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2009年6月材 料 开 发 与 应 用文章编号:1003-1545(2009)03-0081-05染料敏化T iO 2太阳能电池的研究进展冯 蕾,程永清,秦华宇,罗东卫(西北工业大学理学院应用化学系,陕西西安 710129)摘 要:介绍染料敏化纳米晶T i O 2太阳能电池的结构及其原理,对影响其光电转换效率的关键因素,如纳米T i O 2膜、敏化染料、电解质等做了探讨。
同时,对有机太阳能电池所面临的问题进行讨论,并提出今后的研究方向。
关键词:T i O 2;太阳能电池;染料敏化;纳米薄膜中图分类号:O 643.3 文献标识码:A收稿日期:2008-11-26作者简介:冯蕾,女,1986年生,硕士研究生,主要从事环境材料方面的研究。
能源危机与环境污染是人类在21世纪面临的两大挑战,开发和利用可再生绿色能源已成为人类社会所面临的重大课题。
近几年来,很多国家已投入大量资金从事太阳能电池的研究和开发工作,用单晶或多晶硅膜制备的太阳能电池其最高效率可达20%以上,但成本过高。
开发低成本光电活性材料,对充分利用太阳能资源有重要意义,目前ZnO 、CdS 、CdSe 、CdTe 、Fe 2O 3、SnO 2、T i O 2等许多化合物被用于光电转换。
虽然CdSe 、CdTe 等光电池有一定的应用前景,但它们是剧毒物质,容易对环境带来危害。
T i O 2染料敏化电池(Dye-sensitized So lar Ce lls,简称DSCs)则彻底摒弃了传统的硅电池工艺,它的最大优势是廉价的成本以及非常简单的制作工艺,因此有很好的应用前景,其制备与应用研究受到各国学术界的重视,并成为化学和材料科学研究的前沿领域。
瑞士M.Gr ¾tze l 教授领导的研究小组开发的染料敏化纳米晶Ti O 2太阳能电池掀起了太阳能电池研究的一次热潮。
经过十几年的迅速发展,现在DSC s 电池的最高转换效率已达11.04%[1]。
第一章染料敏化纳米晶太阳能电池的历史发展及研究现状1-2法国科学家Henri Becquerel于1839年首次观察到光电转化现象3，但是直到1954年第一个可实用性的半导体太阳能电池的问世，“将太阳能转化成电能”的想法才真正成为现实4。
在太阳能电池的最初发展阶段，所使用的材料一般是在可见区有一定吸收的窄带隙半导体材料，因此这种太阳能电池又称为半导体太阳能电池。
尽管宽带隙半导体本身捕获太阳光的能力非常差，但将适当的染料吸附到半导体表面上，借助于染料对可见光的强吸收，也可以将太阳能转化为电能，这种电池就是染料敏化太阳能电池。
1991年，瑞士科学家Grätzel等人首次利用纳米技术将染料敏化太阳能电池中的转化效率提高到7%5。
从此，染料敏化纳米晶太阳能电池(即Grätzel电池)随之诞生并得以快速发展。
1.1 基本概念1.1.1大气质量数6对一个具体地理位置而言，太阳对地球表面的辐射取决于地球绕太阳的公转与自转、大气层的吸收与反射以及气象条件（阴、晴、雨）等。
距离太阳一个天文单位处，垂直辐射到单位面积上的辐照通量（未进入大气层前）为一常数，称之为太阳常数。
其值为1.338～1.418 kW·m-2，在太阳电池的计算中通常取1.353 kW·m-2。
太阳光穿过大气层到达地球表面，受到大气中各种成分的吸收，经过大气与云层的反射，最后以直射光和漫射光到达地球表面，平均能量约为1kW·m-2。
一旦光子进入大气层，它们就会由于水、二氧化碳、臭氧和其他物质的吸收和散射，使连续的光谱变成谱带。
