazeeruddin M.K, et al Chem. Commun., 1997, 1705-1706.
N N
N
N
HOOC
COOH
COOH
COOH
Ru
SCN
NCS
Wavelength [nm]
Hagfeldt A and Gr ?tzel M, Acc. Chem. Res., 2000, 33, 269-277.
N3和Black Dye 的性能比较
Black dye
NazeeruddinM K and Gratzel M, J.Am.Chem.Soc., 1993, 115, 6382. Hagfeldt A and Gr?tzel M, Acc. Chem. Res., 2000, 33, 269.
多核吡啶钌络合物系列
X = H, CH3, Ph, COOH, C6H4SO3-
Nazeeruddin M K and Gratzel M, J.Am.Chem.Soc., 1993, 115, 6382.
Hagfeldt A and Gr ?tzel M, Chim. Acta., 1990, 73, 778. 卟啉系列和酞菁系列
R = SO3-, OC5H11; M = H2, Zn, AlCl
A. Kay and M. Gratzel, et al J. Phys. Chem., 1993, 97, 6272.
M.M. Ressler and R.K. Panday, Chemtech., 1998, 3, 39. 纯有机染料系列 （半菁染料衍生物）
N
N
N
N
N
N
N
N
R
R
R
R
M
Merocyanine derivative, Mb(18)-N with an overall η
=4.2%
Sayama K, et al Chem. Commun., 2000, 1173.
纯有机染料系列 （香豆素衍生物）
NKX-2311
NKX-2677
Hara K, et al New J. Chem., 2003, 27, 783.
无机化合物染料系列
O
N O
S
S
HOOC
CN
错误！未找到引用源。
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Bach U ,Lupo D ,Comte P , et al . Nat ure ,1998 ,395 :583
面临的主要问题
●染料问题（现在公认使用效果较好的N3 制备过程较复杂,因而价格也比较昂贵。因此,
寻找低成本而性能良好的染料成为当前研究的一个热点）
●纳米材料（如何获得制备方法简单、尺寸分布可控的纳米材料？）
●电解质及基体材料（为达到商业化的目标溶液电解质要逐步用固体电解质取代，以提
高稳定性和使用寿命）
●电池的串并联问题……
第一步：二氧化钛膜的制备
一调制纳米二氧化钛浆料把二氧化钛胶体涂敷在透明导电玻璃上。就象二氧化钛膜一样，透明导电玻璃上已经事先镀有一层透明导
电膜（SnO2）
二、在导电玻璃片上涂膜
三、用酒精灯烤干
第二步：利用天然染料把二氧化钛膜着色
把新鲜的或冰冻的黑莓、山莓石榴籽或红茶，用一大汤匙的水进行挤压，然后把二氧化钛膜放进去进行着色，大约需要5分钟，直到膜层变成深紫色，如果膜层两面着色的不均匀，可以再放进去浸泡5分钟，最后用乙醇冲洗，并用柔软的纸轻轻地擦干。
第三步：制作反电极
电池既需要光阳极，又要一个对电极才能工作。对电极又叫反电极，是由涂有导电的
SnO2膜层组成的，利用一个简单的万用表就可以判断玻璃的哪一面是导电的，利用手指也
可以作出判断，导电面较为粗糙。把非导电面标上‘+’，然后用铅笔在导电面上均匀地涂上
一层石墨。
第四步：注入电解质
注入含碘和碘离子的溶液作为太阳电池的电解质，它主要用于还原和再生染料。
第五步：组装电池
把着色后的二氧化钛膜面朝上放在桌上，在膜上面滴一到两滴含碘和碘离子的电解质，然后把反电极的导电面朝下压在二氧化钛膜上。把两片玻璃稍微错开，以便利用暴露在外面的部分作为电极的测试用。利用两个夹子把电池夹住，这样，你的太阳能电池就作成了。在室外太阳光下，可以获得开路电压0.43V ，短路电流1mA/cm2 。
样机
我国染料敏化太阳电池的研究历史
●1、我国科研研究小组在九十年代中后期开始跟踪研究该项技术，中科院和北大等高校
率先在该项研究上取得较好的成绩。
●
●2、其中中科院等离子体所、化学所和理化所的研究小组在中科院院长特别基金的支持
下，开展了前期的跟踪研究，同时于2000年6月，该项研究被中科院列入中科院知识创新项目，并获得相应的经费支持，中科院等离子体物理研究所和王孔嘉研究员分别为项目承担单位和首席科学家，化学所和理化所为项目参加单位。
3、2000年10月，“低价、长寿新型光伏电池的基础研究”项目列入国家重点基础研究规划项目（973计划），中科院等离子体物理研究所和南开大学为项目承担单位，王孔嘉研究员和耿新华教授为项目首席科学家，化学所、理化所、中科院研究生院、北工大等七个单位为项目参加单位，染料敏化纳米薄膜太阳电池作为项目研究的主要方向之一。
中国首个染料敏化太阳电池示范电站
建立在等离子体所内的５００瓦规模的小型示范电站
有机太阳能电池
●工作原理: 有机半导体产生的电子和空穴束缚在激子(excitons)之中,电子和空穴在界
面(电极和导电聚合物的结合处)上分离。
●
●研究进展: 美国加州伯克利分校科学家在2002年利用塑料纳米技术研制出第一代塑料
太阳能电池，可以安装在一系列便携式设备及可穿戴式电子设备上。提供0．7V的电压。
●特点：价格低、易成型，通过化学修饰调控性能。
高分子光电转换材料
PPV）
光电池结构： ITO/PPV/Mg
Voc=1.2V
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
