染料敏化電池

　 　 染料敏化太陽電池主要是模仿光合作用原理，研制出來的一種新型太陽電池，其主要優(yōu)勢(shì)是：原材料豐富、成本低、工藝技術(shù)相對(duì)簡單，在大面積工業(yè)化生產(chǎn)中具有較大的優(yōu)勢(shì)，同時(shí)所有原材料和生產(chǎn)工藝都是無毒、無污染的，部分材料可以得到充分的回收，對(duì)保護(hù)人類環(huán)境具有重要的意義。自從1991年瑞士洛桑高工（EPFL）M. Grtzel教授領(lǐng)導(dǎo)的研究小組在該技術(shù)上去的突破以來，歐、美、日等發(fā)達(dá)國家投入大量資金研發(fā)。
　 　 染料敏化太陽能電池——研究歷史
　 　 染料敏化太陽能電池的研究歷史可以追溯到19世紀(jì)早期的照相術(shù)。1837年，Daguerre制出了世界上第一張照片。兩年后，F(xiàn)ox Talbot將鹵化銀用于照片制作，但是由于鹵化銀的禁帶寬度較大，無法響應(yīng)長波可見光，所以相片質(zhì)量并沒有得到很大的提高。1883年，德國光電化學(xué)專家Vogel發(fā)現(xiàn)有機(jī)染料能使鹵化銀乳狀液對(duì)更長的波長敏感，這是對(duì)染料敏化效應(yīng)的最早報(bào)導(dǎo)。使用有機(jī)染料分子可以擴(kuò)展鹵化銀照相軟片對(duì)可見光的響應(yīng)范圍到紅光甚至紅外波段，這使得“全色”寬譜黑白膠片乃至現(xiàn)在的彩色膠片成為可能。1887年，Moser將這種染料敏化效應(yīng)用到鹵化銀電極上，從而將染料敏化的概念從照相術(shù)領(lǐng)域延伸到光電化學(xué)領(lǐng)域。1964年，Namba和Hishiki發(fā)現(xiàn)同一種染料對(duì)照相術(shù)和光電化學(xué)都很有效。這是染料敏化領(lǐng)域的重要事件，只是當(dāng)時(shí)不能確定其機(jī)理，即不確定敏化到底是通過電子的轉(zhuǎn)移還是通過能量的轉(zhuǎn)移來實(shí)現(xiàn)的。直到20世紀(jì)60年代，德國的Tributsch發(fā)現(xiàn)了染料吸附在半導(dǎo)體上并在一定條件下產(chǎn)生電流的機(jī)理，才使人們認(rèn)識(shí)到光照下電子從染料的基態(tài)躍遷到激發(fā)態(tài)后繼而注入半導(dǎo)體的導(dǎo)帶的光電子轉(zhuǎn)移是造成上述現(xiàn)象的根本原因。這為光電化學(xué)電池的研究奠定了基礎(chǔ)。但是由于當(dāng)時(shí)的光電化學(xué)電池采用的是致密半導(dǎo)體膜，染料只能在膜的表面單層吸附，而單層染料只能吸收很少的太陽光，多層染料又阻礙了電子的傳輸，因此光電轉(zhuǎn)換效率很低，達(dá)不到應(yīng)用水平。后來人們制備了分散的顆粒或表面積很大的電極來增加染料的吸附量，但一直沒有取得非常理想的效果。1988年，Grätzel小組用基于Ru的染料敏化粗糙因子為200的多晶二氧化鈦薄膜，用Br2/Br-氧化還原電對(duì)制備了太陽能電池，在單色光下取得了12 %的轉(zhuǎn)化效率，這在當(dāng)時(shí)是最好的結(jié)果了。直到1991年，Grätzel在O’Regan的啟發(fā)下，應(yīng)用了O’Regan制備的比表面積很大的納米TiO2顆粒，使電池的效率一舉達(dá)到7.1 %，取得了染料敏化太陽能電池領(lǐng)域的重大突破。應(yīng)當(dāng)說，納米技術(shù)促進(jìn)了染料敏化太陽能電池的發(fā)展。
　 　 染料敏化太陽能電池——結(jié)構(gòu)組成及原理
　 　 結(jié)構(gòu)組成
　 　 主要由納米多孔半導(dǎo)體薄膜、染料敏化劑、氧化還原電解質(zhì)、對(duì)電極和導(dǎo)電基底等幾部分組成。納米多孔半導(dǎo)體薄膜通常為金屬氧化物（TiO2、SnO2、ZnO等），聚集在有透明導(dǎo)電膜的玻璃板上作為DSC的負(fù)極。對(duì)電極作為還原催化劑，通常在帶有透明導(dǎo)電膜的玻璃上鍍上鉑。敏化染料吸附在納米多孔二氧化鈦膜面上。正負(fù)極間填充的是含有氧化還原電對(duì)的電解質(zhì)，最常用的是I3/I-。
　 　 工作原理
　 　 染料敏化太陽電池結(jié)構(gòu)示意圖
　 　 ⑴ 染料分子受太陽光照射后由基態(tài)躍遷至激發(fā)態(tài)；
　 　 ⑵ 處于激發(fā)態(tài)的染料分子將電子注入到半導(dǎo)體的導(dǎo)帶中；
　 　 ⑶ 電子擴(kuò)散至導(dǎo)電基底，后流入外電路中；
　 　 ⑷ 處于氧化態(tài)的染料被還原態(tài)的電解質(zhì)還原再生；
　 　 ⑸ 氧化態(tài)的電解質(zhì)在對(duì)電極接受電子后被還原，從而完成一個(gè)循環(huán)；
　 　 ⑹ 和 ⑺ 分別為注入到TiO2 導(dǎo)帶中的電子和氧化態(tài)染料間的復(fù)合及導(dǎo)帶上的電子和氧化態(tài)的電解質(zhì)間的復(fù)合
　 　 研究結(jié)果表明：只有非常靠近TiO2表面的敏化劑分子才能順利把電子注入到TiO2導(dǎo)帶中去，多層敏化劑的吸附反而會(huì)阻礙電子運(yùn)輸；染料色激發(fā)態(tài)壽命很短，必須與電極緊密結(jié)合，最好能化學(xué)吸附到電極上；染料分子的光譜響應(yīng)范圍和量子產(chǎn)率是影響DSC的光子俘獲量的關(guān)鍵因素。到目前為止，電子在染料敏化二氧化鈦納米晶電極中的傳輸機(jī)理還不十分清楚，有待于進(jìn)一步研究。
　 　 染料敏化太陽能電池——目前情況
　 　 通過近二十年的研究與優(yōu)化，染料敏化太陽能電池的效率已經(jīng)超過了12 %。這種電池的突出優(yōu)點(diǎn)是高效率、低成本、制備簡單，因此有望成為傳統(tǒng)硅基太陽能電池的有力競爭者。