1、染料敏化太阳能电池发展与研究染料敏化太阳能电池发展与研究12背景：能源情况 我国是一个多煤少油少气的国家,煤储量大概还能使用200年，油气储量大概只有50-60年。全球的主要能源依然是化石能源，而化石能源作为一种不可再生能源，其储量极其有限且远不能让该满足人类社会高速发展的需求，能源需求量连年增长，现在的消耗量较上世纪末已增长了十几倍。化石能源主要有煤炭石油天然气。3核能 铀矿稀少，现在的裂变技术，原料消耗后不可再生；聚变（人造太阳）技术技术难度大。安全问题：福岛核电站事故，谈核色变。截至2014年12月31日，全球共有437个运行中核动力堆2（含实验堆，下同），71座在建动力堆，150座永久
2、关停动力堆，2座长期关停动力堆。技术问题，一般国家因技术问题难以实现。大多数集中在发达的工业国家。4未来的能源是什么，如何解决？Solar energy！5可再生能源67 单晶硅电池工艺最为成熟，目前是应用最为广泛的太阳能电池。在大规模应用和工业生产中仍然处于主导地位。但其制造对于硅材料的要求高，使得加工过程繁琐而复杂，导致其价格昂贵，居高不下，很难降低其成本，为了寻求既有高效的光电转换效率，身产成本又较低的太阳能电池，人们进行了诸多的尝试。8染料敏化太阳能电池 由于硅基电池工艺成本较高，需要发展其替代品。1991年，瑞士洛桑高等工业学院的Michael Gratzel教授领导的研究小组在Na
3、ture上发表了一种价格低廉的染料敏化太阳能电池（Dye-Sensitized Solar Cell，简称DSSC）。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。9DSSC原理与结构 形象的来说，dssc就像是人工模拟光合作用，植物中的叶绿素被染料敏化剂代替，而半导体膜则代替了树叶中的磷酸类脂膜。染料敏化太阳能电池主要有制备在导电玻璃上的半导体薄膜，敏化剂分子，电解质，对电极组成，其中制备在导电玻璃上或透明导电聚酯片上的纳米半导体薄膜作为光阳极。不同于传统的硅
4、基太阳能电池，DSSC的光吸收与电子分离传输分别是由不同的物质完成的，光吸收是靠吸附在纳米半导体薄膜表面的敏化剂完成的，半导体仅仅起到传输载体和电荷分离的作用，他的载流子不是由半导体产生而是染料敏化剂产生。10DSSC原理11DSSC原理 DSSC的光电转换不同于p-n结的固态太阳能电池，它的光吸收与光生电荷过程是分开的。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，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表面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
5、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。12纳米半导体电极 多孔纳米电极 常用多孔纳米电极：TiO2,SnO2,ZnO等 在DSCS中，早期应用的有致密薄层的TiO2以及纳米多孔结构的TiO2薄膜，由于致密薄膜对于染料的吸附效率低，后来基本被多孔的纳米材料所代替。13染料敏化剂染料分子是DSC的光捕获天线，其性能是决定电池效率的重要因素之一。理想的染料分子应该具有以下的性能：能够吸收更广波长范围内的光，这
6、样才能充分利用太阳光。光敏化染料分子应该具有羧基，磷酸基等官能团，这样才能牢固的附着在氧化物半导体的表面上。染料分子的激发态能级必须与半导体材料的导带能级相匹配尽可能减少电子转移过程中的能量损失，量子产率应接近于1。染料分子的氧化还原电位应尽量与电解质溶液的氧化还原电对的电位相匹配，以保证染料分子的再生。染料的再生次数必须足够多，以保证电池一定得使用寿命。14染料敏化剂 现在普遍认为过渡金属钌（Ru）的配合物具有较宽的光吸收谱带以及较长的光激发寿命，是目前使用较为广泛的染料敏化剂。N3染料，1993年由Gratzel小组合成的一种多吡啶燃料，钌的络合物敏化剂，其在当时的转化率达到10.6%，被
