染料敏化太阳电池中光阳极的研究进展

党威武

（陕西国防工业职业技术学院机械工程学院，陕西西安710300）

染料敏化太阳电池中光阳极的研究进展

党威武

（陕西国防工业职业技术学院机械工程学院，陕西西安710300）

染料敏化太阳电池（dye-sensitized solar cell，DSC）的光阳极作为其重要的组成部分，在近些年的研究中取得了较大的进展。常用作光阳极的氧化物包括TiO2、ZnO、SnO2、Nb2O5、A12O3等，其中，TiO2因为综合性能表现突出，成为主要研究的光阳极材料。特别是TiO2纳晶薄膜的性质、形貌、结构等均会对DSC光电性能产生较大影响，其性质调节主要通过表面处理、修饰、掺杂等手段，而不同形貌纳米TiO2的研究主要表现在一维结构上，如纳米线、纳米棒等，本文就这些方面的研究情况进行简单归纳总结，分析影响电池性能的关键因素，并对如何更全面、更深入的提高DSC光电性能作简要展望。

TiO2；光阳极；光电转化效率；染料敏化太阳电池（DSC）

染料敏化太阳电池（dye-sensitized solar cell，DSC）作为一个新兴的电池领域，因其制作简单、价格低廉、绿色环保等特点，在近些年得到快速发展。其结构主要包括光阳极、敏化剂、电解质、对电极四部分，其中，光阳极部分是由半导体氧化物构成的纳米结构薄膜，其形貌结构、表面性质对染料分子的负载及电子的接受、传递有较大影响，而这些对DSC光电性能会产生重要的作用。因此，科研工作者通过制备不同形貌结构的氧化物纳米结构薄膜以及修饰或掺杂等手段调节薄膜性质来优化光阳极，以获得较高光电转化效率的DSC。

2 TiO2光阳极对DSC性能影响研究现状

2.1 实验条件的影响

Srikanth等人[10]利用溶胶凝胶法制备TiO2胶体，并将其旋涂至透明导电玻璃上制成电池光阳极。文中探究胶体中的添加剂聚乙二醇含量以及浓缩时的温度分别对DSC光电性能的影响。结果发现，当聚乙二醇占TiO2含量的40%时，电池性能最佳，当温度为40℃时，DSC光电转化效率最高，原因是TiO2纳米颗粒的聚集状态受浓缩温度影响较大。

Huang等人[11]利用溶胶凝胶水热法制备TiO2胶体，研究发现，随着水热反应温度的升高，制得的TiO2薄膜光阳极的孔隙直径线性增加，而比表面积减小，当反应温度为240℃时，将产物用作DSC光阳极并组装电池，测试比较得出，该温度下DSC的光电性能最佳。同时，文中讨论了TiO2薄膜厚度对电池性能的影响，结果显示，当厚度处于10μm以下时，DSC光电转换效率随着薄膜厚度的增加而增大，然而，当厚度超过10μm时，电池的光电转换效率基本保持不变。

2.2 纳米结构的影响

Jiu等人[12]采用水热法以十六烷基三甲基溴化铵为表面活性剂成功制得TiO2纳米棒，其直径在20～30nm之间，长度在100～300nm之间，相结构为锐钛矿型，将其用作DSC光阳极材料，通过多次涂膜法，制成厚度为16nm的薄膜电极，组装电池后测试显示，电池的光电转化效率较好，约为7.29%。

Gopal等人[13]在透明导电玻璃上利用阳极氧化法制备出垂直定向生长的TiO2纳米管阵列，孔径约46nm，壁厚约17nm，长度为360nm，将其制成DSC光阳极，结果显示，电池的光电转化效率为2.90%，短路电流高达7.87mA·cm-2。与纳米颗粒薄膜电极比较，发现排列有序的TiO2纳米管阵列薄膜更有利于电子的传输和转移，具有较长的电子寿命。

2.3 表面处理或修饰的影响

Poulomi等人[14]将纯度为99.6%的厚度为0.1mm的钛箔浸入乙二醇电解质溶液中，制备出TiO2纳米管阵列，制成DSC光阳极后，测得电池的光电转化效率为1.90%，然而，当用TiCl4对TiO2纳米管阵列薄膜处理后，见图1，测试发现，电池的光电转化效率提高至3.80%，可见，经过TiCl4处理的光阳极对电池性能的提升具有一定作用。

