染料敏化纳米晶太阳能电池
化学中的染料敏化太阳能电池
化学中的染料敏化太阳能电池太阳能电池是一类利用太阳能将光能转化为电能的电池。
其中，染料敏化太阳能电池（DSSC）以其高效率和低成本而备受关注。
它的制造过程和材料选择都相对简单，同时使用生物可降解的有机材料，具有很高的可持续性和环境友好性。
DSSC主要是由一个光敏染料吸收阳光，产生电子，然后通过导电材料（通常是二氧化钛）将电子传递到电解质中，最终达到电流的效果。
DSSC的光敏材料包括天然染料、合成染料和无机半导体材料。
天然染料来自植物、动物、微生物及其代谢产物等，比如硫菌素。
其中，叶绿素是目前最常用的天然染料。
它吸收太阳光的光谱范围与DSSC的光谱响应相当。
虽然天然染料的光电性能较弱，但它们的可再生性好且环境友好。
除了天然染料之外，还有很多合成染料可用于DSSC。
如OL1、Z907、MK-2和RuP，它们的光电性能比天然染料要好。
RuP是DSSC中最常用的染料之一，因其在阳光下产生宽波长的吸收，同时其吸收峰在可见光区，因此比其他染料更适合用于太阳能电池。
无机半导体材料包括氧化钛、锌氧化物和氧化锌，这些材料吸收光子激发电子的能力比染料更强，但它们的电导率较低，需要添加导电剂以提高电导率。
DSSC中除了染料外，导电材料和电解质也很关键。
传统的导电材料二氧化钛可以制备成不同形态，例如单晶、多晶、纳米线和纳米颗粒等。
其中纳米晶二氧化钛是应用最广泛的一种，因为它兼具光吸收效果和电子传输效果，同时具有高度的表面积和光敏性。
电解质对DSSC的性能影响也很大。
传统的电解质是六甲基二氧苯基氰化铁（N719），但是它有毒，因此不太适合用于环境友好型的DSSC。
因此近年来人们开发出了非连续电解质和有机盐型电解质，这些新型电解质对环境影响小，但是电子转移速率相对较低。
DSSC的优点在于其制造工艺比其他太阳能电池简单，且成本更低。
此外，DSSC中使用的有机材料和染料可生物降解，因此有较好的可持续性和环境友好性。
但DSSC目前的效率还有待提高，同时它的稳定性也是一个问题，需要进一步改进。
研究染料敏化纳米晶太阳电池毕业设计论文
枣庄职业学院毕业设计（论文）研究染料敏化纳米晶太阳电池系部应用化工系专业应用化工技术班级 08级高职三班20 11 年 5 月摘要进入21世纪的我们对电源的需求越来越高。
太阳能电池作为一种新能源,由于具有广泛性、清洁性、安全性等优点,因而被大家视为最理想的电池。
染料敏化剂的性能是影响染料敏化太阳能电池光电转化效率的重要因素,关于染料敏化剂的研究是当前研究的热点之一。
本论文从染料敏化纳米晶太阳能电池阳极的制备及其染料共敏化方面进行了研究。
首选，本论文在总结染料敏化纳米晶太阳能电池工作原理、效率的提高和最新发展的基础上，用溶胶-凝胶法(Sol-Gel法)制备了锐钛矿晶型的纳米晶多孔TiO2粉体。
通过改变制备TiO2的溶胶前驱液中表面活性剂(PEG)的量、pH值以及加水量来确定合适的前驱物组分含量，以达到提高TiO2颗粒的表面粗糙程度和颗粒间的孔隙率，减小TiO2颗粒粒径，从而提高纳米晶多孔TiO2薄膜电极比表面积、膜的孔洞率，进而达到增加染料吸附量的目的。
同时，对所制备的纳米晶TiO2粉体在不同温度下煅烧，确定了生成锐钛矿型纳米晶多孔TiO2导电薄膜的最佳煅烧温度。
其次，用Sol-Gel法制备了锐钛矿晶型的纳米晶多孔TiO2半导体电极。
通过扫描电镜分析，进一步探讨了制备理想电极的条件。
最后，以降低染料成本，提高光谱吸收范围和吸光度为目标，选择低成本的有机染料曙红Y、香豆素、玫瑰红进行双染料共敏化实验，证实了吸收光谱的拓宽和光吸收率的增加，最终确定了理想的共敏化染料。
关键词Sol-Gel法染料敏化锐钛矿纳米级多孔TiO2目录•绪论 (4)•第一章太阳能电池• 1.1 太阳能电池的工作原理 (5)• 1.2 太阳能电池的种类和研究进展 (6)•第二章 DSSC的结构和基本原理• 2.1 DSSC的结构 (7)• 2.2 DSSC的基本原理 (8)• 2.3 基本概念 (9)•第三章纳米晶TiO2膜电极• 3.1 纳米晶TiO2膜 (10)• 3.2 晶型和粒径可控的纳米TiO2的制备 (11)• 3.3 纳米TiO2多孔膜的制备 (12)• 3.4 电极的表面修饰 (13)•第四章染料敏化剂和电解质• 4.1 染料敏化剂 (14)• 4.2 电解质 (16)•第五章论文的研究内容和目标 (19)致谢 (21)参考文献 (22)研究染料敏化纳米晶太阳电池绪论太阳能电池的基本原理是某些物质被光照射时其电子的运动加剧；若引导这些电子流经一电路中的电位，即可得到电能。