因此太阳光光谱在不同波长处存在许多尖峰，特别是在红外区域内。
现在通过太阳模拟器，在室内就能够得到模拟太阳光进行试验。
在太阳辐射的光谱中，99%的能量集中在276～4960nm之间。
由于太阳入射角不同，穿过大气层的厚度随之变化，通常用大气质量（air mass，AM）来表示。
并规定，太阳光在大气层外垂直辐照时，大气质量为AM0，太阳入射光与地面的夹角为90º时大气质量为AM1。
浅析染料敏化纳米晶太阳能电池的结构及工作原理摘要：人类的生存和社会经济的发展离不开能源，新能源尤其是可以再生的绿色能源的开发与利用是关系一个国家生死存亡的重大问题，太阳能是一种无污染并且取之不尽的能源，每年向地球辐照的能量大约是5.4×1024J，是人类每年消耗总能量的几万倍，如何有效利用太阳能成为解决能源危机和环境污染的焦点。
太阳能电池也随着全世界的研究快速出现，目前使用最多的太阳能电池都是采用二氧化钛作为光阳极，由于氧化锌具有和二氧化钛几乎相同的带隙和相似的导带能级，被认为是最有可能超越二氧化钛取得更高转化效率的光阳极材料。
本文以二氧化钛纳米晶粉体材料为例，详细介绍太阳能电池的结构和工作原理，染料敏化剂对太阳能电池的重要性进行详细分析。
关键词：太阳能电池；二氧化钛；染料敏化纳米晶引言太阳能的变换和存储的重点研究对象之一是太阳能电池。
和普通电池不同的是，太阳能电池是一个把“太阳光的能量转化成电能的机器”。
1991年，瑞士科学家Gratzel等人首次利用纳米技术将染料敏化太阳能电池的转化效率提高到7%。
由于生产过程中没有高真空等高能耗环节，氧化锌和二氧化钛等原材料易得，发电成本比其它电池更低。
不会造成严重的环境污染。
因此，在过去的二十年中，染料敏化纳米晶太阳能电池（即Gratzel电池）在世界范围内得到广泛研究，并取得了一系列的突破，为染料敏化太阳能电池的实用化打下了坚实的基础。
本文就染料敏化太阳能电池的结构及工作原理做一个简要的介绍。
一、太阳能电池的结构染料敏化纳米晶太阳能电池的结构可分为三部分：工作电极、电解质和对电极。
在透明导电基底上制备一层纳米多孔半导体薄膜，然后再将染料分子吸附在多孔膜的表面，这样就构成工作电极，通常称为光阳极。
由于光阳极输出的是电子，从电源的角度看，光阳极其实是电源的负极，对电极才是电源的正极。
对电极一般是镀有一层铂的导电玻璃，当然也可以用碳或其他它金属代替铂，不过电池转化效果最好的还是铂。
染料敏化太阳能电池实验报告(共9篇) 染料敏化太阳能电池实验天然染料敏化TiO2太阳能电池的制备及光电性能测试姓名：蓝永琛班级：新能源材料与器件学号：20112500041一、实验目的1. 了解染料敏化纳米TiO2太阳能电池的工作原理及性能特点。
2. 掌握合成纳米TiO2溶胶的方法、染料敏化太阳能电池光阳极的制备方法以及电池的组装方法。
3. 掌握评价染料敏化太阳能电池性能的方法。
二、实验原理略三、仪器与试剂一、仪器设备可控强度调光仪、紫外-可见分光光度计、超声波清洗器、恒温水浴槽、多功能万用表、电动搅拌器、马弗炉、红外线灯、研钵、三室电解池、铂片电极、饱和甘汞电极、石英比色皿、导电玻璃、镀铂导电玻璃、锡纸、生料带、三口烧瓶（500mL）、分液漏斗、布氏漏斗、抽虑瓶、容量瓶、烧杯、镊子等。
二、试剂材料钛酸四丁酯、异丙醇、硝酸、无水乙醇、乙二醇、乙腈、碘、碘化钾、TBP、丙酮、石油醚、绿色叶片、红色花瓣、去离子水四、实验步骤一、TiO2溶胶制备目前合成纳米TiO2的方法有多种，如溶胶-凝胶法、水热法、沉淀法、电化学沉积法等。
