染料敏化太阳电池中双层结构TiO2薄膜空间的电子分布与接触界面转移过程

Vol.33高等学校化学学报No.122012年12月 CHEMICAL JOURNAL OF CHINESE UNIVERSITIES 2697~2702染料敏化太阳电池中双层结构TiO 2薄膜空间的

电子分布与接触界面转移过程

刘伟庆1,2,梁忠冠1,寇东星2,胡林华2,戴松元2

(1.南昌航空大学测试与光电工程学院,无损检测技术教育部重点实验室,南昌330063;2.中国科学院等离子体物理研究所,新型薄膜太阳电池重点实验室,合肥230031)摘要　采用电化学阻抗谱(EIS)研究了双层结构TiO 2薄膜的电子积累和与电解液接触界面的电子转移过程.通过制备纳米颗粒单层和纳米颗粒/亚微米颗粒双层2种不同微结构的TiO 2薄膜电极,对其电容分布二局域态密度二薄膜内部电子传输和固/液界面电子转移过程进行了研究.分析了纳米颗粒/亚微米颗粒双层结构电极对染料敏化太阳电池(DSC)性能的影响.结果表明,一定数量的电子会积累在亚微米颗粒层中引起薄膜电极化学电容的增加.在纳米颗粒层上端覆盖亚微米颗粒后降低了界面复合电阻,但对薄膜电极的传输性能影响较小.因此在筛选和制备DSC 散射层材料时除应具有良好的光散射性能外,还应考虑材料的化学电容和界面转移电阻等因素.

关键词　双层结构;电子积累;电子转移;染料敏化太阳电池

中图分类号　O649.6 文献标识码　A doi :10.7503/cjcu20120707

收稿日期:2012?07?30.

基金项目:国家重点基础研究发展计划(批准号:2011CBA00700)二江西省教育厅科技项目(批准号:GJJ12440)和南昌航空大学博士基金(批准号:EA201008227)资助.

联系人简介:戴松元,男,博士,研究员,主要从事染料敏化太阳电池研究.E?mail:sydai@https://www.wendangku.net/doc/7e13449565.html,

TiO 2是一种性能优越的宽带隙n 型半导体材料,当能级匹配的染料吸附在TiO 2表面时,染料对光

的强吸收作用使得TiO 2/染料体系的光谱响应延伸到可见光区.Gr?tzel 等[1]利用联吡啶钌(Ⅱ)配合物染料和纳米多孔TiO 2薄膜制备出的染料敏化太阳电池(DSC)获得了7.1%的光电转换效率.因此DSC 独特的结构和光电能量转换研究引起广泛关注[2~5].在DSC 中染料敏化纳米TiO 2薄膜结构和性能是影响电池光电转化的重要因素.敏化TiO 2薄膜既是入射光的通道又是光生电子传输的通道.DSC 中常采用颗粒尺寸较小(约20nm)的纳米多孔TiO 2薄膜,这种薄膜具有较高的比表面积和透过率.由于染料的吸收光谱一般不能覆盖全部太阳光谱,因此入射光通过敏化纳米TiO 2薄膜时染料对各种波长的光进行选择性吸收.如N719染料对600nm 波段以上的入射光吸收较弱,大部分入射光直接通过N719敏化的纳米多孔TiO 2薄膜,造成光能的直接损失.

增加敏化纳米TiO 2薄膜厚度可大大增加入射光的光程,提高敏化纳米TiO 2薄膜对入射光的吸收.但是光生电子在薄膜中扩散长度有限,当电子扩散长度小于敏化纳米TiO 2薄膜厚度时电子则不能被收集[6].因此仅通过增加敏化纳米TiO 2薄膜厚度来延长入射光的光程是不可取的.研究发现,当TiO 2颗粒增加到亚微米尺寸时,对光的散射能力会大大增强(Mie 散射)[7].在敏化纳米TiO 2薄膜的上端覆盖颗粒半径为300~400nm 的TiO 2颗粒层,可形成光活性层/散射层的双层结构薄膜电极[8].这种双层结构薄膜可以增加对光的散射,使入射光折转而被染料反复吸收以达到增大吸收光的目的,同时并未增加光生电子传输路径.

目前对散射层的研究集中在颗粒尺寸优化[7]二颗粒散射模型计算[9]二薄膜散射率[10,11]和薄膜透过率[10]等方面.对增加散射层后DSC 性能的影响一般通过开路电压二短路电流二填充因子以及能量转换效率等光伏性能的变化来研究[7,11].而半导体材料的局域态分布二非平衡载流子的积累以及接触界面

性质等很大程度上决定了电池的性能.光活性层与散射层紧密接触并共同浸入高浓度氧化还原电解液中,薄膜中电荷的积累和接触界面电子转移的物理化学过程对电池的能量转化产生一定的影响,因此对于散射层的研究不应仅限于其光学特性方面.

