染料敏化太阳能电池技术

1 前言

在诸多新能源中，太阳能以其丰富的储量、清洁无污染的优点和较小的地域限制而受到广泛关注。对太阳能的利用主要包括光热转换、光电转换和光化学能转换3种形式。太阳能电池是一种将太阳能转换成电能的光电转换器件，它可以直接为小型电器提供电能，也可以进行并网发电，因而有着十分广阔的应用前景。硅基太阳能电池是最早发展起来，并且也是目前发展最成熟的太阳能电池。经过数十年的努力。单晶硅太阳能电池的效率已经超过了25％，在航天中起着举足轻重的作用。但在民用方面目前性价比还不能和传统能源相竞争。因此，各类新型太阳能电池应运而生。

在众多新型太阳能电池中，染料敏化太阳能电池(Dye-Sensitized Sollar Cells，简称DSC)近年来发展迅速。其研究历史可以追溯到20世纪60年代，德国Tributsch发现了染料吸附在半导体上在一定条件下能产生电流，为光电化学奠定了重要基础。事实上，到1991年以前，大多数染料敏化的光电转换效率比较低(<1％)。1991年，瑞士洛桑高等工业学院的Michael Gratzel教授领导的研究小组将纳晶多孔薄膜引入染料敏化太阳能电池中，使得这种电池的光电转换效率有了大幅度的提高。相比于硅基太阳电池，染料敏化太阳能电池(DSC)具有成本低廉、工艺简单和光电转换效率较高的特点。

2 染料敏化太阳能电池的结构和工作原理

2.1 染料敏化太阳能电池的结构

图1 染料敏化太阳能电池的结构

典型的染料敏化太阳能电池的结构包括纳米多孔Ti02半导体薄膜、透明导电玻璃、染料光敏化剂、空穴传输介质和对电极。

多孔纳米TiO2薄膜是电池的光阳极，其性能的好坏直接关系到太阳能电池的效率。这种薄膜一般是用TiO2纳晶微粒涂覆在导电玻璃表面，在高温条件下烧结而形成多孔电极。

透明导电玻璃一般为ITO玻璃或TCO玻璃等，它起着传输和收集电子的作用。

染料光敏化剂是吸附在多孔电极表面的，要求具有很宽的可见光谱吸收及具有长期的稳定性。

空穴传输介质主要起氧化还原作用和电子传输作用。各种染料敏化电池的主要区别也是在于空穴传输介质的不同。

对电极一般使用铂电极或具有单电子层的铂电极，主要用于收集电子。

2.2 染料敏化太阳能电池的工作原理

染料敏化太阳能电池的基本工作原理如下：当能量低于多孔纳米TiO2薄膜禁带宽度，但等于染料分子特征吸收波长的入射光照射在多孔电极上时，吸附在多孔电极表面的染料分子中的电子受激跃迁至激发态，再注人到TiO2导带，而染料分子自身成为氧化态。注入到TiO2中的电子通过扩散富集到导电玻璃基板，然后进入外电路。处于氧化态的染料分子从电解质溶液中获得电子而被还原成基态，电解质中被氧化的电子扩散至对电极，这就完成了一个光电化学反应的过程。在染料敏化太阳能电池中，光能被直接转换成了电能，而电池内部并没有发生净的化学变化。

DSC电池的工作原理类似于自然界的光合作用，与传统硅电池不同。它对光的吸收主要通过染料来实现，而电荷的分离传输则是通过动力学反应速率来控制。电荷在TiO2中的运输由多数载流子完成，所以这种电池对材料纯度和制备工艺的要求并不十分苛刻，使得制作成本大幅下降。

3 染料敏化太阳能电池的优势

3 .1 价格和工艺优势

传统的太阳能电池的光吸收和载流子的传输是由同种物质来完成的，为了防止电子与空穴的重新复合，所用的材料必须具有很高纯度，并且没有结构缺陷，因此对半导体的工艺要求很高，导致成本难以降低。而染料敏化的光电化学电池仅在一个带上产生载流子，即阳极发生光敏化后，电子注入纳米Ti02导带，而空穴仍留在表面的染料上。因此，电荷的重新复合受到限制，从而可以使用多晶的及纯度不高的材料，工艺较为简单，成本也大为降低。目前，染料敏化太阳能电池的价格是硅太阳能电池的1/5～1/10。