染料敏化纳米晶体太阳能电池
染料敏化纳米晶体太阳能电池
染料敏化纳米晶体太阳能电池是一种基于太阳能转换为电能的
新型能源技术。
该技术利用染料分子的吸收特性，将太阳能转化为电能，并将其储存起来。
染料敏化纳米晶体太阳能电池的工作原理是将染料分子吸附在纳米晶体表面，当太阳光照射到染料分子上时，染料分子会吸收光子，从而激发电子的运动，使电子从染料分子中释放出来，然后通过导电材料流向外部电路，产生电能。
与传统的硅基太阳能电池相比，染料敏化纳米晶体太阳能电池具有以下优势：首先，染料敏化纳米晶体太阳能电池的制备工艺简单、成本低廉；其次，染料敏化纳米晶体太阳能电池可以在弱光照射下工作，因此具有较高的光电转换效率；最后，染料敏化纳米晶体太阳能电池的柔性和透明性优势，使得其应用范围更加广泛，可以用于建筑物外墙、车辆玻璃等领域。
目前，染料敏化纳米晶体太阳能电池已经被广泛研究，并且在某些特定应用场景中已经开始商业化应用，未来将有更多的科研机构和企业加入到这个领域中，推动染料敏化纳米晶体太阳能电池技术的发展，为人们提供更加便捷和环保的能源解决方案。
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染料敏化纳米晶太阳能电池的历史发展及研究现状
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。
染料敏化纳米晶太阳能电池(DSSC)市场分析
１ 染 料 敏 化 纳 米 晶 太 阳 能 电 池 （ Ｓ 产 品 的 竞 争 优 势 ＤＳ Ｃ）
ＤＳ Ｓ Ｃ是 基 于 二 氧 化 钛 杂 化 电 极 、
能 够 快 速 吸 引 投 资 商
晶 体 硅 太 阳 能 电 池 单 晶体 多 晶体
２１ 市 场 前 景 ．
无 电 地 区 的 独 立 光 伏 发 电 系 统 按 总 投
资 的 ７ ％给予 补助 光伏 发 电关 键技 术 ０ 产 业化 和产 业基 础 能力 建 没项 目 ． 予 给
适 、贴 息 或 补 助 由 此 可 看 ｊ 国 家 对 于 』 ， 、 十 ｛
太 阳 能 是 未 来 最 清 洁 、 全 和 可 靠 安 的 能 源 ． 达 国 家 正 在 把 太 ｌ 能 的 开 发 发 ｝ 口
本 仅 为 前 者 的 １５ １ １ ／ ～ ／ ０甚 至 更 低 ． 估 计 其 规 模生 产 的转 换 效 率 有望 达 到 ６ ％
经 济 模 式 会 成 为 术 来 我 日 政 策 的 主 要
出． 通过 不 断 的科 技研 究使 此 项技 术 已
规模 低 成本 发 电站 染 料敏 化 纳米 品太 阳能 电池 因 为其 弱 光 效应 好 ． 每天 Ｔ 作 时 间可 以超 过 ８ ． 高于 硅 晶体 太 阳能 ｈ远 电 池每 天 约 ４ ｈ的Ｔ作 时间 ．这 补 足 了
照 明 光 源 ．弱 光 效 应 好 使 该 电 池 组 件 在 ．
太 阳 能 交 通 灯 和 公 共 照 明 系 统 上 的 应
除政 府计 划 外 ． 界 各 大公 司也 纷纷 制 世
定 扩 大规 模 的计 划 ． 今后 １ 在 ０年 ． 伏 光
什么是染料敏化太阳能电池
kT J sc Voc ln q J dk
q表示完成一个氧化还原循环过程需要转移的电子数目，Jdk指的是暗电 流的电流密度，k指波尔兹曼常数。
影响填充因子的因素
填充因子可以反映太阳能电池的输出性质，是一个重要参 数。太阳能电池的串联电阻越小，并联电阻越大，填充系 数就越大，反映到太阳能电池的电流-电压特性曲线上， 曲线就越接近矩形，此时太阳能电池的转换效率就越高。
diffusion I3(anode) 3I (cathode) electrolyte
circuit e- |TiO2 e- |Pt
(2) (3) (4)
(5)
(6)
electron recapture I3 + 2e-(cb) 3I dark reaction recombination TiO2 |S+ + e-(cb) TiO2 |S dark reaction
(1)