本文对纳米颗粒/亚微米颗粒双层结构TiO 2薄膜电极的电容分布二局域态密度和固/液界面电子

转移过程等进行了研究.分析了纳米颗粒层覆盖亚微米颗粒层后双层结构薄膜电极对DSC 性能的影响.为DSC 光阳极微结构优化二制备筛选高性能散射层材料二设计开发新型染料及进一步拓宽染料的吸收范围具有重要指导意义.1　实验部分

1.1　试剂与仪器

钛酸四异丙酯二碘(I 2)二碘化锂(LiI)二苯并咪唑(BI)二3?甲氧基丙腈(MePN)二1?甲基咪唑和碘丙烷均为Fluka 公司A.R.级试剂.

600MHz 核磁共振仪(DMX?600,Bruker 公司,瑞士);电化学工作站(IM6ex,德国Zahner 公司),偏压范围-0.6~-0.8V,调制振幅5mV,频率范围3MHz ~80mHz.利用Zview 软件拟合实验测得的

电化学阻抗谱(EIS)提取薄膜电极的阻抗信息.

1.2　薄层电池的制备TiO 2浆料制备和电解质溶液[将0.08mol /L I 2,0.6mol /L 1?甲基?3?丙基咪唑碘(MPII),0.1mol /L LiI,0.6mol /L BI 溶解在MePN 中]配制过程参见文献[12].与制备DSC 活性层/散射层型光阳极工艺相同,利用丝网印刷技术在导电玻璃(TEC?15,LOF)上印刷TiO 2浆料,于510℃马弗炉中烧结

30min 形成厚度约为11μm 的纳米颗粒层(颗粒直径约20nm),得到纳米颗粒单层结构的TiO 2薄膜电极(n 型薄膜电极),薄膜面积为0.5cm×0.5cm.在此基础上增加厚度约为5m m 的亚微米TiO 2颗粒层(颗粒直径约300~400nm),构成纳米颗粒/亚微米颗粒双层结构TiO 2薄膜电极(n /m 型薄膜电极).

将H 2PtCl 6溶液喷涂到透明导电玻璃上,于410℃马弗炉中烧结20min,即可得Pt 对电极.将高分子聚合物密封圈(Surlyn,Dupont 公司)置于薄膜电极和Pt 对电极之间通过热压机完成两极板密封.通过预留在Pt 对电极的小孔(直径1mm)注入电解质溶液,再对小孔进行密封制成薄层电池.2　结果与讨论

2.1　双层结构TiO 2薄膜的空间电子分布

图1是暗态条件下,偏压为-0.7V 时,n /m 型双层结构和n 型单层结构TiO 2薄膜电极的EIS 图.Fig.1　Electrochemical impedance spectra of nano /micro?scale bilayer structure (a )and nano?scale monolayer structure (b )at -0.7V in the dark 图1中存在3个频率区间:高频区半圆曲线对应电

解液/对电极接触界面(EL /Pt?TCO 界面)电子转移

过程;中频区半圆曲线对应TiO 2薄膜电子传输和

与电解液接触界面(TiO 2/EL 界面)的转移过程;低频区对应电解液中的离子扩散阻抗.

本文构建的等效电路如图2所示.纯电阻R 1

为系统电阻;R 2和CPE 2(CPE 为常相角元件)组成的RC 子电路为EL /Pt?TCO 界面的电子转移电阻和Helmholtz 层电容;传输线电路包含TiO 2/EL 接触界面的转移电阻R ct ,TiO 2薄膜电容CPE 1和电子传输

电阻R t ;CPE 3为TCO /EL 界面双电层电容;W s 为电

解液中离子的Nernst 扩散阻抗.通过图2等效电路

可以提取阻抗谱的等效电容与电阻值.8962高等学校化学学报 Vol.33　

Fig.2　Equivalent circuit for the electrochemical cell 电荷一般积累在TiO 2薄膜内部和各个接触界

面中,具有电容性质.导电基底TCO /EL 界面和EL /Pt?TCO 界面两侧正负电荷积累构成了Helm?

holtz 双电层电容[13~15].TiO 2薄膜内电荷积累形成

的电容比较复杂,一般认为TiO 2薄膜主要形成2种电容:薄膜内部电子积累的化学电容C μ和与电

解液接触界面的Helmholtz 双电层电容

C H,TiO 2/EL [15~17].不同偏压下TiO 2薄膜电极电容会呈现在不同部位[18,19]:在较正的偏压下,TiO 2薄膜中电子浓度非常低,处于绝缘状态,此时电容主要是TCO /EL 界面电容C H,TCO /EL ;中等偏压下大量电子积累在薄膜中,与电子浓度和薄膜电化学势有关的C μ占主导;外加偏压非常负时,薄膜内部电子浓度较高,当C μ超过C H,TiO 2/EL 时,由于二者为串联关Fig.3　Chemical capacitance of nano?scale monolayer

structure and nano /micro?scale bilayer struc?ture at different applied potential in the dark

系,所以总电容为C H,TiO 2/EL .纳米TiO 2薄膜是DSC

实现光电能量转化的核心,光电子的产生二传输以

及复合等重要光电能量转化过程都发生于此.与其

它电容相比,TiO 2薄膜的C μ是DSC 中最重要的电

容并影响着电池能量转化过程.

