染料敏化纳米晶太阳能电池工作原理及主要材料介绍

 摘要：；联吡啶钌基染料和纳米晶TiO2是染料敏化电池的主要材料，是第三代太阳电池材料

关键词：联吡啶钌 ；纳米晶；染料敏化电池

一、介绍

光敏化太阳能电池作为第三代太阳能电池具有光电转换吕高，成本低廉的优点。目前，最高光电转换率接近11%，已经引起了全世界科学界的广泛关注。随着研究的不断的深入，光电转换率的进一步提高， 将会逐步取代以晶硅半导体材料的太阳能电池材料。

二、染料敏化太阳能电池工作原理

1.       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-。

2.       工作原理

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

研究结果表明：只有非常靠近TiO2表面的敏化剂分子才能顺利把电子注入到TiO2导带中去，多层敏化剂的吸附反而会阻碍电子运输；染料色激发态寿命很短，必须与电极紧密结合，最好能化学吸附到电极上；染料分子的光谱响应范围和量子产率是影响DSC的光子俘获量的关键因素。到目前为止，电子在染料敏化二氧化钛纳米晶电极中的传输机理还不十分清楚，有待于进一步研究。

三、染料敏化太阳能电池核心材料有两种，以下来作一一介绍

1.联吡啶钌基染料

联吡啶钌染料主要作为吸收太阳能光的“天线”，对于太阳电池的的光电转换效率和稳定性起着至关重要的作用。TiO2只能吸收波长小于375nm的紫外光，光电转换效率低，因此必须增大对全光谱范围的响应，从而提高光电转换效率。有色的有机或者无机化合物经化学键合或者物理吸附在高比表面积的TiO2纳米晶薄膜上，可以得到宽带隙敏化的TiO2。一方面不仅TiO2薄膜表面吸附单层敏化剂分子，海绵状TiO2薄膜内部也能吸收更多的敏化剂分子，因此太阳光在薄膜内部多次反射后，可被敏化剂反复吸收，提高对太阳光的利用率。 另一方面敏化作用提高了光激发的效率，扩展激发波长至可见光区域，达到提高光电转换率的目的。

联吡啶钌基染料主要包括：N3，N719，Z907，TG6，C106等，N3和N719具有其它敏化染料具有比其他敏化染料更优越的性能 ，这两种染料统称为红“红染料”。Z907是红染料的改进型，具有更加卓越的稳定性能，可使电池恒定工作1000小时以上。

2.纳米晶TiO2浆料介绍

纳米晶TiO2浆料可以采用丝网印刷技术直接印刷在基材上，是染料敏化纳米晶太阳能电池的主要材料，它是纳米晶TiO2和聚合物调配成一定流变性能的混合物。

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