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
天然染料敏化TiO太阳能电池的制备及光电性能测试实验报告
天然染料敏化T i O太阳能电池的制备及光电性能测试实验报告 集团文件版本号：（M928-T898-M248-WU2669-I2896-DQ586-M1988）
天然染料敏化TiO2太阳能电池的制备及光电性能测试 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 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、多孔半导体纳米晶薄膜、电解质和铂电极。其中吸附了染料的半结构的TiO 2 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TiO 禁带宽度为3.2 eV，只能吸收 2 膜表面覆盖一层紫外区域的太阳光，可见光不能将它激发，于是在TiO 2 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 薄膜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TiO 2 导带中，此时染料分子自身变为氧化态。注接触，电子于是注入到TiO 2 导带中的电子进入导带底，最终通过外电路流向对电极，形成入到TiO 2 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 -被从阴极进入的电子还原成I-，这样就完成一个光电态，电解质中的I 3 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
TiO 2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 + ? I 3- + 2D (4) I 3-扩散到对电极上得到电子使I -再生： I 3- +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I 3- 复合：I 3- +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TiO 2。TiO 2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。TiO 2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TiO 2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 图1 DSSC 结构与工作原理图 电转换性能较好。因此目前使用的都是锐钛矿型的TiO 2。研究发现，锐 钛矿在低温稳定，高温则转化为金红石，为了得到纯锐钛矿型的TiO 2，退火温度为 450o C 。 染料敏化剂的特点和种类
染料敏化太阳能电池的发展综述
课程论文 课程名称 论文题目 姓名学号专业年级学院年月日 总分
染料敏化太阳能电池的发展综述 【摘要】由于染料敏化太阳能电池具有优良的稳定性和高转换效率，它具有极大的应用前景。本文就染料敏化太阳能电池的原理、各电池组成结构的优化等，对国内外学者的研究工作做以综述评论。 【关键词】太阳能染料敏化电极TiO2薄膜 1前言 在能源危机日益加深的今天，由于化石能源的不可再生；氢能利用中的储能材料问题依然没有解决；风能、核能利用难以大面积推广；太 阳能作为另一种可再生清洁能源足以引起人们的重视。利用太阳能，已经 是各相关学科一个很重要的方向。 1991年之前，人们对太阳能的利用停留在利用半导体硅材料太阳能电池上，这种太阳能电池虽然已经达到了超过15%的转化效率，但是它的光电转化 机理要求材料达到高纯度且无晶体缺陷，再加之硅的生产价格居高，这种 电池在生产应用上遇到了阻力。 1991年，瑞士的Gr' tzel教授小组做出了染料敏化太阳能电池，他们的电池基于光合作用原理，以羧酸联吡啶钌配合物为敏化染料，以二氧 化钛纳米薄膜为电极，利用二氧化钛材料的宽禁带特点，使得吸收太阳光 激发电子的区域和传递电荷的区域分开，从而得到了7.1%的高光电转换效 率，这种电池目前达到最高的转换效率是10.4%。由于这种电池工艺简单， 成本低廉（约为硅电池的1/5~1/10），并且可选用柔质基材而使得应用范 围更广，最重要的是，它具备稳定的性质，有高光电转换效率，这无疑给 太阳能电池的发展带来了巨大的变革。 正因为染料敏化电池的上述优点，许多学者就它的机理、各个组成部分的优化等相关内容作了一系列实验，这篇论文将就这些方面做以综 述简介，并加以分析和评论。 2，染料敏化太阳能电池工作原理 2.1染料敏化太阳能电池的选材 TiO2材料具备稳定的性质，且廉价易得，是理想的工业材料。由于它的禁带宽度是3.2eV ，超过了可见光的能量（1.71eV~3.1eV），所以需要用 光敏材料对其进行修饰。其中的染料敏化剂指多由钌（Ru）和锇（Os）等 过渡金属与多联吡啶形成的配合物；实验证明，只有吸附在TiO2表面的单 层染料分子才有有效的敏化作用，所以人们往往采用多孔纳米TiO2薄膜，利用其大的比表面积吸附更多染料分子，利用太阳光在粗糙表面内的多次 反射从而被染料分子反复吸收提高电池效率；电解质随染料的不同而有不 同的选择，总的来说，以含I-/I3 -离子对的固态或液态电解质为主。由 于电解质状态的不同，染料敏化太阳能电池分为液相电解质的湿化学太阳 能电池和固相电解质的固态太阳能电池。 2.2湿化学染料敏化太阳能电池结构及原理 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