图3为n /m 型薄膜电极和n 型薄膜电极的化

学电容C μ随外加偏压的变化关系.2种类型TiO 2薄膜电极化学电容C μ与偏压均成指数关系,并且n /m 型薄膜电极的化学电容C μ大于n 型薄膜电极电容.EIS 结果表明,亚微米颗粒层覆盖纳米颗粒

层后会增大整个薄膜电极的电容.TiO 2材料的带隙

中存在的指数分布局域态密度可以表示

为g (E )[18]:

g (E )=N L k B T exp[(E -E c )/k B T 0](1)

式中,N L 为总态密度,k B 为Boltzmann 常数,T 0为温度,E c 为导带能级.对所有可能的局域态进行积分可以得出化学电容:

C μ(E Fn )=q 2k B T ∫+￥-￥f (E -E Fn )[1-f (E -E Fn )]g (E )d E (2)式中,q 为基本电荷,f (E -E Fn )为Fermi?Dirac 分布函数,E Fn 为Fermi 能级.通过计算可以得到化学电容C μ与局域态密度g (E )之间的关系为

C μ(E Fn )≈q 2g (E Fn )(3)式(3)表明,化学电容正比于局域态密度,即化学电容C μ的分布状态反映了局域态密度g (E )的分布.

用得到的n /m 型和n 型2种结构薄膜电极的电容估算亚微米颗粒TiO 2的局域态密度(DOS)分布.纳米颗粒层薄膜上端覆盖亚微米颗粒层后,增加的电容可以看作是亚微米层薄膜的化学电容,同时考虑

到薄膜厚度与孔隙率,DOS 可由下式计算[20]:DOS =(6.24×1018)C μd (1-p )(4)

式中,d 为TiO 2薄膜厚度,p 为TiO 2薄膜孔隙率(亚微米颗粒层孔洞率约为0.67;纳米颗粒层孔洞率约为0.56[21]).图4为通过单指数拟合亚微米颗粒层和纳米颗粒层化学电容而得到其DOS 分布.TiO 2晶体存在的很多电子态对薄膜性质产生很大的影响[22]:(1)电子处于导带态或扩展态时可以很快传输;(2)内部的 Bulk traps”电子态位于带隙之中,陷阱只能与导带交换电子,导带中的电子进入陷阱后只能通过热激发回到导带中;(3)颗粒表面的表面态(Surface traps)电子也位于带隙之中,9962　No.12　刘伟庆等:染料敏化太阳电池中双层结构TiO 2薄膜空间的电子分布与接触界面转移过程

Fig.4　Plot of DOS vs .applied potential in micro?

scale (a )and nano?scale (b )TiO 2films 表面态不仅能和导带交换电子,而且还能与电解液

中的氧化还原对发生复合反应.利用式(4)得到的DOS 包括局域态(2)和(3)两种类型.由于纳米颗粒层表面积很大,所以表面态是电子的主要陷阱.

与纳米颗粒层相比,亚微米颗粒层由于颗粒尺寸较

大以至于表面积较小,所以表面态密度比纳米颗粒

层低.在偏压为-0.7V 时,亚微米颗粒层DOS 约

为9.20×1018cm -3四V -1,而此时纳米颗粒层DOS 约为7.15×1019cm -3四V -1,二者相差近8倍.图5为n /m 型双层结构薄膜电极的电子分布

示意图.电子在纳米颗粒层和亚微米颗粒层中积累

而形成电容.当注入薄膜电极中电子数量保持恒定

时,增加亚微米颗粒层后,一定数量的电子要积累到亚微米颗粒层,整个薄膜的电子填充水平要低于纳米颗粒层.据此可以推测,在DSC 工作过程中当染料注入的电子数量保持恒定时,增加大颗粒散射层将降低整个光阳极的电子浓度.由于实际DSC 散射层将反射入射光致使染料注入电子数量发生变化,同时散射层也可能会吸收少量染料产生一定的电子,所以很难观察到增加散射层会引起DSC 薄膜电极电子浓度降低.增加散射层是降低薄膜电子浓度的一个潜在因素,在筛选和制备散射层材料时,材料的化学电容应该是一个需要考虑的因素.

Fig.5　Scheme of the electron distribution (the shaded region )of nano?scale monolayer (A )and

structure nano /micro?scale bilayer structure (B )

