染料敏化太阳能电池材料
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, DSSC电池)主要由宽带隙的多孔n型半导体(如TiO2 , ZnO等) 、敏化层(有机染料敏化剂)及电解质或p型半导体组成。
由于采用了成本更低的多孔的n - 型TiO2 或ZnO半导体薄膜及有机染料分子, 不仅大大提高了对光的吸收效率, 还大规模地降低了电池的制造成本, 所以具有很好的开发应用前景。
按照吸附层和电解质的不同,DSSC电池又包括两种类型: 含有液体电解质的染料敏化光电化学电池(Dye --Sensitized Photoelectro2chemical Cells, DSPEC) ; 固体有机电解质的染料敏化异质结太阳能电池(Dye - Sensitized Heterojunc2tion Solar Cells, DSH电池)。
Gratzel 等人于1993年在Nature上报道了用联吡啶钌染料RuL2 ( SCN) 2 (L = 2, 2’ - bipyridyl -4, 4 - dicarboxylate, 即2, 2’ - 联吡啶- 4, 4’- 二羧酸)作敏化剂的DSPEC太阳能电池, 能量转化效率达到10 以上。
该染料具有很高的稳定性,经过5 ×107 次循环(相当于在自然光下20年)都不会有光伏损失, 使这种技术商业化应用成为可能。
由于采用了廉价的TiO2 材料和有机敏化剂, 这种电池转化效率高, 制造工艺更加简单, 成为近年来的研究热点。
染料敏化太阳能电池的结构和工作原理DSC电池的结构如图1所示, 主要包括3部分: 吸附了染料的多孔光阳极、电解质和对电极。
染料吸收光子后发生电子跃迁, 光生电子快速注入到半导体的导带并经过集流体进入外电路而流向对电极。
失去电子的染料分子成为正离子, 被还原态的电解质还原再生。
还原态的电解质本身被氧化, 扩散到对电极, 与外电路流入的电子复合, 这样就完成了一个循环。
染料敏化太阳能电池的基本结构和工作原理
染料敏化太阳能电池的基本结构和工作原理基本结构：1. 导电玻璃衬底：通常使用透明导电玻璃作为衬底材料，如ITO (indium tin oxide)。
2.透明导电层：透明导电层用于增加电池电子传导性能，并使阳光可以透过它进入电池。
通常使用氧化铟锡（ITO）作为透明导电层。
3.染料敏化薄膜：染料敏化薄膜是DSSC中的核心组件。
这层薄膜涂覆在导电玻璃衬底上，包含一种染料分子，其结构类似于天然叶绿素。
染料分子吸收阳光中的光子并将其转化为电子。
4.电解质：电解质是DSSC中一个重要的组成部分，通常采用液态电解质或固态电解质。
电解质滋润染料敏化薄膜，并在阳光下接受电子并形成离子。
5.对电极：对电极通常是以可导电的材料如铂、碳黑等制成，用于接收电子并将其导出电池。
工作原理：DSSC的工作原理基于光电化学。
首先，太阳光通过透明导电层进入染料敏化薄膜。
染料分子吸收阳光中的光子，并将这些光子的能量转化为电子激发。
这些激发的电子通过导电材料（电解质）传输到对电极上，并导出电池，形成电流。
在染料吸收光子后，电解质中的电子会被阳光中的光子激发并形成离子。
这些离子通过电解质传导到对电极，与来自导电玻璃衬底的电子相结合。
在对电极上，电子于阳离子结合，形成阳极回路，提供了闭合电路以供电子流动。
同时，通过导电玻璃衬底将电子从太阳能电池接出。
由于染料敏化太阳能电池使用廉价材料和简单的制备工艺，具有较低的制造成本。
此外，它还具有较高的光电转换效率，特别是在低光条件下的效果更突出。
然而，由于染料的稳定性及透明导电层的薄膜性能等问题，目前仍需进一步研究和改进。
染料敏化太阳能电池材料
理论研究
25
染料敏化太阳能电池领域发展了二十多年，虽然至今没有实现大规模的应用，还是带动了一系列学科的发展。近几年相关领域论文数目出现大幅度下降，不少研究者也纷纷转向其他方向。尽管有人对染料敏化太阳能电池发展前景存疑，但仍旧有部分课题组坚持着相关研究，特别是固态染料敏化太阳能电池方向。
（一）镜面型散射材料
理论研究
18
（二）空心型散射材料
理论研究
19
（三）多功能的复合型散射材料
PARTFOUR
理论研究
21
对电极在染料敏化太阳能电池中主要担负电解质中离子的还原，使电解质中的氧化还原电对处于平衡状态。为了使碘三离子的还原反应顺利地进行，需要采用具有一定催化活性的材料来作为对电极。
