威海職業(yè)學(xué)院 景悅林

染料敏化氧化鈦光伏電池綜述

威海職業(yè)學(xué)院 景悅林

本文對DSSC(Dye)納米氧化鈦光伏電池的研究概況進行了介紹，對影響光電轉(zhuǎn)換效率的因素，如納米氧化鈦膜、敏化染料、氧化還原電解質(zhì)等做了探討。最后對光伏電池所面臨的問題進行了討論,并提出今后的研究方向。

氧化鈦；光伏電池；染料敏化；納米薄膜

基于能源消耗問題和環(huán)境污染問題，大力發(fā)展新能源技術(shù)具有重要的現(xiàn)實意義。針對采取單晶光伏電池成本高等問題，開發(fā)低成本光電活性材料，對充分利用太陽能資源有重要意義。

1 DSSC電池結(jié)構(gòu)

染料敏化光伏電池主要由導(dǎo)電基底、納米多孔氧化鈦膜、敏化劑和電解質(zhì)等組成，如圖1所示。玻璃基板內(nèi)側(cè)鍍有0.5～0.7μm的ITO（氧化銦錫），其方塊電阻為10～20Ω,透光率＞85%。光陰極還可鍍上一層Pt（鉑）（約5～10μg·cm-2)，Pt層對光的反射不僅提高了光子的吸收率,，還有助于提高載流子的收集效率。氧化鈦膜層為具有比表面積較高的納米多孔薄膜組成，厚度一般為10μm左右。DSSC電池選用的敏化劑可以采用有機染料或無機染料。電解液的選擇隨敏化劑的不同而不同，可以采用碘或碘化物的無機溶劑或有機溶劑形成的溶液，其配比對DSSC的轉(zhuǎn)化效率有較大影響。

圖1 DSSC基本結(jié)構(gòu)

2 影響DSSC電池轉(zhuǎn)換效率的關(guān)鍵因素

2.1 氧化鈦納米多孔膜

半導(dǎo)體納米晶多孔膜是光電化學(xué)領(lǐng)域中光電轉(zhuǎn)換的前沿和重要基礎(chǔ)，由于納米晶多孔膜材料沒有形成內(nèi)建的電場，可以使電解質(zhì)滲透到電極材料內(nèi)部，形成三維的半導(dǎo)體與電解質(zhì)的界面，因此提高了DSSC電池的轉(zhuǎn)換效率。當(dāng)然，提高DSSC電池轉(zhuǎn)換效率除了改變電極性能之外，也可以利用改變電極形貌來實現(xiàn)，因此有專家學(xué)者開始從研究形貌結(jié)構(gòu)方面著手，提出了垂直于TOC導(dǎo)電玻璃表面高度有序納米陣列電極材料，采取此種方法相比多孔膜要具有更好的效益，其原因：一是增加了光子的散射作用，增加傳輸路徑；二是納米陣列結(jié)構(gòu)可以降低界面復(fù)合的機會，大大提高轉(zhuǎn)換效率；三是納米陣列結(jié)構(gòu)與多孔膜結(jié)構(gòu)相比，各納米孔洞之間具有更高的連通率，更容易滿足電解液在光照條件下傳質(zhì)動力學(xué)的要求；四是發(fā)展此種方法可以有利于發(fā)展固態(tài)半固態(tài)的電解質(zhì)，實現(xiàn)研究的創(chuàng)新發(fā)展。例如美國CraigA．Grimes等用陽極氧化鈦的方法制備了納米氧化鈦孔陣列。