injection TiO2 |S* TiO2 |S+ + e-(cb) regeneration TiO2 |2S+ + 3I- TiO |2S + I 2 3 anode deoxidizing reaction I3 + 2e-(Pt) 3I cathode
填充因子 0.26 0.483
效率 （%） 1.47 4.51
存在问题
1. TiO2与空穴传输层之间的界面电荷复合率高;
电池填充因子较低
2. 空穴传输材料本身的导电率很低；电 Nhomakorabea光电流较低
3. 电解质与电极纳米粒子之间的接触性能差； 影响界面上的电荷传质速度，降低填充因子
染料敏化太阳能电池的概述
染料敏化太阳能电池的概述染料敏化太阳能电池（Dye Sensitized Solar Cells，简称DSSC）全称为“染料敏化纳米薄膜太阳能电池”，由瑞士洛桑高等理工学院（EPFL）Gratzel教授于1991年取得突破性进展，立即受到国际上广泛的关注和重视，DSSC主要是指以染料敏化多孔纳米结构TiO2薄膜为光阳极的一类半导体光电化学电池，另外也有用ZnO、SnO2等作为TiO2薄膜替代材料的光电化学电池。
1.1染料敏化太阳能电池优点它是仿照植物叶绿素光合作用原理的一种太阳能电池。
由于染料敏化太阳能电池中使用了有机染料，其功能就如同树叶中的叶绿素，在太阳光的照射下，易产生光生电子，而纳晶TiO2薄膜就相当于磷酸类脂膜，因此我们形象的把这种太阳能电池称为人造树叶。
DSSC 与传统的太阳电池相比有以下一些优势：（1）寿命长：使用寿命可达15-20年；（2）结构简单、易于制造，生产工艺简单，易于大规模工业化生产；（3）制备电池耗能较少，能源回收周期短；（4）生产成本较低，仅为硅太阳能电池的1/5～1/10，预计每瓦的电池成本在10元以内；（5）生产过程中无毒无污染；纳米晶染料敏化太阳能电池有着十分广阔的产业化前景和应用前景，相信在不久的将来，DSSC将会走进我们的生活。
因此吸引了各国众多科学家与企业大力进行研究和开发，近年来获得了飞速发展。
1.2染料敏化太阳能电池（DSSC）的結构组成染料敏化太阳能电池包括四部分：纳米氧化物半导体多孔膜（TiO2，ZnO），含有氧化还原电对的电解液（I-/I3-），作为敏化剂的染料（如N719/N3）以及对电极（如Pt）。
除此之外DSSC还需要衬底材料，通常为氟掺杂的氧化锡导电玻璃（FTO导电玻璃）。
该实验中，纳米氧化物半导体多孔膜为ZnO，敏化剂用N719染料。
（1）FTO透明导电玻璃FTO导电玻璃为掺杂氟的SnO2透明导电玻璃（SnO2：F），简称为FTO。
FTO玻璃被作为ITO导电玻璃的替换用品被开发利用，可被广泛用于液晶显示屏，它是染料敏化太阳能电池的TiO2/ZnO薄膜的载体，同时也是光阳极电子的传导器和对电极上电子的传导器和对电极上电子的收集器。
染料共敏化纳米晶太阳能电池的性能研究
离子体物理研究所，２００１ ［４］于凌宇，冯玉萍．国际纳米太阳能电源研制技术新动向［Ｊ］． 今日电子，２０００（８）：２０～２５
Ｗ／ｍ２。由光电转换效率公式７一手｛｝×１００％
１
［５］苏树兵，宋世庚，郑应智，等．ＮＰＣ电池染料敏化剂的研究进 展［Ｊ］．电子元件与材料，２００２，２１（２）：２６～３０ ［６］孙 宝，郝彦忠，李伟，等．纳米太阳能电池研究进展口］．河
Ｍｎｍ
２．４．１开路电压和短路电流
图２罗丹明吸收光谱图
Ｆｉｇ．２ Ａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ
ｓｐｅｃｔｒａ
ｏｆ ｄｙｅ
Ｒｈｏｄａｍｉｎｅ Ｂ
用万用电表测试已制得的不同染料敏化电池 的开路电压和短路电流。其结果见表１。
表１不同染料敏化电池的开路电压与短路电流
Ｔａｂ．１ Ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ ｏｆ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｄｙｅ ｏｆ ＮＰＣ ｃｅｌｌｓ
Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｍｕｔｕａｌ ｓｅｎｓｉｔｉｚａｔｉｏｎ；ｐｕｒｅ ｏｒｇａｎｉｃ ｄｙｅ；ｌｉｇｈｔ～ｔｏ—ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｅｎｅｒｇｙ ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ
