染料敏化太阳能电池光阳极研究现状

李勇

（西藏大学理学院，西藏拉萨　850000）

染料敏化太阳能电池光阳极研究现状

李勇

（西藏大学理学院，西藏拉萨850000）

染料敏化太阳能电池作为一种新型的太阳能电池，具有制作工艺简单、生产成本低的天然优势，而且其理论光电转化效率高，是当前最具有开发潜力的太阳能电池之一。但是，就目前来说，相比硅太阳能电池、薄膜太阳能电池，该种电池的光电转化效率依然不高，因此当前需要着力提升染料敏化太阳能电池的光电转化效率，而发展光阳极是提高该种电池光电转化效率的关键。基于此，就染料敏化太阳能电池光阳极的研究现状进行总结。

染料敏化太阳能电池；光阳极；研究现状

由于传统化石能源接近枯竭以及他们的使用给环境带来的巨大污染，人类有了寻求可再生能源的强大动力。太阳能电池是新能源中最重要的一类，虽然在过去20a中，其发展迅猛并取得了巨大的成功，但与火力、水力等常规发电方式相比，当前太阳能电池发电成本依然太高，难以实现大规模开发应用。因此，当前需要提高太阳能电池的光电转换效率，降低太阳能电池的生产成本。染料敏化太阳能电池作为一种新型的太阳能电池，具有制作工艺简单、生产成本低的天然优势，而且其理论光电转化效率高，是当前最具有开发潜力的太阳能电池之一。但是，就目前来说，相比硅太阳能电池、薄膜太阳能电池，该种电池的光电转化效率依然不高。因此，当前需要着力提升染料敏化太阳能电池的光电转化效率，而发展光阳极是提高该种电池光电转化效率的关键。

1　染料敏化太阳能电池的组成

染料敏化太阳能电池主要由三部分组成：染料敏化的纳米晶多孔光阳极，载有催化剂的对电极和氧化还原电解液。光阳极材料一般采用金属氧化物半导体材料，其中锐钛矿型TiO2是最常用、性能最优异的光阳极薄膜半导体材料，当前最高能量转换效率的染料敏化太阳能电池与量子点敏化太阳能电池都是基于锐钛矿型TiO2光阳极薄膜得到的。

2　染料敏化太阳能电池光阳极发展历程

在染料敏化太阳能电池研究早期，大部分工作都是利用单晶半导体氧化物作为光阳极，为了确保染料分子激发后获得最佳的电子转移效果，电极表面只能吸附单层染料分子，对于这类电极由于表面积小，因而其表面积单分子层的光捕获能力非常低。单层染料分子敏化的太阳能电池光电转化效率大都在1%以下，且一直无法提高。1991年Gr&tzel研究小组采用纳米晶TiO2薄膜作为光阳极，将染料敏化太阳能电池的转化效率提高到7.1%，在染料敏化太阳能电池领域取得了突破性进展。介孔TiO2纳米晶薄膜提供了巨大的表面积供染料分子吸附，这使得染料敏化纳米晶半导体电极具有高光捕获率。同时，由于单分子层染料吸附到纳米晶介孔半导体薄膜上有利于电子的注入，保证了高的光电转化量子效率。1993年利用介孔纳米晶薄膜作为光阳极，Gr&tzel小组将染料敏化太阳能电池光电转化效率提高到了10%，在电池效率上再次取得重大进展。

