开题报告

染料敏化太阳能电池光阳极的研究进展学生：杨翔峰指导教师：向鹏（三峡大学电气与新能源学院）1课题来源本课题为深入了解太阳能电池光阳极的工作原理和研究进展。

染料敏化纳米晶太阳能电池由于其低廉的成本、简单的工艺、环境友好以及高的转化效率被认光阳为可能取代传统的硅太阳能电池，具有广阔的应用前景。

多孔纳米晶TiO2极作为染料敏化太阳能电池的工作电极，其表面性能和内部的电学性能决定了电光阳极一直是染料敏化太阳能电池的一个研究重点。

池的转化效率。

TiO22 研究的目的和意义从构筑纳米结构光阳极入手，从光生电子输运的角度揭示了光阳极的构筑对DSSCs的光电转化效率的影响。

结合现代仪器分析手段，揭示DSSCs中电子在表界面的分离与传输机制。

该工作对于揭示染料敏化纳米晶太阳能电池中电子在界面的分离与传输具有重要意义。

3 染料敏化纳米晶太阳能电池的发展历史及研究现状光电转化现象最早是法国科学家Henri Becquerel，于1893年发现的，到1954年，第一个可实用性半导体硅太阳能电池的发明，最终把光电转化的想法实现。

最初，应用于太阳能电池的材料通常是窄带隙半导体，他们可以在可见区吸收一定波长的光，因此被称为半导体太阳能电池。

而禁带较宽的半导体二氧化钛，其本身捕获可见光的能力非常差，而将适当的染料分子吸附到二氧化钛粒子表面上，即可借助于染料对可见光的强吸，而将太阳能转化，这就是最初的染料敏化太阳能电池。

1991年，由瑞士的科学家Grätzel等人采用二氧化钛纳米粒子作为染料载体，将染料敏化太阳能电池的转化效率提高到7%，继而迎来了染料敏化纳米晶太阳能电池（DSSCs）的新时代。

4染料敏化纳米晶太阳能电池光阳极的研究现状4.1二氧化钛纳米晶电极的引入因为不能满足同时提高量子效率和光捕获效率，单晶半导体所能吸附的染料分子成为制约染料敏化太阳能电池光转化效率的重要因素。

随着敏化的高表面积二氧化钛纳米晶电极的问世，使得这个问题很好的解决。

多孔二氧化钛薄膜的优越性在于其的总表面积远远大于其几何表面积（直径为15~20nm的二氧化钛粒子构成10微米厚薄膜的总表面积可以较平板薄膜增大约1000倍），从而使电极在最大吸收波长附近捕获光的效率达到100%，即保证了高的光电转化量子效率，又保证了高的光捕获效率。

从这个角度看，二氧化钛纳米晶体电极的引入，使得染料敏化太阳能电池的研究进入了一个全新的时代。

二氧化钛半导体材料具有资源丰富、安全无毒、化学稳定性等优点，使其成为研究热点。

其有金红石、锐钛矿、板钛矿三种晶型。

金红石的禁带较窄（3.0eV），光腐蚀性较强；锐钛矿型二氧化钛的禁带为3.2eV，宽禁带使得具有较高稳定性，适合应用于染料敏化太阳能电池。

在波长小于380nm的紫外光照射下，二氧化钛价带电子被激发至导带，同时在价带上形成空穴，而且电子在半导体内的易复合，因此单纯二氧化钛半导体的光电转换效率很低。

然而经过敏化的二氧化钛表面光谱被拓宽，使得对可见光有增强的响应，这就是提高二氧化钛半导体作为染料敏化太阳能电池光阳极提供了思路。

即：将宽带隙的二氧化钛半导体表面敏化（光敏材料经化学吸附或物理吸附吸附在薄膜上）。

4.2二氧化钛纳米晶电极的微结构对于光电性能的影响纳米氧化钛颗粒的制备有以下方法，在惰性气氛下钛盐缩合法、高温条件下氧化法、金属的氧化-水热合成法、化学气相沉积法以及溶胶-凝胶法。

其TiCl4中溶胶-凝胶法是最常用的一种方法，即：通过控制前驱体化学合成条件，调节胶体组成以及微结构，因而在低温条件下就能够制备均相、亚稳定的半导体纳米粒子。

溶胶-凝胶法制备二氧化钛纳米粒子时，先将烷氧基钛或四氯化钛水解，进行水热处理，再将水热处理后的二氧化钛粒子制备二氧化钛薄膜电极（此法制得的胶体粒子尺寸一般在几十纳米）。