2.2　双层结构TiO 2薄膜接触界面的电子转移和传输过程

DSC 中复合过程是降低电池性能的一个重要因素,这种复合是一个界面转移过程而且只发生在界面处[23].在DSC 中可以发生复合的界面主要是TiO 2/EL 界面和TCO /EL 界面.在TiO 2/EL 界面电子可以与激发态染料或与溶液中的I -3发生复合,而TCO /EL 界面只能与电解液中的I -3发生复合.在各种复合途径中,最主要的复合过程是薄膜中的电子通过TiO 2/EL 界面与I -3发生反应.电子在TiO 2/EL 界面与I -3离子发生复合反应的途径可能有2种:(1)通过TiO 2导带直接与I -3离子复合;(2)通过表面态间接与I -3离子发生复合.图6为n /m 型薄膜电极和n 型薄膜电极的复合电阻R ct 随外加偏压的变化关系.增加亚微米颗粒层后薄膜电极表面积增加,导致电子通过TiO 2/EL 界面的表面态与I -3发生反应更加容易,造成了n /m 双层结构复合电阻R ct 的降低.电子在薄膜中传输受到的阻力可以等效成一个传输电阻R t .在EIS 的Nyquist 图中电子传输阻抗R t 出现在高频区半圆靠近中频区半圆区域,呈现一个约为45°的Warburg 阻抗特性斜线.图7为n /m 型薄膜电极和n 型薄膜电极的传输电阻R t 随外加偏压的变化关系.可见,在本文测试条件下,电子传输电阻没有明显受到亚微米颗粒层的影响.研究结果表明,颗粒增大后缺陷密度较低,所以电子在大颗粒层中传输更加容易;而纳米颗粒表面积的缺陷密度非常高,颗粒之间还存在大量边界缺陷,这些原因都会造成电子在纳米颗粒之间传输困难[24].n /m 型薄膜电极中电子传输依然由纳米颗粒阻抗控0072高等学校化学学报 Vol.33　

Fig.6　Electron transfer resistance of nano?scale

monolayer structure and nano /micro?scale

bilayer structure at different applied poten?

tial in the dark Fig.7　Electron transport resistance of nano?scale monolayer structure and nano /micro?scale bilayer structure at different applied poten?tial in the dark

制传输,所以增加亚微米颗粒层对薄膜电极的传输性能影响较小.

3　结 论

本文对n /m 型薄膜电极和n 型薄膜电极在不同偏压下进行了EIS 研究.结果表明,亚微米颗粒层化学电容较小,DOS 非常低,但是在纳米颗粒层上端覆盖亚微米颗粒层后会引起薄膜电极化学电容明显增加.n /m 型薄膜电极表面积的增加,降低了TiO 2/EL 界面复合电阻,但是电子传输依然由纳米颗粒层阻抗控制,所以增加亚微米颗粒层对薄膜电极的传输性能影响较小.从DSC 角度考虑,光阳极增加散射层后一部分电子会积累在散射层中.因此筛选和制备DSC 散射层材料时,除其应具有良好的光散射性能外,还应考虑材料的化学电容和界面转移电阻等因素.

参　考　文　献

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Electron Distribution and Contact Interface Transfer Process in

Bilayer TiO

Films of Dye Sensitized Solar Cell

2

LIU Wei?Qing1,2,LIANG Zhong?Guan1,KOU Dong?Xing2,

HU Lin?Hua2,DAI Song?Yuan2*

(1.Key Laboratory of Nondestructive Testing,Ministry of Education,School of the Testing and

Photoelectric Engineering,Nanchang Hangkong University,Nanchang330063,China;

2.Key Laboratory of Novel Thin Film Solar Cells,Institute of Plasma Physics,

Chinese Academy of Sciences,Hefei230031,China)

Abstract　The electron accumulation and transfer process at the nano/micro?scale bilayer structure of TiO2 film were investigated by electrochemical impedance spectroscopy(EIS).Two kinds of films with different mi?crostructures were prepared through adding a micro?scale TiO2layer at the top of the nano?scale monolayer TiO2film.The intrinsic properties of these films,such as the capacitance distribution,the density of electronic states,the electron transportation and the solid/liquid interfacial electron transfer process,were studied de?tailedly.The effect of the nano/micro?scale bilayer structure of TiO2film on dye sensitized solar cell(DSC) was analysed.Chemical capacitance increase caused by a certain number of electrons was accumulated in mi?cro?scale TiO2layer.The electron transport resistance had no significant effect when adding a micro?scale TiO2 layer.In addition to its good performance of light scattering,the material chemical capacitor and transfer resistance should be considered in selecting and preparing materials for DSC scattering layer. Keywords　Bilayer structure;Electron accumulation;Electron transfer;Dye sensitized solar cell

(Ed.:S,Z)