3 .2 理论光电转化效率高

目前的染料敏化太阳能电池以液态电解质为主，其理论光电转化率已能稳定在10％以上，与多晶硅太阳能相比也毫不逊色，用固体有机空穴传输材料作电解质的全固态电池在单色光下，甚至能达到33％。

3 .3 其他优势

染料敏化太阳能电池具有透明度高，可以制成透明的产品；在柔性基底上制备，电池可以制成各种形态，极大的扩大了其应用范围；可以在各种光照条件下使用；对光线的入射角度不敏感，可充分利用折射光和反射光；工作温度较宽，上限可高达70℃等优点。

4 染料敏化太阳能电池存在的问题与发展前景

4.1 染料敏化太阳能电池现阶段存在的主要问题

目前，染料敏化太阳能电池(面积<0.5cm2)的光电转换效率已达到11．04％。但是对于大面积、具有实用化意义的光电转化效率一直在5％左右(最高5．9％)，面积大于100cm2的电池尚未见报道。比起传统的硅太阳能电池的转换效率仍有一定的差距，染料敏化太阳能电池的光电转化效率仍有待于提高。

目前使用较广泛的液态电解质染料敏化太阳能电池，主要采用液态有机小分子化合物溶剂，其沸点低，易挥发，流动性大，会造成给电极腐蚀、电解液泄露、寿命短等一系列问题，给电池的密封和长期使用带来困难。

染料敏化太阳能电池的发展面临的主要挑战包括以下几个方面：高效电极(光阳极和对电极)的低温制备和柔性化；廉价、稳定的全光谱染料的设计和开发；液体电解质的封装和高效固态电解质的制备及相关问题的解决等。

4.2 染料敏化太阳能电池的发展前景

由于液态电解质染料敏化太阳能电池存在一系列的问题，因此寻找合适的固态空穴传输材料来代替液态电解质，制备全固态的染料敏化太阳能电池将是一个重要的研究方向。

图2 全固态敏化二氧化钛太阳能电池结构示意图

全固态敏化太阳能电池主要由透明导电基片、致密二氧化钛层、染料敏化的多相结和金属电极组成。其中，引入致密二氧化钛层是为了防止导电基片与空穴传输材料直接接触而造成短路。染料敏化的多相结主要含多孔二氧化钛膜、染料、空穴传输材料和一些添加剂。

全固态敏化太阳能电池的工作原理是，多相结中的染料的电子受到能量低于二氧化钛禁带宽度的光激发跃迁至激发态，然后注入到二氧化钛的导带内，而染料分子自身转变为氧化态。注入到二氧化钛中的电子富集于导电基底，并通过外电路流向金属电极。处于氧化态的染料分子通过空穴传输层得到电子（或者说染料分子中的空穴注入空穴传输层，并最终到达金属电极而得到还原。与液态电解质染料敏化太阳能电池相同，在整个过程中各种物质表观上没有发生变化，而光能转化为电能。

除全固态敏化太阳能电池之外，染料敏化太阳能电池未来的发展方向还包括以下几个方面：高效电极(光阳极和对电极)的低温制备和柔性化；廉价、稳定的全光谱染料的设计和开发；液体电解质的封装和高效固态电解质的制备及相关问题的解决等。

5 总结

目前，染料敏化太阳能电池已经发展到向产业化过渡的阶段。在现有技术的基础下，进一步降低成本、提高效率和稳定性、推进工业化的进程是必然的发展趋势，染料敏化太阳能电池相对其它类型太阳能电池具有巨大的价格优势，虽然现在还存在一些问题，但我们相信在不久的将来，随着技术的进一步发展，这种太阳能电池将具有十分广阔的应用前景。