染料敏化太阳能电池
染料敏化太阳能电池
染料敏化太阳能电池物理科学与技术学院化学物理学交叉培养班张玲玲 2011213434 摘要染料敏化太阳电池主要是模仿光合作用原理，研制出来的一种新型太阳电池，其主要优势是原材料丰富、成本低、工艺技术相对简单，在大面积工业化生产中具有较大的优势，同时所有原材料和生产工艺都是无毒、无污染的，部分材料可以得到充分的回收，对保护人类环境具有重要的意义。
本文主要从染料敏化太阳能电池的原理和电解质来进行介绍。
关键词染料敏化太阳能电池原理制备一、染料敏化太阳能电池的基本结构染料敏化太阳能电池主要由纳米多孔半导体薄膜、染料敏化剂、氧化还原电解质、电极和导电基底等几部分组成。
纳米多孔半导体薄膜通常为金属氧化物（TiO2、SnO2、ZnO等），聚集在有透明导电膜的玻璃板上作为染料敏化太阳能电池的负极。
对电极作为还原催化剂，通常在带有透明导电膜的玻璃上镀上铂。
敏化染料吸附在纳米多孔二氧化钛膜面上。
正负极间填充的是含有氧化还原电对的电解质，最常用的是I3/I-。
图1染料敏化太阳能电池的基本结构二、染料敏化太阳能电池的工作原理当太阳光照射在染料敏化太阳能电池上，染料分子中基态电子被激发，激发态染料分子将电子注入到纳米多孔半导体的导带中，注入到导带中的电子迅速富集到导电玻璃面上，传向外电路，并最终回到对电极上。
而由于染料的氧化还原电位高于氧化还原电解质电对的电位，这时处于氧化态的染料分子随即被还原态的电解质还原。
然后氧化态的电解质扩散到对电极上得到电子再生，如此循环，即产生电流。
电池的最大电压由氧化物半导体的费米能级和氧化还原电解质电对的电位决定。
图2 染料敏化太阳能电池的工作原理示意图2.1纳米晶多孔薄膜作为太阳能电池半导体材料，首要条件为光照下性能稳定。
考虑到只有禁带宽度Eg ﹥ 3eV 的宽带隙半导体才满足这一条件，因此可以用作DSC 半导体材料的禁带宽度必须大于3eV 。
TiO2禁带宽度为3. 2eV ，是性能最优、使用最广泛的DSC 半导体电极材料。
染料敏化太阳能电池的原理
染料敏化太阳能电池的原理1. 引言嘿，朋友们，今天咱们来聊聊一个既酷又有意思的东西——染料敏化太阳能电池。
你可能在想，太阳能电池是啥？不就是那个一到阳光照就能发电的黑色板子嘛！其实，它背后可是有一套复杂又神奇的原理，能让你在喝着冰镇饮料的同时，也为环保出一份力！所以，接下来就让我带你深入了解一下这个“阳光小助手”的工作原理吧。
2. 染料敏化太阳能电池的工作原理2.1 基本概念首先，咱们得明白，染料敏化太阳能电池（DSC）其实是利用了染料的特性来捕捉阳光的。
简单来说，就是把阳光变成电能的“变魔术”过程。
它的核心原理就是利用光敏染料吸收阳光，把光能转化为电能。
想象一下，你在阳光下晒太阳，皮肤变黑了，其实就是吸收了光线，DSC就是在做类似的事情！2.2 具体步骤接下来，咱们分步来看这个过程。
第一步，染料吸收阳光，就像你在海边捡贝壳，太阳光就是那些闪闪发光的贝壳。
第二步，这些染料吸收的光能会激发出电子，就像一颗闪亮的种子，滋生出新的生命。
然后，这些激发出来的电子会进入导电材料，形成电流，给我们带来电能。
最终，经过一系列的“调皮捣蛋”，电流就可以被收集起来，供我们使用。
3. 为什么选择染料敏化太阳能电池3.1 优势那么，为什么要选择这种电池呢？它的优势可多着呢！首先，它的制作成本相对较低，普通人也能用得起。
其次，它的效率在一些情况下甚至能跟传统太阳能电池媲美，真是让人刮目相看。
而且，这种电池还可以在弱光环境下发挥作用，像阴雨天也不怕，真是雨天的“光明使者”！3.2 环保性更重要的是，染料敏化太阳能电池对环境的影响极小，几乎是零污染。
可以说，它是大自然的好朋友，能帮助我们保护环境，减少对化石燃料的依赖。
试想一下，如果大家都用上这种电池，地球妈妈肯定会开心得合不拢嘴！4. 未来展望当然，染料敏化太阳能电池也有它的挑战，比如稳定性和耐用性等问题，但科学家们正在不断努力攻克这些难关。
想象一下，未来的某一天，咱们的手机、家电甚至汽车都能通过这种电池来供电，那真是美梦成真啊！阳光就是我们的“电源”，生活会变得多么便利和环保。