3　染料敏化太阳能电池的当前研究现状

染料敏化太阳能电池中应用的光阳极TiO2薄膜需要保持较大的比表面积，以吸附较多的染料敏化剂。同时，薄膜需要维持一定的结构以保证电子传导率。近年来，对TiO2形貌和功能调控的研究较多，主要从薄膜和粒子形貌对电子传输和扩散的影响的角度进行分析。一维纳米结构，如纳米管、纳米棒、纳米线、纳米纤维等结构被应用于TiO2光阳极，近年来引起了研究人员的注意，Frank、Sung、Moser等均开展了相关工作，目前相关研究取得了一定的成效，目前基于单纯纳米管或纳米管复合结构的光阳极染料敏化太阳能电池效率达到了7%～9%，但是纳米管很难进行大规模生产限制了其应用［1-3］。综合来看，一维纳米结构的长度目前无法达到所需的厚度，而且他们的比表面积小于纳米粒子薄膜，因此导致基于一维纳米结构的染料敏化太阳能电池的光电性能整体偏低。纳米晶体的聚集体是由纳米晶粒组装形成的球形结构，直径尺寸在微米级，由于这种聚集体保持了较高的比表面积，且具有光散射效果，可以更好地利用入射光。另外，球体间的孔道有利于电解液的扩散，且在聚集体内每个纳米晶体与本体相连，降低了电子的晶界复合，因此该种结构可以具有较高的电子传导率。Lee、Caruso等对纳米晶TiO2聚集体在染料敏化太阳能电池中的应用进行了研究，分别获得了8.44%、7.22%的转换效率［4］。

TiO2中的光生电子与电解液中的氧化性离子发生复合是染料敏化太阳能电池能量损失的重要原因。电子复合的位点主要在TiO2存在的表面态和氧空穴处，且氧空穴有可能对光敏染料产生劣化作用，降低电池的稳定性，因此需要设法减小表面态和氧空穴。对TiO2进行掺杂改性是减小表面态和氧空穴的有效途径。掺杂改性的元素主要分为非金属元素和金属元素。非金属元素掺杂改性主要利用与氧原子大小接近的N、B、C、S等，其中以N元素掺杂改性取得的效果最为明显，研究最多。Yang等制备了一系列TiO2-xNx光阳极，使染料敏化太阳能电池的性能得到提升［5］。Dai等发现基于TiO2-xNx光阳极染料敏化太阳能电池中电子的复合得到明显抑制，且电池的稳定性得到提高。除了非金属掺杂改性外，利用金属原子替代Ti原子的掺杂改性对电池性能的提高也起到了积极的作用，使用金属掺杂改性可以调节TiO2的物理性质，进而调控电池的Voc和FF等性质。但是，Voc得到提升的同时会导致Jsc的降低，而且金属掺杂会引入复合中心，对电池的长期稳定性的影响还需进一步研究。

［1］Kongkanand A，Tvrdy K，Takechi K，et al.Quantum dot so⁃lar cells.Tuning photoresponse through size and shape control of CdSe-TiO2architecture［J］.Am C hem Soc，2008（12）：4007-4015.

［2］Kang SH，Choi SH，Kang MS，et al.Nanorod-based dyesensitized solar cells with improved charge col-lection efficiency［J］.Adv Mater，2008（20）：54-58.

［3］Ghadiri E，Taghavinia N，Zakeeruddin SM，et al.En⁃hanced electron collection efficiency in dye-sensitized solar cells based on nanostructured TiO2hollow fibers［J］.Nano Lett，2010（5）：1632-1638.

［4］Kim YJ，Lee MH，Kim HJ，et al.Formation of highly effi⁃cient dye-sensitized solar cells by hierarchical pore generation with nanoporous TiO2spheres［J］.Adv Mater，2009（21）：3668-3673.

［5］Kang SH，Kim SH，Kim JY，et al.Enhanced photocurrent of nitrogen-doped TiO2Film for dye-sensitized solar cells［J］.Ma⁃ter.Chem Phy，2010（1）：422-426.

Dye Sensitized Solar Cell Light Anode Current Research Status

Li Yong
（Faculty of Science，Tibet University，Lhasa Tibet 850000）

As a new type of solar cell，dye sensitized solar cell has the advantages of simple production process and low production cost，And its theoretical photoelectric conversion efficiency is high，it is currently one of the most de⁃velopment potential of solar cells.However，at present，compared to silicon solar cells，thin film solar cells，the photo⁃voltaic conversion efficiency of the battery is still not high，so it is needed to enhance the photoelectric conversion ef⁃ficiency of the dye sensitized solar cells，and development of light anode is the key to improve this kind of battery pho⁃toelectric conversion efficiency.Based on this，the research status quo of dye sensitized solar cell light anode were summarized.

dye-sensitised cells；light anode；research status

TM914.4

A

1003-5168（2016）08-0129-02

2016-07-23

李勇（1981-），男，硕士，讲师，研究方向：染料敏化太阳能电池。