染料敏化太阳能电池的概述

高明宝

摘要：本文简要介绍了燃料敏化太阳能电池的特点和优点，并且详细的介绍了DSSC的结构组成。

关键词：电池；敏化剂；电解质

染料敏化太阳能电池（Dye Sensitized Solar Cells，简称DSSC）全称为“染料敏化纳米薄膜太阳能电池”，由瑞士洛桑高等理工学院（EPFL）Gratzel教授于1991年取得突破性进展，立即受到国际上广泛的关注和重视，DSSC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，另外也有用 ZnO、SnO2等作为TiO2薄膜替代材料的光电化学电池[1]。

1.1染料敏化太阳能电池优点

它是仿照植物叶绿素光合作用原理的一种太阳能电池。由于染料敏化太阳能电池中使用了有机染料，其功能就如同树叶中的叶绿素，在太阳光的照射下，易产生光生电子，而纳晶TiO2薄膜就相当于磷酸类脂膜，因此我们形象的把这种太阳能电池称为人造树叶。DSSC与传统的太阳电池相比有以下一些优势：

（1） 寿命长：使用寿命可达15-20年；

（2） 结构简单、易于制造，生产工艺简单，易于大规模工业化生产；

（3） 制备电池耗能较少，能源回收周期短；

（4） 生产成本较低，仅为硅太阳能电池的1/5～1/10，预计每瓦的电池成本在10元以内；

（5） 生产过程中无毒无污染；

纳米晶染料敏化太阳能电池有着十分广阔的产业化前景和应用前景，相信在不久的将来，DSSC将会走进我们的生活。因此吸引了各国众多科学家与企业大力进行研究和开发，近年来获得了飞速发展。

1.2染料敏化太阳能电池（DSSC）的結构组成

染料敏化太阳能电池包括四部分：纳米氧化物半导体多孔膜（TiO2，ZnO），含有氧化还原电对的电解液（I-/I3-），作为敏化剂的染料（如N719/N3）以及对电极（如Pt）。除此之外DSSC还需要衬底材料，通常为氟掺杂的氧化锡导电玻璃（FTO导电玻璃）。该实验中，纳米氧化物半导体多孔膜为ZnO，敏化剂用N719染料[1]。

（1）FTO透明导电玻璃

FTO导电玻璃为掺杂氟的SnO2透明导电玻璃（SnO2：F），简称为FTO。FTO玻璃被作为ITO导电玻璃的替换用品被开发利用，可被广泛用于液晶显示屏，它是染料敏化太阳能电池的TiO2/ZnO薄膜的载体，同时也是光阳极电子的传导器和对电极上电子的传导器和对电极上电子的收集器[2]。

（2）光阳极

多孔半导体光阳极是染料敏化太阳能电池的核心之一，它是染料分子的载体，同时也起着分离、传输电荷的作用。DSSC电池的光阳极是由透明的导电玻璃及其上面覆盖的一层半导体纳米晶多孔膜构成的。这层薄膜是光电转换的前提和重要基础，纳米TiO2的微观结构（如粒径、气孔率等）对太阳能电池的光电转换效率有非常大的影响。

（3）染料敏化剂

染料分子被称为电池中的光子马达，正是它对光子的响应才驱动了整个器件的运作。这主要是由于光阳极（以锐钛矿型TiO2为例）禁带宽度为312eV，仅对紫外光有响应，只有通过染料敏化才能实现对可见光的吸收。高效率染料必须同时具备以下特征：

① 能够与TiO2表面形成牢固的化学键合；

② 在可见光区乃至红外光区有强而宽的吸收；

③ 激发态寿命足够长，且LUMO能级与TiO2导带匹配；

④ 稳定性高、可逆性好。

（4）电解质

电解质在DSSC电池中主要起着还原染料正离子及传输电荷的作用。高效率的电解质应当具有与染料HOMO轨道相匹配的氧化还原能级和快速的空穴传导能力。目前，最常用、最有效的电解质都含有I3-/I-电对，主要得益于其优异的可逆性和动力学性能，且复合反应较慢。但是I3-/I-电对也存在一些缺点，如腐蚀能力强，对可见光有一定的吸收等[3]。因此，人们一直都在研究和探索新的氧化还原电对来替换I3-/I-，如Br2/Br-、拟卤素和金属配合物Co3+/2+等，但目前与I3-/I-相比，在效率和稳定性上都有较大差距。电解质从表观形态上大致可以分为液态电解质、准固态电解质 （凝胶电解质 ）和全固态电解质。

（5）对电极

对电极又称为光阴极或反电极，它起着收集外电路电子和催化还原I3-、再生I-的作用。对于高效DSSC电池而言，对电极必须具有优异的电子传导能力和高催化活性。对电极的特性和在其表面发生的还原反应的速率极大地影响着电池的性能和效率。目前，Pt仍然是最佳的催化材料。

参考文献：

[1] 李雪阳， 陈司汉， 薛卫东染料敏化太阳能电池—神奇的人造树叶[J]. 化学教育， 2007， 5： 3-4.

[2] 曹怡， 张建成. 光化学技术北京[M]： 化学工业出版社， 2004： 127-128.

[3] Zhou Wang， Lin Tian Quan， et al. H-Doped Black Titania with Very High Solar Absorption and Excellent Photocatalysis Enhanced by Localized Surface Plasmon Resonance[J]. Adv. Funct. Mater.， 2013， 23（43）： 5444-5450.endprint