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。
染料敏化太阳能电池
D*— D++e-— Ecb
3)处于氧化态的染料分子(D+)则通过电 解质(ni3_)溶液中的电子给体(r),自身 恢复为还原态,使染料分子得到再生。
3r+2D+—2D + I3—(染料还原)
4)注入到半导体导带中的电子与 氧化态的染料发生复合反应:
D++e—— D (电子复合)
5)注入半导体导带的电子被收集到导电玻璃 基体,并通过外电路流向对电极,形成电流。 6)注入到半导体导带中的电子与电解质溶液 中的If发生复合反应: I3-+2e_— 3I- (暗电流)
DSSC电池的发展面临的主要挑战包括以下几个方面:
• 高效电极(光阳极和对电极 )的低温制 备和柔性化 ; • 廉价、稳定的全光谱染料的设计和开 发 ; • 液体电解质的封装和高效固态电解质 的制备及相关问题的解决等。
染料敏化太阳能电池的发展现状与前景
• 目前 , DSSC电池已经发展到向产业化过渡 的阶段。 在现有技术的基础上 , 进一步降低成本、 提高效率和稳定性、推进工业化的进程是必 然的发展趋势。
7)电解质溶液中的电子供体r提供电子后成为 If,扩 散到对电极,在电极表面得到电子被还原: l3 +2e-— 3I(电解质被还原)
_
实际应用典例
•
目前像英国G24发明可携式可卷曲的太阳 能充电塑料垫，转换效率仅2.5%，但可以充 手机电源，整组售价20美元。在日本2009年 Eco Products Fair环保产品展览会上，也有 不少大约如3.2寸屏幕的智能型手机大小的太 阳能充电器，可以凭借日光或室内光源，来 对较小型的3C装置如Mp3随身听充电。但受限 于目前太阳能电池转换效率仍太低、制造成 本与发电成本仍然偏高的情况下，产品的附 加成本与售价能不能为消费者所接受，是一 项严肃的课题。
染料敏化太阳能电池和有机太阳能电池
染料敏化太阳能电池和有机太阳能电池染料敏化太阳能电池和有机太阳能电池是目前新型太阳能电池技术中具有重要研究价值的两种类型。
两者在实现清洁能源利用方面都有着重要的意义。
首先，本文将分别介绍两种太阳能电池的工作原理和结构特点，然后比较两者的优缺点以及在未来应用前景方面的展望。
最后，将对两种太阳能电池的未来发展提出一些展望和建议。
染料敏化太阳能电池（DSSC）工作原理是利用染料敏化半导体膜，通过光生电子－空穴对，产生一个电子被注入导电材料的过程，从而产生电流。
DSSC的结构是由玻璃基底、导电玻璃、阳极（TiO2薄膜）、电解质、阴极（Pt）等组成的。
这种太阳能电池因其低成本、易制备、高转换效率等特点而备受关注。
有机太阳能电池（OPV）又称为塑料太阳能电池，其工作原理是利用有机半导体材料吸收光子后产生电子-空穴对，将电子注入到电极上，从而产生电流。
OPV的结构包括有机半导体薄膜、透明导电层、金属导电层等。
有机太阳能电池因其轻薄、柔性、低成本等特点，被认为是未来太阳能电池领域的发展方向。
两种太阳能电池在光电转换效率、稳定性、生产成本、材料寿命、材料丰富度等方面都有所不同。
DSSC的光电转换效率较高，但在稳定性和材料寿命方面存在一定的问题；而OPV在生产成本和可塑性方面具有优势，但转换效率较低。
两者的未来应用前景也不尽相同，DSSC适用于建筑一体化等大型应用领域，而OPV则适用于轻便、柔性的便携式设备。
未来，DSSC可以通过材料改性、器件结构优化等技术手段提高其稳定性和寿命，同时更多地探索高效、廉价的染料和电解质。
而OPV可以通过材料设计合成、工艺工程实现将提高转换效率，并提高大规模生产的制备技术。
在应用方面，两者可以通过与其他新能源技术相结合，拓展多种应用场景。
总体来说，两种太阳能电池技术在未来都具有重要的发展潜力。
需要深入研究其中的物理和化学机制，并通过工程技术手段来优化器件性能，同时也需要加强两者之间的技术对接和协同创新。
染料敏化太阳能电池
染料敏化太阳能电池