而具有许多特殊的不同于块体材料的性质，形成的
引
言
染料敏化纳米晶光电化学太阳能电池（Ｄｙｅ—
膜具有非常大的比表面积。由于其禁带宽度较宽， 不利于直接吸收太阳光，但在表面上可以吸附大量 禁带宽度较窄的染料分子，因而可以有效地吸收太 阳光。 染料性能的优劣将直接影响ＮＰＣ电池的光电
［２］王君，郑玉琦，辛艳凤，等．纳米晶化学太阳能电池的研究 进展［Ｊ］．应用科技，２００１，２８（８）：３３～３８ ［３］ 王瑞斌．纳米二氧化钛性能的研究及在染料敏化纳米薄膜电 池中的应用的研究［Ｄ］。硕士学位论文，合肥：中国科学院等
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技术与市场第18卷第2期2011年
利用光电转换原理的太阳能光伏发电是可再生能源利用的一个重要方向，光伏工业是目前发展最快的产业。
在过去五年中，世界光伏电池产业以平均每年30%的速度增长，成为比IT行业发展更快的产业。
怎样提高染料敏化纳米晶太阳电池（简称DSSC）的稳定性和转换效率，是关乎该电池实际利用前景的重大课题。
虽然目前液态DSSC转换效率已经达到12%左右，固态或准固态DSSC也有6%~7%的报道，但是这离商业化的最佳标准还有很大的距离。
本研究目的在于提高DSSC的转换效率和稳定性。
应用范围
从远期看，光伏发电将以分散式电源进入电力市场，并部分取代常规能源；从近期看，光伏发电可以作为常规能源的补充，解决特殊应用领域，如通信、信号电源和边远无电地区民用生活用电需求，从环境保护及能源战略上都具有重大的意义。
目前，全世界太阳能电池的生产厂不下几百家，已有100万套光伏系统在运转，2000年，全世界太阳电池的产量达到287.7MW，累计安装量已超过1300M W，预计到2030年，光伏发电在世界的总发电量中将占到5%～20%。
光伏发电在许多应用领域都被证明其技术是成熟的，在经济上是合算的。
分析表明，在目前光伏电站有效系统功率与输电距离的比值小于100瓦/公里时，建光伏电站较常规电网延伸供电经济。
因此，阳光发电是解决我国边远地区和特殊领域供电的重要途径。
我国是个发展中国家，地域辽阔，有许多边远省份和经济不发达地区。
据统计，目前尚有约900万户、2800万人口还没有用上电，60％的有电县严重缺电。
这些地区的农牧民居住分散，远离电网，而且用电水平很低（人均年用电仅为120千瓦时），在10年甚至20年内都不可能靠常规电力解决他们的用电问题，光伏发电则是解决分散农牧民用电的理想途径，市场潜力十分巨大。
主要技术指标
在AM1.5标准模拟太阳光照射下，液态染料敏化纳米晶太阳能电池转换效率达到8.1％，固态染料敏化纳米晶太阳能电池光电转换效率达到4.8％。
市场分析及产业化前景
太阳能作为取之不尽同时又是生态学上纯净的和不改变地球上燃料平衡的能源，有着能源总量大，又容易实现小型化的优点，因此，对它的开发利用在近几十年来越来越受到人们的重视。
太阳能利用也将是新世纪经济展望中最具决定性影响的技术领域之一。
据欧洲委员会估计，在2010年，世界光伏电池总装机容量将达到14000MWp，而2030年其规模将增加10倍，达到140000M Wp。
按目前的市场价，到2030年将创造5040亿美元的价值，这将产生巨大的经济效益。
追求低成本、高光电转换效率是太阳能电池板领域追求的两大目标。
为此，无论是企业还是政府，都投入了大量的人力物力进行高效低成本的太阳能电池研究开发。
太阳能电池属于典型的高科技产品，为大众提供能源，也是每个太阳能科研工作者的理想。
染料敏化纳米晶太阳能电池具有比传统太阳能电池成本更低廉（仅为后者的1/8～1/10）、工艺更简单的特点。
若全固态染料敏化纳米晶太阳能电池大面积制作后，效率能稳定在3％左右，完全具有产业化的能力。
投资概算
投资少（小于500万元），工艺简单，环境友好。
合作方式
股份制或共同研发。
单位：武汉大学物理科学与技术学院
地址：湖北武汉武昌珞珈山
邮编：430072
电话：（027）8764278462072113
染料敏化纳米晶太阳能电池
院校成果
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