染料敏化电池

染料敏化一般涉及三个基本过程： 1、染料吸附到半导体表面；

2、吸附态染料分子吸收光子被激发；

3、激发态染料分子将电子注人到半导体导带上。

同时敏化剂应该具有以下特点：

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。

敏化染料按其有无金属元素可分为无机染料和有机染料。无机染料一般是指金属有机络合物。其中研究最多的是钌- 多吡啶络合物。直到今天, 以N3、N719和黑染料为敏化剂的电池仍然代表着DSC的最高效率。有机染料有天然与人工之分。天然染料可以直接从植物中提取, 来源广泛, 分离提纯相对容易, 如花青素、香豆素及其衍生物等。还可以通过对这些天然染料进行修饰来提高其吸光强度和范围, 改善其稳定性。

敏化染料的进一步发展将主要面临3个方面的挑战, 即如何降低成本、提高稳定性及如何拓宽光谱响应范围。发展低成本、易制备和高稳定性的高效有机染料是染料发展的趋势。近年来, 以窄禁带无机半导体量子点作为敏化剂的QDSC(量子点敏化太阳能电池)也渐渐受到关注。目前, 效率较高的QDSC多采用CdSe量子点为无机敏化剂, 且很多工作侧重于特殊TiO2阳极形貌的设计。而采用CdS和CdSe共敏化的纳晶太阳电池转换效率已经达到4。22%, 具有很大的发展潜力。

五、电解质：

电解质在DSC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。但是也有缺点，如腐蚀能力强, 对可见光有一定的吸收等。

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。

液态电解质一般由氧化还原电对I-3/I- 、溶剂和添加剂组成。它粘度小, 离子扩散快, 对TiO2多孔膜的浸润性好和渗透能力强, 使得液态DSC电池一直保持着最高的效率。而离子液体电解质对DSC电池的长期稳定性得到了很大的改善。

除了离子液体电解质, 准固态电解质和全固态电解质的研究也越来越受到重视。一般来讲, 准固态电解质是在液体电解质中加入凝胶剂而得到的, 根据凝胶机理的不同又分为物理交联和化学交联。物理交联是交

联剂之间通过氢键或范德华力形成三维网络结构而使电解液凝胶, 常用的交联剂有高聚物、有机小分子、无机纳米颗粒等。化学交联是通过前驱体之间发生化学反应而形成三维

网络来凝胶液体电解质, 常用的有烯烃类单体的聚合反应和含氮杂环前驱体与卤代物之间的季胺化反应等。

总的来说, 离子液体电解质和凝胶电解质是比较有应用前景的(准)固态电解质, 因为它们表现出较高的电转换效率, 电池的稳定性也得到一定保障。当然,发展高效的全固态DSC电池是最终的目标。提高固态DSC电池效率的关键就是解决电解质在光阳极多孔膜中的填充问题, 但就目前来看, 这是一项长期而又艰巨的工作。因此, 发展固态-离子液体复合电解质体系也许是一个更为有效、可行的途径。

六、DSSCs的特点与发展前景

1、DSSCs的优势

⑴寿命长：使用寿命可达15-20年；

⑵结构简单、易于制造，生产工艺简单，易于大规模工业化生产； ⑶制备电池耗能较少，能源回收周期短；

⑷生产成本较低，仅为硅太阳能电池的1/5～1/10，预计每蜂瓦的电池的成本在10元以内； ⑸生产过程中无毒无污染。

2、DSSCs应用前景广阔

在硅太阳能电池中， 单晶硅太阳能电池转换效率最高， 多晶硅次之， 非晶硅最低。经过长达10a加速光老化试验的结果表明， 染料敏化太阳能电池的光电转化效率几乎不变， 且高达15%，在一定程度上优于非晶硅太阳能电池，具有广阔的应用前景。

敏化的纳米晶TiO2电极是染料敏化太阳能电池的关键部分，其性能直接关系到太阳能电池的总效率。在制备技术方面，基于传统的刮涂制膜技术和逐层沉积制备技术，由于操作的复杂性和技术掌握的难度，是光阳极制备的瓶颈问题。丝网印刷技术由于其大面积制备的可操作性，是实现未来工业化不错的手段，但同样存在技术操作复杂的缺点，同时其规模制备所需条件依然需要改进和优化。在染料敏化上，寻找低成本、性能良好的染料成为当前研究的一个热点。

总之，通过光敏化，获得较宽的可见光谱响应范围，快速的电子传输，优越的电子散射系数，增强的光收集效率以及优越的抑制电荷复合性能的多孔膜将是未来TiO2光阳极研究的方向。

3、存在的问题和发展趋势

目前， 染料敏化太阳能电池已引起全世界范围内研究者的广泛兴趣和重视， 但它的发展仍有一些制约因素， 如染料和电解质。

目前染料敏化太阳能电池研究方向主要有以下几个方面。

1） 电极的制备。 寻找简易、适于批量生产的制备工艺， 制备出性能优异的TiO2 纳米晶多孔膜； 其纳米粒子具有合适的尺寸、形状、晶体结构、表面结构和能级。

2） 染料分子的光电化学反应机理和染料的设计合成。 研究和改善分子结构， 提高电荷分离效率；通过染料的设计合成， 使染料具有更优异的吸附性能和光谱吸收范围。

3） 双敏化。 为了使敏化剂具有更好的与太阳光相匹配的吸收光谱， 人们也在探索使用双敏化剂。 两种敏化剂在可见光区有不同的吸收范围， 它们共同修饰可使TiO2 电极在可见光区的光谱吸收和光电流响应具有更宽的范围。