染料敏化太阳能电池(Dye-Sensitized Solar Cells，DSSCs)是一种太阳能转换技术，它利用来自太阳能源的可再生能源来产生电能。
DSSCs 具有体积小、成本低、简单结构及
高性能的优点，是当今太阳能应用开发的重点之一。
DSSCs 的基本结构是一个带氧化空隙的薄膜，通常称为光敏层，它由一个氧化物(通
常是TiO2)和染料混合物组成。
染料的主要作用是将太阳能转换为可被空隙电荷转移的 6 至 8 光子电荷。
接下来，光子电荷穿过 TiO2 的空隙转移到层间电子传输剂。
当染料被
电子传输剂充电后，它将被转移回正极材料，从而生成电流。
此外，DSSC 内部还有一层
电解质膜与正极材料反应，产生盐极化供给整个电池能量，并回流以保持整个电池平衡，
使其便于存储能量和恒定输出电流。
在DSSCs 中，最重要的组成部分是染料，它们具有分解太阳能的能力，并响应光能来吸收能量，有效地将能量转化为可以通过电荷转移进行存储的光子电荷。
染料也会影响DSCC 的整体性能，染料应具有合适的紫外线 - 可见能量跨越范围和优良的光动力学性能，以最大程度地提高太阳能转换效率，同时突出它的可靠性和经济性。
在近年来，随着新型
染料的迅速发展，染料敏化太阳能电池的效率和成本也有了显著的改善。
综上所述，染料敏化太阳能电池的表现令人印象深刻，因为它具有体积小、成本低、
简单结构及高性能的优点，是太阳能应用开发的重点之一，在未来，它将有效地帮助人类
利用可再生能源来发展可持续的能源系统，从而改善环境问题，提高我们的生活质量。
染料敏化太阳能电池和有机太阳能电池
染料敏化太阳能电池和有机太阳能电池
染料敏化太阳能电池（Dye Sensitised Solar Cells，简称DSSC）和有机太阳能电池（Organic Solar Cells，简称OSC）都是利用有机材料作为光激活层的太阳能电池，
但它们在工作原理、结构和性能上存在一些差异。
染料敏化太阳能电池是一种有机/无机复合电池，主要由吸附染料的纳米多孔半导体
薄膜、电解质和对电极构成。
它的工作原理是染料分子受光激发后，从基态跃迁到激发态，然后染料中处于激发态的电子迅速注入到纳米半导体的导带中，完成载流子的分离。
注入到半导体导带中的电子经外回路至对电极，并在外电路中形成光电流，处于氧化态的电解质在对电极接收电子被还原，氧化态的染料被还原态的电解质还原再生，完成一个循环过程。
染料敏化太阳能电池的光电能量转换率可以达到
11%以上，且其制备过程简单、成本低，因此被认为是一种具有潜力的太阳能电池。
有机太阳能电池则是利用有机材料的光电效应来产生电能的器件。
它的基本结构包括两个电极（阳极和阴极）以及夹在两个电极之间的有机半导体材料。
当太阳光照
射到有机半导体材料上时，会激发产生电子-空穴对，然后电子和空穴分别被两个电
极收集，从而形成光电流。
有机太阳能电池具有轻薄、柔性、可大面积制备等优点，因此在可穿戴设备、建筑集成光伏等领域具有广阔的应用前景。
总的来说，染料敏化太阳能电池和有机太阳能电池都是利用有机材料的光电效应来产生电能的器件，但它们在结构、工作原理和性能上存在一些差异。
具体选择哪种类型的太阳能电池取决于应用场景、成本、效率等因素。
染料敏化太阳能电池
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染料敏化太阳能电池技术及应用
01
染料敏化太阳能电池基本原理及结构
染料敏化太阳能电池的工作原理概述
光吸收过程
• 染料分子吸收太阳光 • 激发态染料分子与半导体纳米颗粒 相互作用
光生电子空穴对生成
• 激发态染料分子衰变产生电子空穴 对 • 电子空穴对在半导体纳米颗粒中分 离
对电极层
• 作为电池的正负极 • 收集和传输光生电子 • 与电解质接触实现离子 传输
电解质层
• 填充在染料敏化半导体 层与对电极层之间 • 提供离子传输通道 • 维持电池内部的电化学 平衡
染料敏化太阳能电池的关键材料介绍
染料分子
• 光敏性染料 • 宽光谱吸收 • 高光吸收系数
电解质材料
• 固态电解质 • 液态电解质 • 离子液体电解质
半导体纳米颗粒
• 纳米尺寸效应 • 高表面积 • 快速电子传输