7、称为黑色燃料。15电解质溶液 电解质溶液在染料敏化太阳能电池中起着传输电子和再生染料的作用；使用电解质溶液，其光电转换效率较高，但是电解质溶液也存在着很多显著的问题：1.有机溶剂的沸点低，容易挥发，电池不能长期稳定的工作。2.使用液体电解质的封装工艺复杂，易造成电解质泄露，且电解质的封装效果影响其性能。3.电解质会对附着的敏化剂产生影响，导致其脱离附着面使电池失效。16对电极 对电极也就是光阴极，由透明导电的SnO2构成，主要由于吸收电子。对电极除了是光阴极以外，还有一个主要的作用是是催化作用，加速电解质和光阴极的电子交换速度，这就要求对电极进行修饰，以提高其催化性能。目前采用的主要有C修饰，
8、Pt修饰以及其他金属修饰。17开路电压填充因子能转换效率单色光转换效率短路电流性能参数18为提高电池转换效率1 寻找制备半导体光阳极薄膜，增大TiO2比 表面积和改善TiO2表面活性。2 电子在TiO2薄膜中的传输阻力大。可寻找可以替 代TiO2的其他半导体材料。3 合成和发展光谱响应范围更 宽、成本更低、效率更高、稳定性更好的染料敏化剂19染料敏化太阳能电池现阶段发展的新技术 无机-有机混合结构已经成为下一代染料敏化太阳能电池的创新替代品，因为它们结合了两个系统的优点。钙钛矿型染料敏化太阳能电池近来研究十分热门，其高转换效率引起了人们的关注。寻找更为高效的光敏染料一直是解决DSSC问题的关键
9、。202122光热稳定性卟啉配合物高摩尔吸光系数和转换效率化学稳定性特殊的电子结构和光电性能232010年，M.Grantzel等人合成了具有推拉电子（D-A）结构的的锌卟啉YD一2以二芳胺作为电子给体，卟啉作为共轭体系桥，炔基苯甲酸作为电子受体。光电转换效率达到11随后，MGratzel等对染料YD一2进一步优化，将与卟啉环相联的苯环上的叔丁基改为烷氧基。2014年，M.Grantzel等人合成了一种新的具有D-A结构的锌卟啉染料：SM315与SM371。这两种高性能染料比之前的YD-2具有更加良好的性能。SM315通过在染料结构中引入BTD官能团使得其具有更宽的吸收带。24大体积的胺供体和
10、4-乙炔基苯甲酸作为卟啉的官能团，得到绿色染料SM371，其效率达到12%。将啉苯并噻二唑（BTD）单元结合到该结构中去，得到染料SM315，是一种全色的卟啉敏化剂，其在绿光（500-600nm）和红光（大于800nm）的区域吸收有明显的增强，最终其效率达到了13%25 经过试验SM315也具有良好的稳定新，全日照强度下浸泡500小时，电池基本保持在他的最大功率点，甚至暴露在强烈的阳光下500小时的光浸泡，SM315经历了超过一百万次周转，没有表现出任何显着的稳定性损失。Gratzel等人的这一成果在解决锌卟啉染料在光谱比较窄、热稳定性不足，光吸收强度不够等问题的方面迈出了一大步。26钙钛矿太
11、阳能电池 钙钛矿太阳能电池是一种在染料敏化太阳能电池基础上发展起来的一种新型的太阳能电池。其在光照条件下极易发生电子空穴对的分离，其分离效率高，用其代替传统的染料敏化剂，是电池效率极大提高。染料敏化型钙钛矿电池结构27针对液态电解质在钙钛矿太阳能电池中使用存在的诸多问题，Kim等设计了一种全固态的钙钛矿太阳能电池。在其设计的太阳能电池中，其使用固态的有机空穴半导体（Spiro-OMeTAD）代替传统的液态电解质作为空穴传输材料，用蒸镀的银电极为对电极，得到了 9%的光电转化效率。正因为Spiro-OMeTAD的引入，钙钛矿太阳能电池得到了快速的发展。钙钛矿太阳能电池28 Burschka等人在
12、优化TiO2薄膜结构的基础上，提出了用两步法沉积CH3NH3PbI3，即先在介孔氧化钛表面旋涂PbI2，然后再将其浸泡在CH3NH3I的溶液中，使其反应生成CH3NH3PbI3。用这种方法制备的钙钛矿太阳能电池的光电转化效率高达15%。钙钛矿太阳能电池29 Burschka等人的钙钛矿太阳能电池的结构如上图。其主要包含导电玻璃50100 nm的致密氧化钛层、200500 nm的介孔氧化钛层、像染料分子一样吸附在介孔氧化钛表面的钙钛矿材料、光生空穴的传输载体有机空穴半导体材料以及对电极金或者银。由光电性能曲线知短路电流密度为 0.02 A/m2，开路电压为 993mV，填充因子为 0.73，光电