此种方法制备的二氧化钛薄膜经过简单的烧结，就能形成具有三维网状结构的纳米粒子薄膜。

薄膜的厚度可由胶体的浓度和胶带的厚度控制。

这种方法简便易行，制备的纳米粒子薄膜有良好的光学透明性。

二氧化钛纳米粒子薄膜电极的微结构对染料敏化太阳能电池的光电转化效率有重要的影响，主要有三个方面：第一，对于具有相同厚度的薄膜电极，孔径大小光电转化性质有重要影响，特别是在强光（一个模拟太阳）。

其原因是，吸附染料后，孔隙间余下的空间比较小了，因而降低电解质在孔隙中的扩散速度，从而光电流大幅度下降。

第二，对于二氧化钛纳米晶染料敏化太阳能电池，它所产生的电流与二氧化钛纳米粒子所吸附的染料分子数有直接的关系。

通常，二氧化钛纳米晶薄膜的比表面积越大，则此电极所能产生的光电流越大，这是因为它的性能优越于平板电极。

在这里，暂不考虑溶剂的粘度和电解质的浓度对传质动力学的影响。

第三，薄膜电极的孔隙度（孔的体积与薄膜材料的总体积比）对光电转化效率的影响也很大。

对于具有相同厚度和表面积薄膜，孔隙度越大，光性电流越小，反之亦然。

究其原因，就是随着孔隙度的增大，单位面积二氧化钛薄膜中所含的二氧化钛质量减少，单位面积薄膜所具有的表面积也减少，从而使吸附的染料分子数减少，光生电流及总光电转化效率都随之下降。

4.3二氧化钛纳米晶电极的研究现状半导体二氧化钛存在着大量的表面态，呈局域态构成陷阱从而束缚电子在薄膜中的运动，使得电子在薄膜中的传输时间增加、暗电流增大。

从而降低了染料敏化纳米晶太阳电池总的光电转换效率。

为了提高太阳光的利用率使染料敏化太阳能电池光电转换率提高，研究者做了很多有价值的研究工作，包括复合、掺杂等方法对半导体二氧化钛进行修饰。

一方面，对半导体TiO进行离子掺杂，掺杂的离子可以在一定程度上影响2TiO能带结构而调节带隙宽度，使其更有利于光生电荷的分离和转移，从而提高2了光电池的转化效率。

文献中报道的掺杂离子主要是过渡金属离子和稀土元素；纳米晶薄另一方面，也有人将一定厚度的窄带隙半导体化合物薄膜复合在TiO2膜表面上。

通常采用的半导体化合物如CdS、ZnO、PbS等。

复合薄膜可以改变光生电子在半导体TiO薄膜中的分布，从而抑制光生电荷在薄膜中的传输角度改2善电极结构，提高了电池的光电转化效率。

薄膜电极的形貌主要是Grätzel等人最初报道的纳米多孔薄膜，另外，Grätzel曾经提出更有优势的电极设计方案，即：垂直于导电玻璃的高度有序纳米阵列电极材料的性能可能较现有的多孔电极材料更有优势，他解释其原因主要有：第一，从对增强可见光利用率的角度，纳米阵列可以增加光子的散射，从而增加光子在电极材料中的传输路径；第二，从减少界面电子复合的机率的角度，纳米阵列由于具有垂直于电机表面的有序结构，从而可能最大限度的减少电荷在电极材料中的传输路径。

5工作的主要阶段、进度（1）2012年秋季学期第11周前接受毕业设计任务书，学习毕业设计（论文）要求及有关规定。

（2）2012年秋季学期第12~21周阅读指定的参考资料及文献（包括10万个印刷符号外文资料），基本完成开题报告、外文翻译等任务。

（3）2013年春季学期第1周进一步修订完善开题报告、外文翻译，使其在内容及格式上符合毕业设计（论文）规范要求。

（4）2013年春季学期第2-4周阅读已有的资料，填补知识空白，对所要研究的事物进行深入了解（5）2013年春季学期第5-10周利用了解的材料与知识进行归纳整理，并提交毕业设计中期报告（6）2013年春季学期第13周前完成毕业设计，全部成果交指导教师批阅。

（7）2011年春季学期第15周毕业答辩。

6最终目标及完成时间完成对染料敏化太阳能电池光阳极的研究进展的调查与整理。

完成时间：第14周7现有条件及必须采取的措施现有制备染料敏化太阳能电池的设备，可以完成染料敏化太阳能电池光阳极的研究与设计。

8协助单位及要解决的主要问题本课题的完成应解决关于染料敏化太阳能电池光阳极的制备的问题，同时，需要得到向鹏老师的支持和帮助。

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