对电极材料
• 贵金属对电极 • 复合对电极 • 导电聚合物对电极
02
染料敏化太阳能电池的性能特点及优势
染料敏化太阳能电池的光电转换效率及性能优势
光电转换效率
• 高于传统硅太阳能电池 • 目前实验室最高光电转换效率达25%
性能优势
• 宽光谱吸收 • 低成本原材料 • 柔性及可透明性 • 良好的环境稳定性
技术进步
• 提高光电转换效率 • 改善稳定性 • 降低成本
创新方向
• 新型染料分子研究 • 新型半导体纳米颗粒研究 • 新型电解质材料研究
染料敏化太阳能电池的市场前景及增长潜力
市场前景
• 全球能源转型 • 太阳能市场需求增长 • 染料敏化太阳能电池市场份额扩大
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二、TiO2 膜 表 面 处 理 及 修 饰
三、TiCl4 的 处 理 （下次）
焙 烧 工 艺
不同的焙烧方式对膜厚的影响
焙烧工艺对二氧化钛结晶性能的影响
焙烧工艺对薄膜形貌的影响
焙 烧 方 式
方式1：印刷一层Ti02浆料后，静置3min，烧结。
降温至室温时，取出，重复印刷、静置、烧结。
氧化还原电解质(I3-/I-)
DSSC
光敏材料（N719）
Pt 对电极
DSSC的工作原理
1、S + hv → S* (S 为染料基态，S* 为
染料激发态)
2、S* → S+(氧化态dye)+e- (进入TiO2 导带)
3、 2S+ + 3I- → 2S + I3- （染料的再生）
4、I3- + 2 e- →3I- （电解质的还原，在
2.5 wt% SiO2
5 wt% SiO2
7.5 wt% SiO2 10 wt% SiO2
12.5 wt% SiO2 15 wt% SiO2
随着SiO2/TiO2的质量比增大，薄膜的厚度略有所下降，当质量比为 15%时，薄膜的厚度有部分的增加。
不同含量的SiO2对晶型的影响
不同含量的SiO2对形貌的影响
焙烧方式1 （525°C梯度升温）
焙烧方式2 （525°C梯度升温）
总 结
对TiO2薄膜的焙烧方式：采用丝网印刷技术均匀 印刷完TiO2浆料后，静置5min，125˚C干燥6min， 利用Curve3，自然冷却到室温，得到的纳米晶 TiO2薄膜空隙大、表面断面平整，光吸收效率高。
TiO2膜表面处理及修饰
填充因子 FF( %) 0.6194841 0.63874583 7 0.56558895 4 0.55509102 1 0.59422321 1 0.60157108 7 0.56196106 9
效率 η ( %) 4.1955
2.5%
9.84
4.8702
5% 7.5% 10%
16.26 21.14 16.38
34.08 46.67
颗粒尺寸变化不大，但比表面积最大增加了38%，孔容最大增加了31%
不同SiO2量掺杂对光电性能的影响
电流密度 Jsc/(mAcm2) 8.88
DSSCs 0%
开路电压 Voc( V) 0.762684 0.774867 9 0.752734 1 0.71789 0.73160
对电极上发生）
评价DSSC的技术指标
光电转化效率(IPCE)
1.25103 I sc IPCE ( I sc 单色光下的短路光电流 密度，入射单色光的波长， in入射单色光的光强 P ) Pin
IPCE与入射单色光波长之间关系曲线称为光电流工作谱，它可以直观的反应DSSC 对不同入射光波长的利用效率。
Curve3
焙 烧 曲 线
采用梯度升温的方式 后，衍射峰的强度进 一步增强。利用焙烧 曲线3，可以得到结晶 性能比较理想的TiO2 颗粒。
曲线1-3 X射线衍射图谱
焙烧工艺对薄膜形貌的影响
A B
C
D
方式1和方式2得到断 面都比较平整，厚度几 乎相同，方式1得到的 薄膜稍厚（约厚0.5um） 方式2得到的晶粒尺寸 与孔洞稍大。
I–V曲线
光电流工作谱可以很好的反应DSSC对某一单色光的转化效率，却很难反应出DSSC 在太阳光照射下的真实的工作状态，而I-V曲线则可直观的反映DSSC在太阳光下性能 从I-V曲线中可以得到以下参数：Isc,Voc，填充因子（fill factor; FF）,光能-电能转化效 率（）
