天然色素敏化太阳能电池的研究进展

赵兴隆

(通化师范学院化学学院,吉林白山 134002)

天然色素敏化太阳能电池的研究进展

赵兴隆

(通化师范学院化学学院,吉林白山 134002)

简单回顾了近年来我国的科技工作者在天然色素敏化太阳能电池领域进行的一些探索,并对其未来发展趋势进行了展望。

DSSC 天然色素 敏化

由于科技的飞速发展,石油、煤炭等不可再生资源日益减少,对可再生新能源的研究迫在眉睫。地球的能源,几乎全部来自于太阳,但人类对太阳能的直接利用还处在初级阶段。现代采用太阳能光伏发电,它的核心器件是太阳能电池。1839年,法国科学家E．Becquerel发现液体的光伏现象,1877年W．G．Adams等研究了硒的光伏效应,并制作第一片硒太阳能电池,1954年贝尔实验室研究人员D．M．Chapin等报道4．5%效率的单晶硅太阳能电池。随后,人们模仿光合作用原理,开发出了新型太阳电池,即染料敏化太阳电池DSSC。其主要优势是:原材料丰富、成本低、工艺技术相对简单,在大面积工业化生产中具有较大的优势,同时所有原材料和生产工艺都是无毒、无污染的,对保护人类环境具有重要的意义。1991年,Brian等于《Nature》上发表了关于染料敏化纳米晶体太阳能电池的文章以较低的成本得到了＞7%的光电转化效率,为利用太阳能提供了一条新的途径。目前,DSSC的光电转化效率已能稳定在10%以上,且其制造成本仅为硅太阳能电池的1/5～1/10。从天然的动植物、矿物中提取天然色素, 在其中寻找合适的光敏化剂,已成为该领域的一项重要工作。天然色素具有可再生的特点,不会消耗煤、石油等资源。我国的科技工作者在这个领域进行了大量的工作,现将近年来一些研究进行综述。

2013年,清华大学的林红等人从高原金莲花中提取天然染料[1],通过紫外光谱和红外光谱确定其主要成分为花色苷。研究发现,在pH=5时,该天然染料敏化太阳能电池的光电转换效率最高,达到0．292%(如图1所示)。

图1 不同酸碱性条件下花色苷结构

2013年,西藏大学的次仁央金等,通过萃取西藏林芝核桃果皮、江孜沙棘果实以及拉萨紫草根部的天然色素,分析研究了西藏天然色素光吸收性能；利用以上3种天然色素以及它们的混合色素,研制了染料敏化太阳能电池[2]。结果表明,核桃与紫草的混合色素DSSC电池效率最高,达到8．2%。

图2 鸭跖草色素的可见光吸收光谱图

2013年,华侨大学的兰章等人,以葡萄皮乙醇提取液作为敏化剂用于染料敏化太阳能电池[3],光电转换效率达到0．81%。在酸性介质中的吸光谱能较好的满足太阳能电池对吸光的需求。采用稀盐酸处理阳极膜的方法,使染料与膜结合性能提高,光电装换效率达到1．43%。

2014年,沈阳建筑大学的高旭等人,从不同种类的植物中提取了十一种天然染料,组装成天然染料敏化太阳能电池,并检测其光电性能,最后对各个天然染料敏化太阳能电池的光电性能进行分析[4]。结果采用蓝莓制备的染料作为光敏剂敏化的太阳能电池在所研究的十一种染料中表现出最好的光电性能,其光电转化效率达到1．11%。

2014年,海南大学的林仕伟等人,以高度有序TiO2纳米管阵列作为光阳极,鸭跖草色素作为敏化剂制备了天然染料敏化太阳能电池[5]。阳极氧化6h制备的TiO2纳米管作为电极的电池的光电转换效率约达0．52%。利用紫外－可见光光谱仪研究鸭跖草色素的光吸收性能。研究表明适当提高TiO2纳米管长度可以有效提高天然染料敏化太阳能电池的光电性能(如图2所示）。

天然染料由于低成本、环境友好、可再生等优点,成为最佳敏化剂之一。近年来,不同的天然染料作为DSSC的敏化剂,使得天然染料在可见光区吸收效率逐渐提高。但是天然染料作为太阳能电池的敏化剂还有一些不足之处,主要是电池效率目前还较低。未来想要在这个领域发挥更大的作用,可从以下两方面着手:

(1)探索更多的天然色素作为敏化剂的效果；

(2)对天然色素进行简单、绿色的化学修饰,改变其光电性质,或增加其与纳米TiO2的结合能力。

太阳能是21世纪的能源,希望天然色素敏化太阳能电池这项绿色、环保、可再生的技术,在不久的未来能够帮助人类克服能源危机,创造更大的生产力。

[1]林红等.pH值对金莲花染料敏化太阳能电池性能的影响[J].物理化学学报,2013,29(3):539-545.

[2]次仁央金等.天然色素染料敏化太阳能电池的制备[J].材料导报,2013,27(22):120-122.

[3]兰章等.葡萄皮天然色素在染料敏化太阳能电池中的应用[J].化学工程与装备,2013,(8):04-06.

[4]高旭等.单一天然染料制备染料敏化太阳能电池[J].沈阳建筑大学学报(自然科学版),2014,30(2):283-290.

[5]林仕伟等.鸭跖草色素敏化TiO2纳米管太阳能电池的研究[J].化工新型材料,2014,42(3):39-41.