PART ONE
PART TWO
PART THREE
太阳能因其清洁无污染、储量巨大、不受地域限制等优点一直被认为是最有潜力的新能源
研究背景
5
PART FOUR
太阳能电池的发展最早可以追溯到年法国的在液体电解质中发现的光生伏特效应，他以涂有氧化铜或鹵化银的金属电极浸入稀电解质溶液中，在光照的条件下产生电流。随后用硒做出了实际的太阳能电池，但一直到20世纪中期，虽经各方努力，硒只能将太阳光的1%左右转换为电能，因此并没有实用化的器件产生。直到年美国实验室的和首次制备了转换效率为的6%单晶硅太阳能电池，揭开了太阳能电池应用的序幕。在随后的数十年时间里，非晶硅、非晶硅薄膜、砷化镓、硫化镉、铜铟镓硒、有机聚合物和染料敏化等各类太阳能电池相继被研发出来。
出自： Advanced Materials, 2016, DOI: 10.1002/adma.201602382
PARTSIX
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的制备与性能研究
染料敏化太阳能电池的制备与性能研究染料敏化太阳能电池是一种基于化学敏化的电池，其具有高效能转化、成本低廉、可替代性强等优点，因此在可再生能源领域得到了广泛的研究和开发。
本文将探讨染料敏化太阳能电池的制备方法和性能研究进展。
一、制备方法1. 染料敏化太阳能电池的结构染料敏化太阳能电池的结构一般由透明导电玻璃、导电层、染料敏化剂、电解质和另一导电层组成。
其中，透明导电玻璃为基底，一般采用氧化锡和氧化铟的混合物或者氧化铟锡(ITO)玻璃；导电层常用的是纳米二氧化钛(TiO2)薄膜，其表面积大、光学性能优良、稳定性好且易于制备；染料敏化剂则为光敏染料，其一般通过分子修饰的方法实现电子吸附和光吸收；电解质则为一个带正电荷的离子流体，可以传递电子和离子，促进了染料敏化太阳能电池中的光电转换；另一导电层则为电子传输介质，可以减少电池的电阻，常用的是铂。
2. 制备过程染料敏化太阳能电池的制备过程一般包括化学浴沉积法、物理气相沉积法、喷墨印刷法等方法。
其中，化学浴沉积法是最为常用的方法，其制备步骤包括：先采用ITo材料进行导电玻璃的制备；接着，利用溶胶凝胶法合成纳米二氧化钛材料；然后通过电化学沉积法将染料敏化剂吸附于二氧化钛薄膜表面；最后，将电解质液体倒入腔体，再覆盖另一块玻璃，用硅胶密封电极即可制备完成。
二、性能研究1. 能量转换效率染料敏化太阳能电池的性能主要表现在能量转换效率上。
目前，众多研究成果表明，采用溶胶凝胶法合成的纳米二氧化钛材料和三层TiO2结构的电极具有较高的能量转换效率。
2. 光电流密度另外，染料敏化太阳能电池的光电流密度也是其性能衡量指标之一。
利用优化的TiO2薄膜、合适的染料敏化剂和电解质，可使得光电转换效率达到较高的值。
3. 稳定性染料敏化太阳能电池的稳定性也是制约其应用的原因之一。
近年来，研究者通过降低电解质质量、用纳米二氧化钛或无机金属离子替代有机电解质等方法，提高了染料敏化太阳能电池的稳定性。
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及材料
二、 太阳能电池的应用
葡萄牙建设世界上最大的太阳能发电厂
4KW的屋顶太阳能电池组件
太阳能灯
太阳能交通信号灯
星球太阳能号 一艘船，长度达31米， 宽度15米，航行时很 “宁静和干净”。
雷诺太阳能电池车
三、硅太阳能电池简介
1、太阳能电池结构
2、晶体硅太阳电池的基本工艺
在200～500m厚的p型硅片上，通过扩散形成0.25 m左 右的n型半导体层，构成p—n结，其中p型硅作为基极，n型硅 作为发射极；在n型半导体上有呈金字塔形的绒面结构和减反 射层，然后是呈梳齿状的金属电极；而在p型半导体上直接有 背面金属接触，从而构成了典型的单结(p—n结)晶体硅太阳电 池。其主要工艺步骤包括：绒面制备、p—n结制备、铝背场制 备、正面和背面金属接触以及减反射层沉积。
❖ 联合国报告：铀矿还够人类至少使用85年 ❖ 安全问题
可再生能源
❖ 可再生能源包括风能、水能、地热能、海洋能、生 物质能、太阳能等。
➢ 太阳能是一种无污染并且取之不尽的能源，每年向 地球辐照的能量大约是5.4×1024J,是人类每年消耗 总能量的几万倍 。