2.2 染料敏化劑

染料敏化劑是整合DSSC電池轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵因素，其價值在于能吸收可見光，因此可以說染料性能好壞關(guān)系到整合DSSC電池的效率，。根據(jù)實驗，染料敏化劑應(yīng)該滿足以下因素：一是要求染料敏化劑中含有與氧化鈦相結(jié)合的官能團，這樣其就可以吸附在氧化鈦表面上，實現(xiàn)對可見光的吸收；二是具有足夠長的激發(fā)態(tài)，并且要求具有較高的電荷傳輸效率，這樣就可以延長電子空穴分離時間進而延長電子空穴分離時間，提高電子的轉(zhuǎn)換效率。，例如具有足夠長的激發(fā)態(tài)之后，就可以在一定單元時間內(nèi)更多地促進電池轉(zhuǎn)換，進而提高轉(zhuǎn)換效率；三是激發(fā)態(tài)具有較強的穩(wěn)定性，并且具有氧化還原電勢，這樣可以保證染料激發(fā)態(tài)電子進入到氧化鈦導(dǎo)帶中。

2.3 電解質(zhì)

電解液對DSSC電池轉(zhuǎn)換效率的影響非常大，電解質(zhì)的作用則是促使氧化態(tài)染料重生。目前應(yīng)用到DSSC的電解質(zhì)主要分為液態(tài)和固態(tài)電解質(zhì)兩種。根據(jù)相關(guān)實驗，針對染料敏化光伏電池的電解質(zhì)主要采取的是液態(tài)電解質(zhì)，而選擇的液態(tài)電解質(zhì)為氧化還原對為I3-/I-。選擇該種類主要具有以下優(yōu)點：電解速度快，成分容易被調(diào)節(jié)，具有良好的滲透性，能夠大大提高DSSC電池的轉(zhuǎn)換效率，一般轉(zhuǎn)換效益為11.1%。當(dāng)然我們也要清晰地認識到其所存在的缺陷：液體電解質(zhì)容易導(dǎo)致薄膜上的染料解吸，影響電池穩(wěn)定性，電解質(zhì)容易發(fā)生化學(xué)變化，影響電池的轉(zhuǎn)換效益，采取液態(tài)電解質(zhì)需要較高的封閉工藝，一旦密封工藝不嚴格就會導(dǎo)致電池失效。由此可見，固態(tài)電解質(zhì)能夠有效地消除上述問題，根據(jù)實踐效果看，由于固態(tài)電解質(zhì)能夠有效地避免上述的問題，固態(tài)電解質(zhì)可成為DSSC電池轉(zhuǎn)換電解質(zhì)的首選。根據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)調(diào)查，固態(tài)電解質(zhì)的應(yīng)用效率已經(jīng)達到5.0%，雖然該數(shù)據(jù)遠遠低于液態(tài)電解質(zhì)的應(yīng)用效率，但是隨著對固態(tài)電解質(zhì)研究的深入，該技術(shù)會越來越成熟。

3 主要問題和發(fā)展對策

（1）納米氧化鈦膜的制備。電子在傳輸?shù)倪^程中容易出現(xiàn)電子受體復(fù)合而引起電流損失，因此對于該問題，需要深入的研究，例如當(dāng)前就著重從優(yōu)化納米晶膜進而保證在電子傳輸?shù)倪^程中降低損耗著手，以提高轉(zhuǎn)效率。根據(jù)當(dāng)前研究方法，積極探索多種半導(dǎo)體復(fù)合膜式熱電。

（2）固體空穴傳輸材料問題。根據(jù)影響DSSC電池轉(zhuǎn)換的因素，研究電解質(zhì)的替代品是研究的重點，也是實現(xiàn)DSSC光伏電池普及化的基礎(chǔ)。

總之基于當(dāng)前環(huán)境污染問題，大力發(fā)展DSSC電池是新能源技術(shù)發(fā)展的必然趨勢。隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，DSSC電池將會在市場中得到良好的應(yīng)用，深入研究DSSC電池轉(zhuǎn)換效率對普及該技術(shù)具有積極的意義。

[1].Lee K M,H su C Y,et al.H ig hly po ro us PProDOT-Et2 film as counter electr ode fo r plastic dye-sensitized so larcells [J].Phys Chem Chem Phy s,2010,11:3375.