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

薄膜太阳能电池分类

薄膜太阳能电池分类 21世纪初之前，太阳能电池主要以硅系太阳能电池为主，超过89%的光伏市场由硅系列太阳能电池所占领，但自2003年以来，晶体硅太阳能电池的主要原料多晶硅价格快速上涨，因此，业内人士自热而然将目光转向了成本较低的薄膜电池。薄膜太阳电池可以使用在价格低廉的玻璃、塑料、陶瓷、石墨，金属片等不同材料当基板来制造，形成可产生电压的薄膜厚度仅需数μm，目前转换效率最高可达13%以上。薄膜电池太阳电池除了平面之外，也因为具有可挠性可以制作成非平面构造其使用范围大，可和建筑物结合或是变成建筑体的一部份，使用非常广泛。 1.硅基薄膜电池 硅基薄膜电池包括非晶硅薄膜电池、微晶硅薄膜电池、多晶硅薄膜电池，而目前市场主要是非晶硅薄膜电池产品。非晶硅的禁带宽度为1.7eV，通过掺硼或磷可得到p型或n型a-Si。为了提高效率和改善稳定性，还发展了p-i-n/p-i-n双层或多层结构式的叠层电池。 2.碲化镉（CdTe）薄膜电池 碲化镉薄膜电池是最早发展的太阳电池之一，由于其工艺过程简单，制造成本低，实验室转换效率已超过16%，大规模效率超过12%，远高于非晶硅电池。不过由于镉元素可能对环境造成污染，使用受到限制。近年来美国FirstSolar公司采取了独特的蒸气输运法沉积等特殊措施，解决了污染问题，开始大规模生产，并为德国建造世界最大的光伏电站提供40MW 碲化镉太阳电池组件。 3.铜铟镓硒(CIGS)薄膜电池 铜铟镓硒薄膜电池是近年来发展起来的新型太阳电池，通过磁控溅射、真空蒸发等方法，在基底上沉积铜铟镓硒薄膜，薄膜制作方法主要有多元分布蒸发法和金属预置层后硒化法等。基底一般用玻璃，也可用不锈钢作为柔性衬底。实验室最高效率已接近20%，成品组件效率已达到13%，是目前薄膜电池中效率最高的电池之一。 4.砷化镓（GaAs）薄膜电池 砷化镓薄膜电池是在单晶硅基板上以化学气相沉积法生长GaAs薄膜所制成的薄膜太阳电池，其直接带隙1.424eV，具有30%以上的高转换效率，很早就被使用于人造卫星的太阳电池板。然而砷化镓电池价格昂贵，且砷是有毒元素，所以极少在地面使用。 5.染料敏化薄膜电池 染料敏化太阳电池是太阳电池中相当新颖的技术产品，由透明导电基板、二氧化钛(TiO2)纳米微粒薄膜、染料(光敏化剂)、电解质和ITO电极所组成。目前仍停留在实验室阶段，实验室最高效率在11%左右。 非晶硅薄膜电池 简介 非晶硅（amorphous silicon α-Si）又称无定形硅。单质硅的一种形态。棕黑色或灰黑色的微晶体。硅不具有完整的金刚石晶胞，纯度不高。熔点、密度和硬度也明显低于晶体硅。非晶硅的化学性质比晶体硅活泼。可由活泼金属(如钠、钾等) 在加热下还原四卤化硅，或用碳等还原剂还原二氧化硅制得。结构特征为短程有序而长程无序的α-硅。纯α-硅因缺陷密度高而无法使用。采用辉光放电气相沉积法就得含氢的非晶硅薄膜，氢在其中补偿悬挂链，并进行掺杂和制作pn结。非晶硅在太阳辐射峰附近的光吸收系数比晶体硅大一个数量级。禁带宽度1.7～1.8eV，而迁移率和少子寿命远比晶体硅低。现已工业使用，主要用于提炼纯硅，制造太阳电池、薄膜晶体管、复印鼓、光电传感器等。 非晶硅薄膜电池的起源 非晶硅薄膜太阳能电池由Carlson和Wronski在20世纪70年代中期开发成功，80年代其生产曾达到高潮，约占全球太阳能电池总量的20％左右，但由于非晶硅太阳能电池转化效率

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

(整理)薄膜太阳能电池种类

薄膜太阳能电池种类 为了寻找单晶硅电池的替代品，人们除开发了多晶硅，非晶硅薄膜太阳能电池外，又不断研制其它材料的太阳能电池。其中主要包括砷化镓III-V族化合物，硫化镉，碲化镉及铜锢硒薄膜电池等。 上述电池中，尽管硫化镉薄膜电池的效率较非晶硅薄膜太阳能电池效率高，成本较单晶硅电池低，并且也易于大规模生产，但由于镉有剧毒，会对环境造成严重的污染，因此，并不是晶体硅太阳能电池最理想的替代。砷化镓III-V化合物及铜铟硒薄膜电池由于具有较高的转换效率受到人们的普遍重视。 砷化镓太阳能电池 GaAs属于III-V族化合物半导体材料，其能隙为1.4eV，正好为高吸收率太阳光的值，与太阳光谱的匹配较适合，且能耐高温，在250℃的条件下，光电转换性能仍很良好，其最高光电转换效率约30%，特别适合做高温聚光太阳电池。 砷化镓生产方式和传统的硅晶圆生产方式大不相同，砷化镓需要采用磊晶技术制造，这种磊晶圆的直径通常为4—6英寸，比硅晶圆的12英寸要小得多。 磊晶圆需要特殊的机台，同时砷化镓原材料成本高出硅很多，最终导致砷化镓成品IC成本比较高。磊晶目前有两种，一种是化学的MOCVD，一种是物理的MBE。 GaAs等III-V化合物薄膜电池的制备主要采用MOVPE和LPE技术，其中 MOVPE方法制备GaAs薄膜电池受衬底位错，反应压力，III-V比率，总流量等诸多参数的影响。GaAs(砷化镓)光电池大多采用液相外延法或MOCVD技术制备。用GaAs作衬底的光电池效率高达29.5%(一般在19.5%左右) ，产品耐高温和辐射，但生产成本高，产量受限，目前主要作空间电源用。以硅片作衬底，MOCVD技术异质外延方法制造GaAs电池是降用低成本很有希望的方法。已研究的砷化镓系列太阳电池有单晶砷化镓，多晶砷化镓，镓铝砷--砷化镓异质结，金属-半导体砷化镓，金属--绝缘体--半导体砷化镓太阳电池等。 砷化镓材料的制备类似硅半导体材料的制备，有晶体生长法，直接拉制法，气相生长法，液相外延法等。由于镓比较稀缺，砷有毒，制造成本高，此种太阳电池的发展受到影响。除GaAs外，其它III-V化合物如Gasb，GaInP等电池材料也得到了开发。 1998年德国费莱堡太阳能系统研究所制得的GaAs太阳能电池转换效率为 24.2%，为欧洲记录。首次制备的GaInP电池转换效率为14.7%。另外，该研

