DSSC理论认知

2017-03-20李滑兵中山市技师学院广东中山528400

化工管理 2017年6期

关键词：激发态导带敏化

李滑兵(中山市技师学院,广东中山 528400)

DSSC理论认知

李滑兵(中山市技师学院,广东中山 528400)

描述了DSSC的基本原理；从电子转移及分子动力学角度出发，通过染料生色团分子与半导体界面构造、电子从染料生色团注入到半导体以及回传电子转移过程介绍了DSSC之光化学与光物理理论研究。

生色团分子；基态；激发态；电子注入

染料敏化太阳能电池简称DSSC（Sensitized Solar Cells）主要是指以染料敏化多孔纳米结构TiO2薄膜为光阳极的一类半导体光电化学电池。随着DSSC相关技术、材料、设备进一步突破，染料敏化太阳能电池的性价比优势在日常生产应用中能得到充分的展现，必将在太阳能电池领域占有重要一席。对它的研究将有利于缓解当今世界的能源、环境危机问题，其现实意义不言而喻。

1 基本原理

当有入射光时，染料生色团分子吸收适当的光子的能量后首先被激发，处在分子外层轨道的电子就会发生能级跃迁,从最高占有轨道(HOMO)跃迁到最低空轨道(LUMO),分子由基态变为激发态，此时染料生色团将电子注入半导体的导带，失去电子呈氧化态的染料生色团粒子被中继电解质所还原，然后中继电解质分子扩散到对电极充电，这时整个闭环电路就产生了（图1）。

图1 染料敏化太阳能电池工作原理图

1、染料生色团分子受光激发由基态(Dye)跃迁到激发态（Dye*）：

Dye+hν→Dye*

2、激发态染料生色团分子将电子注入到半导体的导带（CB）中：

Dye*→Dye++e-

3、电解质中的还原态离子还原氧化态染料可以使染料再生：

Red+Dye+→Ox+Dye

4、导带中的电子与氧化态染料之间的复合：

Dye++e-→Dye

5、导带中的电子通过Back contact（背接触）流入到外电路中：

e-(CB)→e-(BC)

6、电解质氧化态离子扩散到Counter electrode(对电极)上得到电子再次生成电解质氧化态离子：

Ox+e-(CE)→Red

上述原理中，染料生色团分子激发态的寿命越长，越有利于电子注入到半导体中，而激发态的寿命越短，激发态分子有可能来不及将电子注入到半导体的导带中就已经通过非辐射衰减而返回到基态。

2 DSSC中的电子转移及分子动力学

对染料敏化太阳能电池中发生的电子转移及分子动力学，光化学及光物理做出合理的解析，为寻找新的染料敏化太阳能电池材料提供必要的帮助。

2.1 染料生色团分子与半导体界面构造

染料生色团分子半导体结构造型主要涉及到以下几个方面：一是物质本身，二是染料生色团分子和半导体的方向，三是染料生色团分子和半导体的相对位置，四是桥键，五是溶剂，电解质等其它因素。当前，大部分染料敏化太阳能电池的研究者一般选TiO2作为半导体材料。理想的染料应满足：（1）有尽可能宽的波长响应范围和尽可能大的摩尔消光系数,这样才能捕获尽可能多的太阳光,提高DSSC对入射光的捕获效率；（2）具有羧酸根、膦酸酯等强吸附基团,使其能牢固地自组装在半导体氧化物薄膜的表面；（3）激发态能级要位于半导体氧化物导带底的能级之上,这样才有利于电子的注入；（4）染料的氧化还原电势要尽可能地高,这样染料阳离子才能够更有效地与电解质中的电子给体发生反应,获得再生；（5）要有足够的稳定性,这样才能保证DSSC很长的使用寿命[1-2]。

2.2 染料生色团分子与半导体界面电子特性

染料生色团半导体界面电子转移的速度和产率是由染料生色团和半导体态的能量，态与态之间的电子耦合及电子振动相互作用所决定的。它们通过共轭体系的π*电子轨道形成，纯有机发色团基态也是一个π态，但是过渡金属生色团的基态位于n轨道由金属未分离的电子对占据着。纯有机发色团包含大的π共轭体系在可见光谱里建立起了小的π-π*能隙。

2.3 电子从染料生色团注入到半导体

时域从头算模拟阐明了电子注入过程的许多特性，近态的从头算电子结构计算既不是反应速率理论也不是当电子发生本质改变时能全面捕获其过程并对电子转移更高级的现象学处理，然而即时原子模拟更接近其真实情况[3-7]。

2.4 注入电子的分布

原子运动为电子转移过程提供了一个初始状态的分布。电子转移既能通过绝热机理也能通过非绝热机理发生。绝热电子转移中电子保持相同的电子态，然而这种态自身改变其性质。原子核运动使得这个体系高于过渡态。供态位于过渡壁垒一边，接受态在另一边。一个小的能壁就能涉及到原子核的动能产生快速的绝热电子转移。相反非绝热过程涉及到不同绝热态的电子跃迁，如果初始的绝热态在跃迁之前位于给电子体，终态在接受态上，非绝热跃迁产生电子转移。绝热电子转移被看成是一个纯经典力学过程，可能涉及到量子力学遂穿效益通过这壁垒，也可能没有此过程。非绝热必须是一个量子力学的，这两种机理有不同的特性[8-9]。

2.5 回传电子转移过程

理想状态下，光激电子注入到半导体上，离开表面，传递到对电极上然后通过电解质到达发色团做有用功。然而常常电子释放到TiO2导带底部，被表面捕获最终不能做有效功，通过回传电子转移到发色团基态或者到电解质。回传电子转移包括好几个细节：（1）原子运动关系到回传电子转移过程；（2）电子与发色团的再结合；（3）电子遗失在电解质；（4）发色团和电解质两者存在时电子释放过程；（5）电子从电解质到发色团的转移[10-13]。

3 结语

近年来染料敏化太阳能电池的研究重点放在以下几个方面：（1）寻找或研制高效优质的染料；（2）修饰或改进优化染料内部分子结构；（3）研制复合染料增加对光谱带的吸收宽度；（4）阳极端材料功能的提升。

[1]Bahani,Juris A,Venturi H,Campanga S,Sertoni S,Dend G. Harvesting sunlight by amlicial sup-ramolecular antenna[J].Sol En⁃ergy Mater Sol Cells,1995,38:159-173.

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[3]鲁厚芳，阎康平，涂铭旌，影响太阳能电池性能的因素，现代化工，2004(24),1.