13、转化效率高达 15.0%钙钛矿太阳能电池30对比用一步法制备CH3NH3PbI3，采用两步法时，由于碘化铅具有较好的涂覆性能，使钙钛矿分子能够充分覆盖TiO2表面，减TiO2的裸露。为了进一步改善和提高染料敏化型钙钛矿太阳能电池的性能，研究者从各个角度对染料敏化型钙钛矿太阳能电池做了相应改进。空穴传输材料光阳极光吸收材料钙钛矿太阳能电池31 QIN P,PAEK S等设计了一种新型的基于喹嗪啶的有机空穴传输材料，这种材料性能与Sprio-OMeTAD相当，而且不需要添加其他助剂。Jeon等研究了以聚三苯胺（PTAA）为空穴传输材料的钙钛矿太阳能电池，获得了16.22%的光电转化效率。光吸收材料
14、方面而言，Pang等首次采用同为钙钛矿结构NH2CH=NH2PbI3为光吸收层，制备出了光电转化效率为7.5%的钙钛矿太阳能电池。光阳极方面Kim等人采用锐钛矿的微米氧化钛阵列，制备出了光电转化效率为9.4%的钙钛矿太阳能电池。钙钛矿太阳能电池32量子点电池 由于液态的染料敏化剂在封装，稳定性方面有着其不可忽视的缺陷，因此固态电池成为一种趋势。然而全固态化的主要问题是其效率难以提高，而钙钛矿，量子点电池的出现给染料敏化太阳能电池指出了一条得到高效全固态化的道路。量子点电池33二维平面钙钛矿太阳能电池 二维平面钙钛矿太阳能电池是指太阳能电池中不需要三维空间骨架材料作为支撑材料的钙钛矿太阳能电池。
15、结构主要包括FTO导电玻璃基板、致密氧化物层（ZnO、TiO2）钙钛层(CH3NH3PbI3)等，Spiro-OMeTAD有机空穴传输层以及金属电极。二维平面钙钛矿太阳能电池34二维电池的优势 与带有空间三维骨架的钙钛矿太阳能电池相比，二维平面钙钛矿太阳能电池的结构得到了很大简化，采用现有成熟的镀膜工艺即可制备出具有良好界面的二维平面钙钛矿太阳能电池，并且电池内部的缺陷也可以通过特定的镀膜工艺来得到控制，这些都是制备高性能太阳能电池的必要条件，因此二维平面钙钛矿结构的太阳能电池有很大优势。35二维平面钙钛矿太阳能电池进展 现在人们采用具有较高导电性的P3HT为空穴传输材料，制备出了光电转化效率
16、超过10%的二维平面钙钛矿太阳能电池。为了拓展二维平面钙钛矿太阳能电池的应用以及降低其制备成本，用PEDOT:PSS薄膜代替传统致密氧化钛、氧化锌薄膜，在常温下制备出了全有机的钙钛矿太阳能电池，并且得到了12%光电转化效率，这也为柔性钙钛矿太阳能电池的制备提供了思路。采用分子自组装的方法，以此提高太阳电池的电子空穴分离效率，该抽空穴材料在常温下即可被制备，能够方便地被引入到柔性钙钛矿太阳能电池中。36存在的问题 但是目前钙钛矿太阳能电池的稳定性还有待提高，这主要是由于CH3NH3PbI3在空气中不太稳定，使得制备的太阳能电池的长期稳定性得不到保障。现今钙钛矿太阳能电池的研究还主要集中在如何提高
17、光电转化效率上，其长期稳定性的解决可以通过一定封装技术来实现，目前这方面的研究还较少。钙钛矿太阳能电池要走向商业化，电池的封装技术是必然面临和亟待解决的问题。37总结染料敏化太阳能电池一直是太阳能发电领域研究的一个重要方向，与硅化太阳能电池相比，无论是在制造成本上，还是在光电转换效率上，都拥有很大优势，且在未来拥有无限的可能性，科技与商业价值均很高，同时也符合全世界倡导的低碳环保的主题与国家提倡的建设节约型社会的目标。我国在该领域的研究也早已展开，并获得一定成果，但与国外相比，仍存在一定差距，这不仅在理论上，还在实践中，我们还有更大的提升空间。38总结制造成本是染料敏化太阳能电池的竞争优势，但
18、也会在一定程度上受稀土矿产价格的影响，从发展角度看，合成更加稳定的染料，固态高性能，已获得稳定的实际应用能力，是突破制造成本限制的有效途径，也是今后稳定产业化发展的重点。到目前为止，实验室测出的模拟环境下的数据与真实情况相差很大。以目前的理论分析看，染料敏化太阳能的光电转换效率起码在15%以上，甚至到20%以上，且每年都有新的突破。然而，实际情况下的效果离这一数值还相去甚远，规模化应用与生产的路还不成熟。在探索染料敏化太阳能电池的道路上还有很长的路要走。3940提问与解答环节Questions And Answers41谢谢聆听 学习就是为了达到一定目的而努力去干,是为一个目标去战胜各种困难的过程,这个过程会充满压力、痛苦和挫折Learning Is To Achieve A Certain Goal And Work Hard,Is A Process To Overcome Various Difficulties For A Goal42