本实验采用溶胶-凝胶法。
（1）在500mL的三口烧瓶中加入1：100（体积比）的硝酸溶液约100mL，将三口烧瓶置于60-70oC的恒温水浴中恒温。
（2）在无水环境中，将5mL钛酸丁酯加入含有2mL异丙醇的分液漏斗中，将混合液充分震荡后缓慢滴入（约1滴/秒）上述三口烧瓶中的硝酸溶液中，并不断搅拌，直至获得透明的TiO2溶胶。
二、TiO2电极制备取4片ITO导电玻璃经无水乙醇、去离子水冲洗、干燥，分别将其插入溶胶中浸泡提拉数次，直至形成均匀液膜。
取出平置、自然晾干，再红外灯下烘干。
最后在450oC下于马弗炉中煅烧30min 得到锐态矿型TiO2修饰电极。
可用XRD粉末衍射仪测定TiO2晶型结构。
三、染料敏化剂的制备和表征(1) 叶绿素的提取采集新鲜绿色幼叶，洗净晾干，去主脉，称取5g剪碎放入研钵，加入少量石油醚充分研磨，然后转入烧杯，再加入约20mL石油醚，超声提取15min后过滤，弃去滤液。
染料敏化纳米晶TiO2太阳能电池的组装和光电性质测试2）把握组装电池的基本技能。
3）把握光电流一电压和单色光转换效率仪器的用法技能。
4）了解电流产生的原理。
2．试验原理染料敏化纳米晶TiO2太阳能电池的原理图2-5-1所示。
1)基态的染料光敏剂（D）受光激发，由基态跃迁到激发态（D*）： D0（TiO2）——→D*（TiO2）（1） 2)激发态染料分子将电子注入半导体氧化物（TiO2)的导带中： D*（TiO2）——→D+（TiO2）＋e-（2) 3)氧化态的染料（D+）被电解质溶液中的电子给体I-还原，使基态的染料再生： D+（TiO2)+3/2I——→D（TiO2)＋1/2 I3-(3) 4）注入半导体导带中的电子，在TiO2纳米晶网络中传输到导电玻璃的后接触面，经外电路运送到对电极，在对电极上，I-可以由I3-还原再生，完成囫囵电路循环：I3-+2e-——→3I-（4) 在入射光的照耀下，染料分子从基态跃迁到激发态1)；光生电子可以从激发态的染料分子注入半导体的导带中2)，激发态的寿命越长越利于电子的注入，反之，激发态的寿命越短，激发态的分子有可能来不及将电子注入半导体的导带中，就会通过非辐射衰减而跃迁到基态；溶液中的I-可以还原氧化态的染料从而使染料再生，这样就可以使电子不断地注入半导体的导带中3)；反应3)生成的I3-离子蔓延到对电极上得到电子，使I-再生，这样就完成了电流的循环过程。
3．仪器和药品 (1）仪器三口烧瓶；烘箱；水热釜；马弗炉；磁力搅拌器；旋转蒸发仪；DSC热封仪；电热板；超音波焊接机；丝网印刷机（手动）；小型台钻（打孔机）；J-V测试仪器；IPCE测试仪器、Keithley2400多功能电源电表等。
(2）药品；；高碘酸锂；四丁基吡啶；；偏氟乙烯-全氟丙烯共聚物；1--丙基咪唑碘；；钛酸四正丁酯；；浆料；导电玻璃(FTO);N719染料；surly胶；；。
4．试验步骤 (1)TiO2膜电极的制备纳米晶多孔TiO2膜采纳典型的“刮涂法”制备，有以下两种制备办法。
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色素敏化太阳能电池的研究进展随着全球气候变暖问题的不断加剧，对于清洁能源的需求也越来越迫切。
而色素敏化太阳能电池作为目前较为成熟的可再生能源技术之一，受到了越来越多的关注。
本文将重点介绍色素敏化太阳能电池的原理及相关研究进展。
一、色素敏化太阳能电池的原理色素敏化太阳能电池与常规的硅太阳能电池相比，其工作原理有所不同。