单晶硅、多晶硅、非晶硅、薄膜太阳能电池地工作原理及区别1

单晶硅、多晶硅、非晶硅、薄膜太阳能电池 的工作原理及区别 硅太阳能电池的外形及基本结构如图1。其中基本材料为P型单晶硅，厚度为0.3—0.5mm左右。上表面为N+型区，构成一个PN＋结。顶区表面有栅状金属电极，硅片背面为金属底电极。上下电极分别与N＋区和P区形成欧姆接触，整个上表面还均匀覆盖着减反射膜。 当入发射光照在电池表面时，光子穿过减反射膜进入硅中，能量大于硅禁带宽度的光子在N+区，PN＋结空间电荷区和P区中激发出光生电子——空穴对。各区中的光生载流子如果在复合前能越过耗尽区，就对发光电压作出贡献。光生电子留于N＋区，光生空穴留于P区，在PN＋结的两侧形成正负电荷的积累，产生光生电压，此为光生伏打效应。当光伏电池两端接一负载后，光电池就从P区经负载流至N＋区，负载中就有功率输出。 太阳能电池各区对不同波长光的敏感型是不同的。靠近顶区湿产生阳光电流对短波长的紫光（或紫外光）敏感，约占总光源电流的5－10％（随N＋区厚度而变），PN＋结空间电荷的光生电流对可见光敏感，约占5 ％左右。电池基体域

产生的光电流对红外光敏感，占80－90％，是光生电流的主要组成部分。 2.单晶硅太阳能电池 单晶硅太阳能电池是当前开发得最快的一种太阳能电池，它的构成和生产工艺已定型，产品已广泛用于宇宙空间和地面设施。这种太阳能电池以高纯的单晶硅棒为原料，纯度要求99.999％。为了降低生产成本，现在地面应用的太阳能电池等采用太阳能级的单晶硅棒，材料性能指标有所放宽。有的也可使用半导体器件加工的头尾料和废次单晶硅材料，经过复拉制成太阳能电池专用的单晶硅棒。将单晶硅棒切成片，一般片厚约0.3毫米。硅片经过成形、抛磨、清洗等工序，制成待加工的原料硅片。加工太阳能电池片，首先要在硅片上掺杂和扩散，一般掺杂物为微量的硼、磷、锑等。扩散是在石英管制成的高温扩散炉中进行。这样就在硅片上形成PN结。然后采用丝网印刷法，将配好的银浆印在硅片上做成栅线，经过烧结，同时制成背电极，并在有栅线的面涂覆减反射源，以防大量的光子被光滑的硅片表面反射掉，至此，单晶硅太阳能电池的单体片就制成了。单体片经过抽查检验，即可按所需要的规格组装成太阳能电池组件（太阳能电池板），用串联和并联的方法构成一定的输出电压和电流，最后用框架和封装材料进行封装。用户根据系统设计，可