图1 TiO2纳米管阵列SEM照片，（a）和（c）为TiCl4处理前，（b）和（d）为TiCl4处理后Fig.1 SEM images of prepared TiO2nanotube arrays,（a）（c）before,and（b）（d）after treated by TiCl4

表面包覆作为一种常用且重要的纳米氧化物表面修饰技术，能利用纳米TiO2与其表面包覆具有较高导带位置的半导体或绝缘体形成势垒达到有效抑制电子复合的目的，从而提高DSC光电转化效率。Lin等人[15]制备出TiO2表面包覆ZnO的核-壳结构薄膜光阳极，在81.0mW·cm-2白光的照射条件下，其DSC的光电转化效率为9.80%，短路电流和开路电压分别为21.30mA·cm-2和0.71V。目前，这种核-壳结构的表面修饰是研究的一大热点，对电池光电转化效率与表面包覆氧化物的厚度、覆盖度等因素的关系也正在研究和探索之中。

Lee等人[16]在TiO2纳米薄膜中分别掺入W和Al，并制成DSC光阳极，结果发现，掺Al的DSC表现为短路电流减小、开路电压增大，而掺W的DSC性能表现刚好相反，原因为TiO2纳米颗粒掺入W以后，其团聚状态发生改变，并且，染料分子的负载量增加，电子的传输能力得到增强，表现为短路电流增加。

3 总结与展望

综上，科研工作者对DSC光阳极的研究主要包括TiO2薄膜性质调节和纳米结构控制，因为薄膜性质对电荷注入、传递均会产生较大影响，通过表面处理、修饰、掺杂等方法优化纳晶薄膜性质，使电子的注入以及在传输过程中的损失达到最小。另外，光阳极纳米结构的可控制备是改善电池光电性能的另一重要途径，随着研究的不断深入，研究者已经将光阳极薄膜构筑结构的目光从纳米颗粒转变至一维纳米结构，如纳米线、纳米棒、纳米管等纳米氧化物薄膜光阳极，因为一维纳米结构能提高光生电子空穴对的分离和传递效率。

除此之外，光阳极对染料分子的负载率、入射光的吸收率和利用率，特别是纳米氧化物的结构、形貌对入射光的散射效应都会对DSC光电性能产生重要的影响，因此，要提高DSC光电转化效率还需要更全面和深入的研究，也包括对DSC其他组成部分的探究和优化，如电解液、敏化剂、对电极等，近些年，这些方面的研究也都在如火如荼的进行着，这样，才有可能让DSC从实验室走向我们的实际生产生活中，从能源利用、绿色环保等方面加速人类社会的进步。

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Research progress for photoanode of dye-sensitized solar cell

DANG Wei-wu
（College of Mechanics,Shaanxi Institute of Technology,Xi′an 710300,China）

In recent years,there are great research progress about photoanode,which is the important component of dye-sensitized solar cell（DSC）.Some kinds of oxides are used commonly to prepare photoanode,with including TiO2,ZnO,SnO2,Nb2O5,A12O3and so on,TiO2has become the main research material among them,because of its outstanding performance.Especially the properties,morphology,structure of nanocrystalline TiO2can have a greater impact on the photoelectric properties of DSC,its properties is regulated mainly by surface treatment,modification,doping method and so on,and the morphology study is mainly manifested in the one-dimensional structures for TiO2nanomaterials,such as nanowires,nanorods.In this paper,these aspects of researches have summarized simply,with analyzing the key factors affecting cell performances,and a brief outlook has been completed about how to improve more overall and more deep photoelectric property of DSC.

TiO2；photoanode；photoelectric conversion efficiency；dye-sensitized solar cell（DSC）

TM914.4

A

1002-1124（2014）10-0054-03

2014-05-22

党威武（1985-），男，陕西渭南人，助教，2011年毕业于陕西师范大学材料物理与化学专业，硕士，主要从事纳米材料制备与应用、精密机械与测量等方向研究。