常规的硅太阳能电池通过硅的p-n结将光能转换为电能，而色素敏化太阳能电池则是利用自然界中的花青素等天然色素吸收阳光中的光子，使得电子从色素分子中跃迁至半导体纳米晶体表面，从而产生电流。
色素敏化太阳能电池的结构与原理二、色素敏化太阳能电池的研究进展作为一项有前途的清洁能源技术，色素敏化太阳能电池的研究已经取得了不少成果。
以下将从材料、器件结构、效率三个方面介绍其相关研究进展。
1.材料色素是色素敏化太阳能电池中的重要组成部分，而好的色素需要具备吸收太阳能光谱范围宽、易于合成、稳定性强等特性。
近年来，研究人员通过设计合成新型花青素类色素、有机-无机杂化材料等，成功提高了色素敏化太阳能电池的效率。
2.器件结构器件结构对于电池的效率也具有重要影响。
随着器件结构的不断优化，色素敏化太阳能电池的效率也在逐步提高。
一些新型的器件结构如透明电极、反向式结构等，都取得了不错的效果。
3.效率效率是评价电池性能的重要指标之一，也是研究人员重点关注的部分。
目前，色素敏化太阳能电池的效率已经超过了10%，并且正在逐步提高。
研究人员通过优化色素、器件结构、透明电极等方面，推动着这项技术的进一步发展。
三、展望尽管色素敏化太阳能电池存在诸多优点，但是其仍然面临着一些挑战。
例如，色素稳定性、长期稳定性等问题仍然需要得到解决。
此外，其效率仍然远远低于硅太阳能电池，需要更多的研究投入。
总的来说，随着清洁能源需求的增加，色素敏化太阳能电池技术也将得到更多的关注和发展。
相信通过不断的研究，其效率和稳定性将得到进一步提高，最终成为一种成熟的清洁能源技术。
最新的色素敏化太阳能电池研究进展随着现代工业的飞速发展，对电能的需要越来越大，然而传统的化石燃料已经难以满足人们日益增长的用能需求。
因此，发展可再生能源便成为当今世界的重要任务之一。
在各种可再生能源之中，太阳能因其广泛的分布、清洁的发电过程以及技术上的成熟而受到了广泛关注。
然而，早期的太阳能电池成本高，效率低，应用范围有限，限制了其的普及。
近年来，色素敏化太阳能电池（DSSC）成为了几乎所有太阳能电池技术中研究热点之一，主要是因其成本低和制备工艺简单。
一、什么是色素敏化太阳能电池？色素敏化太阳能电池是一种基于光电效应将太阳能转化为电能的太阳能电池。
与传统的硅太阳能电池相比，色素敏化太阳能电池的工作原理有所不同。
它利用染料分子（也称为色素分子）吸收阳光中的光子，以此吸引光电子并将其从半导体中抽出，然后通过电路进入一个负载，如电动汽车或手机电池等，从而导致电流的流动。
与硅太阳能电池相比，色素敏化太阳能电池可以在低光照强度条件下工作，而且响应光谱较广。
此外，由于其制备工艺简单，成本相对较低。
因此，色素敏化太阳能电池被认为是未来太阳能电池的重要候选者之一。
二、最新的色素敏化太阳能电池研究进展1. 原料改良近年来，科学家们对色素分子进行了大量研究，并发现了一些新的原料，能够提高太阳能电池的效率。
例如，最近有一项研究发现，使用全新的金属分子合成的红色溶剂可以帮助提高电池的光电转换效率。
该研究显示，使用该分子制造的 DSSC 比传统的DSSC 电池效率提高了约 10%。
2. 半导体的精细化控制制造 DSSC 最关键的是半导体的控制，基于纳米结构的光电子器件是制造高效能够用于实际应用的太阳能电池的一个重要途径。
近期研究表明，通过对半导体的精细化控制，可以使 DSSC 达到其最高的光电转换效率。
如使用纳米线技术和二维材料可以使DSSC 达到高达 15% 的转换效率。
3. 研究人员加速了电池的制造过程虽然 DSSC 的制造工艺相对简单，但是其制造过程费时费力。