中国薄膜太阳能电池生产厂商列表12资料

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三种主要的薄膜太阳能电池详解

三种主要的薄膜太阳能电池详解 摘要：上述电池中，尽管硫化镉薄膜电池的效率较非晶硅薄膜太阳能电池效率高，成本较单晶硅电池低，并且也易于大规模生产，但由于镉有剧毒，会对环境造成严重的污染，因此，并不是晶体硅太阳能电池最理想的替代。砷化镓III-V化合物及铜铟硒薄膜电池由于具有较高的转换效率受到人们的普遍重视。 关键字：薄膜太阳能电池, 砷化镓, 单晶硅电池 单晶硅是制造太阳能电池的理想材料，但是由于其制取工艺相对复杂，耗能大，仍然需要其他更加廉价的材料来取代。为了寻找单晶硅电池的替代品，人们除开发了多晶硅，非晶硅薄膜太阳能电池外，又不断研制其它材料的太阳能电池。其中主要包括砷化镓III-V族化合物，硫化镉，碲化镉及铜锢硒薄膜电池等。来源:大比特半导体器件网 上述电池中，尽管硫化镉薄膜电池的效率较非晶硅薄膜太阳能电池效率高，成本较单晶硅电池低，并且也易于大规模生产，但由于镉有剧毒，会对环境造成严重的污染，因此，并不是晶体硅太阳能电池最理想的替代。砷化镓III-V化合物及铜铟硒薄膜电池由于具有较高的转换效率受到人们的普遍重视。来源:大比特半导体器件网 砷化镓太阳能电池 GaAs属于III-V族化合物半导体材料，其能隙为 1.4eV，正好为高吸收率太阳光的值，与太阳光谱的匹配较适合，且能耐高温，在250℃的条件下，光电转换性能仍很良好，其最高光电转换效率约30%，特别适合做高温聚光太阳电池。砷化镓生产方式和传统的硅晶圆生产方式大不相同，砷化镓需要采用磊晶技术制造，这种磊晶圆的直径通常为4—6英寸，比硅晶圆的12英寸要小得多。磊晶圆需要特殊的机台，同时砷化镓原材料成本高出硅很多，最终导致砷化镓成品IC成本比较高。磊晶目前有两种，一种是化学的MOCVD，一种是物理的MBE。GaAs等III-V化合物薄膜电池的制备主要采用MOVPE和LP E技术，其中MOVPE方法制备GaAs薄膜电池受衬底位错，反应压力，III-V比率，总流量等诸多参数的影响。GaAs(砷化镓)光电池大多采用液相外延法或MOCVD技术制备。用GaAs作衬底的光电池效率高达29.5%(一般在19.5%左右) ，产品耐高温和辐射，但生产成本高，产量受限，目前主要作空间电源用。以硅片作衬底，MOCVD技术

薄膜太阳能电池基础知识整理

非晶硅薄膜太阳能电池基础知识 一、优点： 1.光谱特性好（弱光性好、光谱吸收范围宽） 2.温度特性好（温度上升时电池效率下降很小） 3.成本能耗低（硅用量少:2um、生产温度底：200度） 4.生产效率高（连续，大面积，自动化生产） 5.使用方便（重量轻,厚度薄.可弯曲,易携带） 6.无毒无污染、美观大方 缺点： 二、非晶硅薄膜太阳能电池的四个效应： 1.光电效应 2.光致衰退效应（薄膜经较长时间的强光照射或电流通过,在其内部将产生缺陷而 使薄膜的使用性能下降,简称为S-W效应） 3.边缘效应（边缘效率比中心效率低） 4.面积效应（面积越大，效率越低） 三、结构 1.一般结构 2.非晶\微晶硅叠层结构

衬底：玻璃、不锈钢、特种塑料 TOC ：透明导电氧化膜（要求：透光性>80%、表面绒面度12~15% 面电阻R 9~13 Ω ） 四、原理 非晶硅太阳电池的工作原理是基于半导体的光伏效应。当太阳光照射到电池上时，电池吸收光层（i 层）能产生光生电子—空穴对，在电池内建电场Vb 的作用下，光生电子和空穴被分离，空穴漂移到P 边，电子漂移到N 边，形成光生电动势VL, VL 与内建电势Vb 相反，当VL = Vb 时，达到平衡; IL = 0, VL 达到最大值，称之为开路电压Voc ; 当外电路接通时，则形成最大光电流，称之为短路电流Isc ，此时VL= 0;当外电路加入负载时，则维持某一光电压VL 和光电流IL 。其I--V 特性曲线见图 3 SiO2(20~40nm) TCO(700~1000nm) a-si(~300nm) SiO2(100nm) μc-Si (~1.7μm ) AZO (~100nm) Ag (130~200nm)