4） 固态空穴传输材料。 寻找合适的固态空穴传输材料来代替液态电解质， 制备全固态的染料敏化太阳能电池也是重要的研究方向。

5） 研究纳米晶多孔电极与染料间能量传递及电子转移的微观本质。

4、各组成部分的进展

光阳极材料：光敏材料敏化的半导体光阳极对该电池的性能起到至关重要的作用，成为目前研究的热点。敏化的TiO2电极是染料敏化太阳能电池的关键部分，可以说其性能直接关系到太阳能电池的总效率。

染料敏化太阳能电池中，TiO2光阳极所用的纳米晶薄膜分为致密TiO2薄层、纳米多孔结构TiO2薄膜，其中致密薄膜是早期染料敏化太阳能电池中TiO2光阳极所采用的，因其吸附染料效率低，后来少被采用，纳米多孔结构TiO2薄膜在目前染料敏化太阳能电池中TiO2光阳极采用极为广泛。

光阴极材料：阴极在染料敏化太阳能电池中也发挥着重要的作用。在实际工作中，染料敏化太阳能电池由于有电流通过阴极，产生极化现象，形成超电势，引起电势的损失，降低了电池的性能。因此，阴极的制备一般用导电玻璃片作为基体，采用不同方法镀上石墨、铂或导电聚合物等不同材料，其中镀铂的效果较好。

电解质：由于液态电解质在封装上的技术困难，人们开发了无机半导体体系的固态电解质、有机空穴传输材料和高分子电解液体系等。与液态电解质相比，固态染料敏化太阳能电池敏化剂的氧化还原电位，可以和空穴导体的工作函数更好的匹配，所以固态染料敏化太阳能电池获得的Uoc值很高，可以达到接近1V。以固态电解质取代液态电解液应用于染料敏化太阳能电池，可以提高和改善电池的长期稳定性。

敏化剂：敏化剂吸收太阳光产生光致分离，它的性能直接决定太阳电池的光电性能。新的敏化剂使吸收长波的能力增加，并且具有很高的光学横断面和吸收近红外光的能力。

按其结构中是否含有金属原子或离子，敏化剂分为有机和无机两大类。无机类敏化剂包括钌、锇类的金属多吡啶配合物、金属卟啉、金属酞菁和无机量子点等；有机敏化剂包括天然染料和合成染料。

5、技术动态

日本开发出“纤维状无TCO染料敏化太阳能电池”

来自日本的研究人员开发出一种“纤维状无TCO染料敏化太阳能电池(fiber-type TCO-less dye sensitized solar cell)”，这种太阳能电池是将染料敏化太阳能电池层，环绕着一根长3。5厘米(cm)、直径9毫米(mm)玻璃纤维所组成。

该研究团队来日本九州岛科技大学的生命科学与系统工程研究所，其研究人员将一层氧化钛、一层敏化颜料，以及一层多孔钛(porous Ti)作为电极(正极)；一层包含碘等电解质的多孔层，以及一层白金(Pt)与钛作为另一端电极(负极)。

将上述两种电极顺序环绕着玻璃纤维；而除了该玻璃纤维的两端，整个太阳能电池都以钛覆盖着。将光线从玻璃纤维的一端透进去，光就会被太阳能电池中的染料所吸收，并转换成电力；而若是该纤维稍有倾斜，在光线从另一端出去之前，就不会在表面下的玻璃造成完全反射。

目前该种太阳能电池所展现的转换效率，在使用某种染料的情况下仅稍高于1%，该数字稍低了些，且由于该种电池使用的玻璃纤维有9mm直径，长度却只有1。5公分左右，因此大约有九成从纤维的一端入射，从另一端出去的光线并没有被转换。

预计未来该种太阳能电池的净转换率(net conversion efficiency)可望达到10%，被浪费的光线问题能透过增加光纤的长度或是减少纤维直径来克服。

而该种新型太阳能电池与标准染料敏化太阳能电池的一个最大差异，是新电池并不使用透明电极(透明导电氧化物薄膜TCO)，研究人员计划利用尚未被现有染料敏化太阳能电池所使用的近红外线(near-infrared)能源，来产生电力。

全球染料敏化太阳能电池（DSSC）的产业先驱者--G24 Innovations（G24i）

G24i总部位于美国加州。全球首批商用DSSC由G24i公司研发并上市，其组件可替代传统的硅太阳能电池，且成本更低，更轻便耐用，在地形和光线条件受限的地方均能适用G24i公司采用滚对滚(roll-to-roll）技术在柔性基板上流水线快速制作，而国内企业目前还没有掌握染料敏化太阳能电池生产线技术。

目前已有美国G24i公司、澳大利亚DYESOL公司、德国BOSCH公司、日本SONY公司等多个国际大企业与中国长春应化DSSC研究组建立了密切合作关系，致力于使这种新型太阳电池应用于汽车、电动工具、便携电子产品等多个领域。美国G24i公司利用该成果生产的可用于日常生活的太阳电池，仅有10张A4纸重叠在一起那么厚，也像纸一样柔软，且绚丽美观，即使在普通灯光下，这种电池也能发挥作用。

6、应用产品

太阳能键盘

太阳能键盘通过键盘上的太阳能板进行充电，充电可在灯光或太阳光下进行，一次充满后可在完全黑暗环境中至少使用三个月时间（每天平均8小时）。