国际纳米太阳能电源研制技术新动向-太阳能新能源论文(1)

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翻新时间：2022-08-21

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国际纳米太阳能电源研制技术新动向-太阳能新能源论文(1)

摘要：该文简要介绍了染料敏化纳米晶体光电化学太阳能电池（简称NPC电池）的发展历程、组成结构、工作原理和性能特点，并着重对纳米晶体光电化学太阳能电池染料敏化剂的技术特性和研究态势进行了探讨。在此基础上，提出了一些值得深入研究的问题，并分析了其解决对策。

论文关键词：纳米晶体；太阳能电池；染料敏化剂光电化学太阳能电池是根据光生伏特原理，将太阳能直接转换成电能的一种半导体光电器件，是伴随着半导体电化学发展起来的一个崭新的科学研究领域。从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以来，光电化学研究倍受关注。

20世纪60年代，德国Tributsch发现染料吸附在半导体上并在一定条件下产生电流的机理，成为光电化学电池的重要基础。1971年Hond's 和Fujishima用TiO2电极光电解水获得成功，这才开始了具有实际意义的光电化学电池的研究。

在光电池研究中，大多数染料敏化剂的光电转换效率比较低（<1％），直到最近的几项突破性研究才使染料敏化光电池的光电能量转换率有了很大提高。1991年，以瑞士洛桑高等工业学院M.Gratzel教授为首的研究小组采用高比表面积的纳米多孔TiO2膜作半导体电极，以过渡金属Ru以及Os等有机化合物作染料，并选用适当的氧化还原电解质研制出一种纳米晶体光电化学太阳能电池（Nanocrystalline Photoelectrochemical Cells，简称NPC电池）。

这种电池的出现为光电化学电池的发展带来了革命性的创新，其光电能量转换率（light-to-electric energy conversion yield）在AM 1.5模拟日光照射下可达7.1%，入射光子-电流转换效率（incident monochromatic photon-to-current conversion efficiency，IPCE）大于80％。此后，半导体光电化学电池再次成为研究热点。

1993年，Gratzel等人再次报道了光电能量转换率达10％的染料敏化纳米太阳能电池，1997年其转换效率达到了10%～11％，短路电流为18×10-3A/cm2，开路电压为720mV。 Gratzel研究小组首先使用联吡啶钌-TiO2体系使得光电转换率达10％。

虽然它具备稳定性好、激发态反应活性高、激发态寿命长等优点，但在近红外区的吸收很弱，其谱吸收光谱与太阳光谱还不能很好地匹配。因此，寻找新的染料敏化体系，使其吸收范围扩展至近红外区，以尽可能地利用太阳光能仍是研究方向之一。

NPC电池的组成结构、工作原理及性能特点 NPC电池主要由透明导电基片、多孔纳米晶二氧化钛薄膜、染料光敏化剂、电解质溶液（含超敏化剂）和透明电极组成，如其工作原理是，染料分子吸收太阳光能后跃迁到激发态，但激发态不稳定，电子快速注入到紧邻的TiO2导带，染料中失去的电子则很快从电解质中得到补偿，进入TiO2导带中的电子最终进入导电膜，然后通过外回路产生光电流。一般用来评价太阳电池的指标有，光电转换效率IPCE、短路电流Isc、开路电压Voc等。

在这里我们主要用光电转换效率IPCE来衡量太阳能电池的优劣。研究表明，只有紧密吸附在半导体表面的单层染料分子才能产生有效的敏化效率，而多层染料会阻碍电子的传输。

然而，在一个平滑、致密的半导体表面，单层染料分子仅能得到1％的入射光。因此，染料不能有效地射光是造成以往太阳能电池光电转换效率较低的一个重要原因。

光敏染料分子附在半导体TiO2表面，将提高光电阳极吸收太阳光的能力，被TiO2表面吸附的染料分子越多，则光吸收效率越高。对于入射单色光的光电转换效率IPCE可定义为：IPCE=（1.25×103×光电流密度）/（波长×光通量）= LHE（λ）Фinjηc

（1）式中：LHE（λ）为光吸收率；Фinj为注入电子的量子产率；ηc为电荷分离率。光吸收效率可进一步写成：LHE（λ）=1-10 rδ(λ) 式中：T为每平方厘米膜表面覆盖染料的摩尔数；δ(λ)为染料吸收截面积。

从式中可以看出，TiO2膜的比表面积越大，吸附的染料分子越多，光吸收效率就越高。所以，TiO2膜被制成海绵状的纳米多孔膜。