以及固体电解
质与电极界面接触差等原因导致当前固态纳晶染料敏化太阳能电池的光电转换效率比较低。
离子液体基电解质固化剂的种类较多，大致可分为以下三类：纳米粉末胶凝剂，
有机小分子胶凝剂，聚合物胶凝剂。
4. 染料光敏化剂的性质是将直接影响染料敏化纳米晶太阳能电池的光电转换效率。
对敏化染料分子的一般要求是：
（１）能紧密吸附在TiO2 表面，要求染料分子中含有羧基、羟基等极性基团；
（２）对可见光具有吸收性能好；
（３）激发态能级与TiO2导带能级匹配，激发态的能级高于TiO2导带能级，
保证电子的快速注入；
（４）其氧化态和激发态要有较高的稳定性和活性； （５）激发态寿命足够长，且具有很高的电荷传输效率。 总结起来，对染料敏化纳米晶太阳能电池应从以下几个方面进行研究：
（１）纳米材料制备：电子在纳米晶传输过程中会与电子受体发生复合从而引起电流损失，因此需要在探索电极微结构与光电性质的基础上，寻找制备方法简单，性能优异的TiO2纳米晶材料，
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以减少电子在传输过程中的损失。
（２）界面特性：TiO2与染料之间，染料敏化剂和电解质之间， TiO2与导电玻璃之间等都存在界面问题，因此需要对界面之间的电子注入和传输机理进行研究。
（３）提高电池的开路电压：现在所制得染料敏化纳米晶太阳能电池的开路电压较低，一般都小于1V ，提高开路电压将是今后研究的一个方向。
（４）染料：设计合成成本低，性能良好，能吸收大部分可见光敏化染料，从而提高染料敏化纳米晶太阳能电池光电转换效率。 （５）电解质：目前使用的液态电解质，由于存在一些问题，使得全固态纳米太阳能电池成为一个重要的研究方向，以提高其稳定性和使用寿命。
（６）大面积电池：要想使染料敏化纳米晶太阳电池走向实用化和产业化必须对大面积电池进行研究。
篇四：染料敏化太阳能电池-化学与物理电源基础实验讲义1 天然染料敏化TiO2太阳能电池的制备及光电性能测试
太阳能电池是通过光电效应或者光化学效应直接把光能转化成电能的装置。纳米TiO2晶体化学能太阳能电池是最近发展起来的，优点在于其廉价的成本和简单的工艺及稳定的性能。其光电效率稳定在10%以上，制作成本仅为硅太阳电池的1/5～1/10．寿命能达到20年以上。但是TiO2的禁带宽度为3.2eV，只能吸收波长小于375nm的紫外光，为了使其吸收红移至可见光区，增大对全光
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谱范围的响应，1991年，瑞士洛桑高等工业学院(EPFL) Gratzel研究小组开发了染料敏化太阳能电池(Dye Sensitized Solar Cell，简称DSSC)，它是由吸附染料光敏化剂（过渡金属钌的有机化合物染料）的纳米二氧化钛(TiO2)多孔薄膜制成的新型光化学电池。其光电转换效率达7.1%。1993年，他再次报道了光电转换效率达10%的TiO2染料电池，1998年，该研究组进一步研制出全固态DSSC，使用固体有机空穴传输代替液体电解质，单色光光电转化效率达到33%，从而引起了全世界的科学家对染料敏化太阳能电池的关注。近年来，染料敏化太阳能电池的研究主要集中在阳极材料的改性、染料的改进、电解质的研究、以及阴极对染料敏化太阳能电池的影响等。本实验主要研究不同的染料敏化剂和不同的敏化方法对TiO2太阳能电池光电转换效应的影响。 【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。 【实验原理】
一、DSSC结构和工作原理
DSSC结构：染料敏化太阳能电池的结构是一种“三明治”结构, 如图1所示，主要由以下几个部分组成: 导电玻璃、染料光敏化剂、多孔结构的TiO2半导体纳米晶薄膜、电解质和铂电极。其中吸附
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了染料的半导体纳米晶薄膜称为光阳极，铂电极叫做对电极或光阴极。
DSSC电池的工作原理：电池中的TiO2禁带宽度为3.2 eV，只能吸收紫外区域的太阳光，可见光不能将它激发，于是在TiO2膜表面覆盖一层染料光敏剂来吸收更宽的可见光，当太阳光照射在染料上，染料分子中的电子受激发跃迁至激发态，由于激发态不稳定，并且染料与TiO2薄膜接触，电子于是注入到TiO2导带中，此时染料分子自身变为氧化态。注入到TiO2导带中的电子进入导带底，最终通过外电路流向对电极，形成光电流。处于氧化态的染料分子在阳极被电解质溶液中的I- 还原为基态，电解质中的I3-被从阴极进入的电子还原成I-，这样就完成一个光电化学反应循环。但是反应过程中，若电解质溶液中的I-在光阳极上被TiO2导带中的电子还原，则外电路中的电子将减少，这就是类似硅电池中的“暗电流”。整个反应过程可用如下表示:
(l) 染料D受激发由基态跃迁到激发态D*： D + hv ? D* (2) 激发态染料分子将电子注入到半导体导带中：D* ? D+ + e- (3) I-还原氧化态染料分子： 3I- + 2D+ ? I3- + 2D (4) I3-扩散到对电极上得到电子使I-再生： I3- +2e- ? 3I- (5) 氧化态染料与导带中的电子复合： D+ + e- ? D
(6) 半导体多孔膜中的电子与进入多孔膜中I3- 复合：I3- +2e- ? 3I-
其中，反应(5)的反应速率越小，电子复合的机会越小，电子注入
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的效率就越高；反应(6)是造成电流损失的主要原因。 光阳极
目前，DSSC常用的光阳极是纳米TiO2。TiO2是一种价格便宜，应用广泛，无污染，稳定且抗腐蚀性能良好的半导体材料。TiO2有锐钛矿型(Anatase)和金红石型(Rutile)两种不同晶型，其中锐钛矿型的TiO2带隙(3.2eV)略大于金红石型的能带隙(3.l eV)，且比表面积略大于金红石，对染料的吸附能力较好，因而光 图1 DSSC结构与工作原理图
电转换性能较好。因此目前使用的都是锐钛矿型的TiO2。研究发现，锐钛矿在低温稳定，高温则转化为金红石，为了得到纯锐钛矿型的TiO2，退火温度为 450oC。 染料敏化剂的特点和种类
用于DSSC电池的敏化剂染料应满足以下几点要求: ① 牢固吸附于半导体材料; ②氧化态和激发态有较高的稳定性;③在可见区有较高的吸收;④有一长寿命的激发态;⑤足够负的激发态氧化还原势以使电子注入半导体导带;⑥对于基态和激发态氧化还原过程要有低的动力势垒，以便在初级电子转移步骤中自由能损失最小。 目前使用的染料可分为4类:
第一类为钌多吡啶有机金属配合物。这类染料在可见光区有较强的吸收，氧化还原性能可逆，氧化态稳定性高，是性能优越的光敏化染料。用这类染料敏化的DSSC太阳能电池保持着目前最高的转化效率。但原料成本较高。
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