➢ 利用方式：热辐射、太阳能发电、间接使用(生物质 能)。
3 薄膜太阳电池
❖ 薄膜太阳电池的厚度一般只有1～10 m，制备在玻璃等相 对廉价的衬底支撑材料上，因此，可以实现低成本、大面积 的工业化生产。根据薄膜材料的不同，主要的薄膜太阳电池 包括GaAs薄膜太阳电池、非晶硅薄膜太阳电池、多晶硅薄 膜太阳电池、CuInSe薄膜太阳电池和CdTe薄膜太阳电池等， 它们在不同领域中有不同应用。
❖ 全球化石能源还能使用的年限也基本在 之下，其 中煤炭122年，石油43.5年，天然气61.3年。
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黑磷量子点作为染料敏化太阳能电池光阴极提高效率
中南大学肖思、郭学益和中科院深圳先进技术研究 院喻学锋等科学家将基于黑磷量子点的光阴极应用 于固态n-型染料敏化太阳能电池，有效提高了光电 转换效率。不同于多数近红外吸收的材料只能应用 于吸光剂，黑磷量子点既可以作为近红外吸光剂， 又可以作为电荷传输层，因此在近红外区的吸收、 电荷传输以及电子复合都有明显提高。基于黑磷量 子点的染料敏化太阳能电池的效率比基于PANI的效 率提高了20%。
出自： Advanced Materials, 2016, DOI: 10.1002/adma.201602382
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参考 文献
理论研究
参考文献
29
THANKS
2014
Gratzel M.于《Nature》上 发表了关于染料敏化纳米晶 体太阳能电池的文章以较低 的成本得到了>7%的光电转
化效率
8
基本结构
染料敏化太阳能电池由五部分组成： 导电基底、染料、纳米晶氧化物薄膜、 电解质和对电极
9
基本原理
主反应 背反应
10
基本原理
11
阳极 材料
理论研究
光阳极材料旳类型
PPT论坛：
目录
CONTENTS
01 研究背景 Research Background
03 阳极材料 Anode material
05 未来展望 Future Prospect
02 基本概念 Basic Conception
04 对电极材料 Counter electrode materials
Pt对电极材料
铂（Pt）—直是最经典的对电极材料，铂的负载方法不同对最终对电极的催化活性和成本都 有很大影响。
21
理论研究
染料敏化太阳能电池对电极材料研究
（一）Pt对电极材料对电对电极材料极材料
22
理论研究
染料敏化太阳能电池对电极材料研究
（二）新型对电极材料电对电极材料极材料
铂作为一种稀缺贵金属，价格高昂，因此开发一些新型材料替代钼颗粒对降低染料敏化 太阳能电池成本有重要意义。碳材料如石墨粉、碳纤维、碳纳米管和石墨稀开始被用于 对电极材料，近年來，过渡金属氮化物也被开发出来用于对电极。
染料敏化太阳能电池
dye sensitized solar cells
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理论研究
一维纳米材料在光阳极中的应用
（二）一维有序纳米材料 一维有序纳米材料是在导电基底表面构筑垂直于基底面的定向排列的一维纳米阵列，这样光生 电子可以在氧化物薄膜中以最短的传输距离被传输到导电基底。
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理论研究
散射材料在光阳极中的应用
高效率的太阳能电池，一方面要保证光生电子的高效收集，即前面所述通过一维光阳极材料将 电子快速传输到导电基底，另一方面就是要提高太阳能电池的光捕获能力
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7
发展年表
1887
Tributsh等人发现吸附过染料的 半导体在一定条件下可以产生 电流，并提出了激发态染料可 以产生电子注入型半导体导带 的机理
1991
Michael Grätzel课题组刷 新染料敏化太阳能电池效率， 最终达到13%
1968年
Moore等人首次提出“敏化” 的概念，他们在涂覆染料赤藓红 的卤化银电极上发现了光电现象。
散射材料在光阳中的应用
（一）镜面型散射材料