填充因子： FF
52.112 58.314 63.982 67.488
孔容（cm3/g）
0.5418 0.6146 0.5786 0.6221
孔径分布峰值（nm）
34.27 34.30 31.13 37.04
157 53.84
0.6909
0.7087 0.6106
33.50
Popt I sc Voc
I opt Vopt I sc Voc
; I opt ,Vopt 为电池具有最大输出功 Popt的电流和电压 率
光能 -电能转化效率：
P opt P in
; P 为最大输出功率， in为输入光功率 P opt
DSSC的光阳极的优化
一、烧 结 工 艺
光阳极的优化
染料敏化太阳能电池
报告人：王海平 时间 ：2011.05.28
染料敏化太阳能电池（DSSC）
DSSC的组成及工作原理 评价DSSC的技术指标 DSSC光阳极的优化 将来的计划
1 3
2
3 4
DSSC的组成及工作原理
DSSC的组成部分
DSSC的工作原理
DSSC的组成
TiO2 纳米晶多孔半导 体薄膜
A0 B2.5 C5.0 D7.5
E10.0
F12.5
G15.0
团聚
复合薄膜的微观形貌有些不同，复合薄膜纳米颗粒在三维空间 堆积而成，颗粒尺寸变化不大，随着掺杂量的不同，孔洞多少 有所不同。
不同SiO2量掺杂对比表面的影响
SiO2与TiO2 的质量比 0% 2.50% 5% 7.50%
比表面积（m2/g）
方式2：印刷一层Ti02浆料后，静置3min,125°C
干燥6min，取出后冷却，重复印刷、静置、干燥， 烧结。
对膜厚的影响
焙烧方式1
焙烧方式2
焙烧最适温度
不同的焙烧温度对TiO2的晶型及晶粒尺寸 有比较大的影响，为了得到最适焙烧温度， 分别采用相同的升温速率（10度/分钟）直 线升温至400 ˚C，425 ˚C，450 ˚C，475 ˚C，500 ˚C，525 ˚C，550 ˚C，575 ˚C后 保温30min，自然降温至室温。
温度对TiO2结晶性能的影响
温度从400˚C 增至525˚C的 过程中， （101）面衍 射峰的强度逐 渐加强，当温 度为525˚C时， 衍射峰在25.4º 处达到最强， 此峰属于锐钛 矿的特征峰。
焙 烧 曲 线
固定焙烧的温度为525˚C，将直线升温方式变为 梯度升温的方式。
Curve1
Curve2
TiO2膜修饰：包覆 、绝缘钝化 、酸碱处理等 。
包覆：可以轻微的引起导带的负移，形成能量势
垒，该势垒可以帮助电子注入，阻滞电子向相反 的方向扩散。 AL2O3、TiO2、MgO、ZnO包覆 SnO2膜 。
SiO2：禁带宽度约为5.2eV (TiO2为3.2ev)，可能
会提高短路电流和开路电压，继而提高了电池的 效率，原料来源丰富。
6.8969 8.4254 7.1212
12.5%
0.72321
15.98
6.9519
15%
0.764144
15.61
6.6989
将来的工作计划
调研TiO2浆料制备技术
加深对DSSC电子传输动力学机理理解（电子复
合过程）
总结实验，发表论文（重点）
我相信太阳能电池技术的发展必定使我们的生活 更加便捷，我们的生活方式也将会随之发生巨大 的变化！
包覆SiO2对电池的影响
包覆SIO2对厚度的影响 包覆SiO2对晶型的影响 包覆SiO2对形貌的影响 包覆SiO2对比表面的影响 包覆SiO2对DSSC光电性能的影响
不同含量SiO2对薄膜厚度的影响
层数 SiO2含量 0 wt%SiO2 3.38 2.32 3.49 2.98 2.26 2.32 3.57 7.42 4.89 7.43 5.82 6.67 5.96 9.18 14.6 9.97 13.38 11.8 13.14 11.95 12.91 18.1 13.18 15.38 16.04 15.61 15.43 14.47 21.7 17.64 20.56 21.8 20.8 19.22 20.16 一层（um） 二层（um） 三层（um） 四层（um） 五层（um）