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

多晶硅太阳能电池生产工艺.docx

太阳能电池光电转换原理主要是利用太阳光射入太阳能电池后产生电子电洞对，利用P-N 接面的电场将电子电洞对分离,利用上下电极将这些电子电洞引出，从而产生电流。整个生产流程以多晶硅切片为原料，制成多晶硅太阳能电池芯片。处理工艺主要有多晶硅切片清洗、磷扩散、氧化层去除、抗反射膜沉积、电极网印、烧结、镭射切割、测试分类包装等。 生产工艺主要分为以下过程： ⑴ 表面处理（多晶硅片清洗、制绒） 与单晶硅绒面制备采用碱液和异丙醇腐蚀工艺不同，多晶硅绒面制备采用氢氟酸和硝酸配成的腐蚀液对多晶硅体表面进行腐蚀。一定浓度的强酸液对硅表面进行晶体的各相异性腐蚀，使得硅表面成为无数个小“金字塔”组成的凹凸表面，也就是所谓的“绒面”，以增加了光的反射吸收，提高电池的短路电流和转换效率。从电镜的检测结果看，小“金字塔”的底边平均约为10um 。主要反应式为： 32234HNO 4NO +3SiO +2H O Si +???→↑氢氟酸 2262SiO 62H O HF H SiF +→+ 这个过程在硅片表面形成一层均匀的反射层（制绒），作为制备P-N 结衬底。处理后对硅片进行碱洗、酸洗、纯水洗，此过程在封闭的酸蚀刻机中进行。碱洗是为了清洗掉硅片未完全反应的表面腐蚀层，因为混酸中HF 比例不能太高，否则腐蚀速度会比较慢，其反应式为：2232SiO +2KOH K SiO +H O →。之后再经过酸洗中和表面的碱液，使表面的杂质清理干净，形成纯净的绒面多晶硅片。 酸蚀刻机内设置了一定数量的清洗槽，各股废液及废水均能单独收集。此过程中的废酸液（L 1，主要成分为废硝酸、氢氟酸和H 2SiF 6）、废碱液（L 2，主要成分为废KOH 、K 2SiO 3）、废酸液（L 3，主要成分为废氢氟酸以及盐酸）均能单独收集，酸碱洗后均由少量纯水洗涤，纯水预洗废液（S 1、S 2、S 3）和两级纯水漂洗废水（W 1），收集后排入厂区污水预处理设施，处理达标后通过专管接入清流县市政污水管网。 此过程中使用的硝酸、氢氟酸均有一定的挥发性，产生的酸性废气（G 1-1、G 1-2），经设备出气口进管道收集系统，经厂房顶的碱水喷淋系统处理达标后排放。G 1-2与后序PECVD 工序产生的G 5（硅烃、氨气）合并收集后经过两级水吸收处理后经排气筒排放。

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

CdTe薄膜太阳能电池产业发展报告

CdTe薄膜太阳能电池产业发展报告 标签：薄膜太阳电池CdTe solar 2007-10-09 12:21 一、概述 CdTe是Ⅱ-Ⅵ族化合物半导体，带隙1.5eV，与太阳光谱非常匹配，最适合于光电能量转换，是一种良好的PV材料[1]，具有很高的理论效率（28%）[2]，性能很稳定，一直被光伏界看重，是技术上发展较快的一种薄膜电池。碲化镉容易沉积成大面积的薄膜，沉积速率也高。CdTe 薄膜太阳电池通常以CdS ／CdT e异质结为基础。尽管CdS和CdTe和晶格常数相差10%，但它们组成的异质结电学性能优良，制成的太阳电池的填充因子高达F F =0.75[3]。 制备CdTe多晶薄膜的多种工艺和技术已经开发出来，如近空间升华、电沉积、PVD、CVD、CBD、丝网印刷、溅射、真空蒸发等[4]。丝网印刷烧结法：由含CdTe、CdS浆料进行丝网印刷CdTe、CdS 膜，然后在600～700℃可控气氛下进行热处理1h 得大晶粒薄膜. 近空间升华法：采用玻璃作衬底，衬底温度500～600℃，沉积速率10μm/min. 真空蒸发法：将CdTe 从约700℃加热钳埚中升华，冷凝在300～400℃衬底上，典型沉积速率1nm/s. 以CdTe 吸收层，CdS 作窗口层半导体异质结电池的典型结构：减反射膜/玻璃/（SnO2:F）/CdS/P-CdTe/背电极。电池的实验室效率不断攀升，最近突16%。20世纪90年代初，CdTe电池已实现了规模化生产，但市场发展缓慢，市场份额一直徘徊在1%左右。商业化电池效率平均为 8%-10%[5]。 为了更好地、更系统地研究CdTe系太阳电池，本文简要介绍CdTe薄膜太阳能电池的国内外的研究进展与产业发展状况，以及存在的问题、制约因素等。 二、国外CdTe薄膜太阳能电池产业发展状况与趋势 CdTe薄膜太阳电池是薄膜太阳电池中发展较快的一种光伏器件。美国南佛罗里达大学于1993年用升华法在1cm2面积上做出效率为15.8 %的太阳电池[6] , 随后，日本 Matsushita Battery报道了CdTe基电池以CdTe 作吸收层,CdS 作窗口层的n-CdS/ P - CdTe 半导体异质结电池,其典型结构为MgF2/ 玻璃/ SnO2∶F/ n-CdS/ P- dTe/ 背电极,小面积电池最高转换效率16%[7]，成为当时CdTe薄膜太阳能电池的最高纪录，近年来,太阳电池的研究方向是高转换效率、低成本和高稳定性. 因此,以CdTe为代表的薄膜太阳电池倍受关注，Siemens报道了面积为3600cm2电池转换效率达到11.1％的水平。美国国家可再生能源实验室提供了Solar Cells lnc的面积为6879cm2CdTe薄膜太阳电池的测试结果，转换效率达到7.7％；Bp Solar的CdTe薄膜太阳电池，面积为4540cm2，效率为8.4％，面积为706cm2的太阳电池，转换效率达到10.1％；Goldan Photon的CdTe太阳电池，面积为3528cm2，转换效率为7.7％。详细情况如表1[7-11]。 表1 CdTe 薄膜太阳电池参数表[7-11]