17
理论研究
散射材料在光阳极中的应用
（二）空心型散射材料
18
理论研究
散射材料在光阳极中的应用
（三）多功能的复合型散射材料
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对电极 材料
理论研究
染料敏化太阳能电池对电极材料研究进展
对电极在染料敏化太阳能电池中主要担负电解质中离子的还原，使电解质中的氧化还原电对 处于平衡状态。为了使碘三离子的还原反应顺利地进行，需要采用具有一定催化活性的材料 来作为对电极。
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基本 概念
基本概念 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。染料敏化太阳能电池是以低成本的纳米二氧化钛和光 敏染料为主要原料，模拟自然界中植物利用太阳能进行光合作用， 将太阳能转化为电能。
其主要优势是：1.原材料丰富、成本低 2.工艺技术相对简单，适合工业化生产 3.环保无毒、无污染
PART THREE
太阳能因其清洁无污染、储 量巨大、不受地域限制等优
点一直被认为是最有 潜力的新能源
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研究背景
PART FOUR
太阳能电池的发展最早可以追溯到年法国的在液体电解质中发现的光生伏特效 应，他以涂有氧化铜或鹵化银的金属电极浸入稀电解质溶液中，在光照的条件下 产生电流。随后用硒做出了实际的太阳能电池，但一直到20世纪中期，虽经各方 努力，硒只能将太阳光的1%左右转换为电能，因此并没有实用化的器件产生。 直到年美国实验室的和首次制备了转换效率为的6%单晶硅太阳能电池，揭开了 太阳能电池应用的序幕。在随后的数十年时间里，非晶硅、非晶硅薄膜、砷化镓、 硫化镉、铜铟镓硒、有机聚合物和染料敏化等各类太阳能电池相继被研发出来。
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13
理论研究
一维纳米材料在光阳极中的应用
（一）一维无序纳米材料 一维结构纳米棒可以提高电子在纳米晶薄膜中的传输速度
14
理论研究
一维纳米材料在光阳极中的应用
（二）一维有序纳米材料 一维有序纳米材料是在导电基底表面构筑垂直于基底面的定向排列的一维纳米阵列，这样光生 电子可以在氧化物薄膜中以最短的传输距离被传输到导电基底。
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理论研究
展望
给体材料掺入电解质提高染料敏化太阳能电池效率和稳定性
这为开发新型的电解质提供了非常好的思路，大家期待出现更多的优质材料，同时也期望固态 染料敏化电池出现较大进展。 出自：Nature Communications, 2016, DOI: 10.1038/ncomms13934
26
理论研究
纳米晶氧化物薄膜构成的光阳极是染料敏化太阳能电池最重要的组成部分，具有吸附染料、 分离电荷以及传输光生载流子的功能.
TiO2由于具有合适的禁带宽度，优越的光电、介电性能和良好的光电化学稳定性，一直以来都是染料敏 化太阳电池中光阳极材料研究的核心。
一维纳米材料在光阳极中的应用
光阳极材料必须满足以下几个条件：高的比表面积，纳米晶传输电子的速度要快，纳米晶网 络中的缺陷必须尽量少
06 参考文献 Reference
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研究 背景
研究背景
PART ONE
由于世界人口的剧烈增长、 人类社会文明的不断发展和
进步加速了矿物能源 的耗尽速度
PART TWO
在矿物能源的幵发利用过程 中还伴随着一系列污染问题， 对于生态环境和人类健康的 影响也日趋严重，甚至将制
约人类社会和经济的可持 续发展
23
未来 展望
理论研究
展望
染料敏化太阳能电池领域发展了二十多年，虽然至今没有实现大规模的应用，还是带动 了一系列学科的发展。近几年相关领域论文数目出现大幅度下降，不少研究者也纷纷转 向其他方向。尽管有人对染料敏化太阳能电池发展前景存疑，但仍旧有部分课题组坚持 着相关研究，特别是固态染料敏化太阳能电池方向。