有關天然染料敏化納米晶太陽能電池的探究

李定海

武漢工業學院 電氣與電子工程學院,武漢

有關天然染料敏化納米晶太陽能電池的探究

李定海

武漢工業學院 電氣與電子工程學院,武漢

文章以天然染料敏化納米晶太陽能電池為研究對象，從染料敏化電池原理以及天然染料敏化納米晶太陽能電池制備中的關鍵問題分析這兩個方面入手，圍繞這一中心問題展開了較為詳細的分析與闡述，并據此論證了天然染料在提高染料敏化納米晶太陽能電池運行質量與運行效率過程中所發揮的重要作用與意義。

天然染料；太陽能電池；制備；應用；分析

引言

我們必須明確一個方面的問題：在地球礦物資源不斷減少，各行業領域對能源需求持續增加的背景作用之下，有關太陽能電池的研究開始受到整個社會的特別關注與重視。現階段應用較為廣泛的單晶硅、多晶硅以及非晶硅類型太陽能電池盡管制備技術較為成熟，但因其制造價格較高，此類太陽能電池的制備及其應用有著一定的局限性。為此，人們開始針對新型染料敏化納米晶太陽能電池制備及其應用展開了深入研究，與之相對應的天然染料也日益廣受關注。文章試針對以上問題做詳細分析與說明。

1 染料敏化電池原理分析

從染料敏化電池的運行原理角度上來說，其屬于一種由吸附染料納米晶半導體多孔薄膜、電解質溶液（電解質溶液當中含有氧化—還原組隊）以及對電極（對電極制備材料主要為鍍鉑或是石墨）所構成的夾心式電池。在太陽光照射充分的反應環境作用下，敏化劑分子將得到較為充分的激發反應，進而將電子注入半導體納米粒子導帶。受到此反應因素影響，電子在導帶基底上發生富集反應，以外電路為載體流向對電機位置。在此基礎之上，失去電子后的敏化劑能夠借助于電解質發生還原反應進而返回機臺，與此同時，處于氧化態表現形式的電解質同樣能夠在對電機位置發生電子被還原反應。整個過程并沒有凈的化學變化伴隨產生，制備優勢較為顯著。

2 天然染料敏化納米晶太陽能電池制備中的關鍵問題分析

2.1 在電極面積參數出現增大的情況下，受到電流參數瞬時性加大這一問題的影響，電子在整個納米晶網絡系統傳輸過程當中與電子受體所發生的復合反應會較為顯著，與此同時，由此種復合反應所導致的整個納米晶網絡電流損失問題是極為突出的。更為關鍵的一點在于：染料分子電子受到激躍遷影響并轉變為激發態，處于激發態狀態下的電子由此勢必會在半導體導帶的注入過程當中發生同等趨勢的電子負荷反應。換句話來說，半導體導帶所注入的電子能夠在充分注入的狀態下與半導體下處于氧化態狀態的染料分子以及電解質當中大量存在的電子同時產生顯著的受體反應。這最終將導致染料敏化太陽能電池在運行狀態下下所產生光電流強度受到復合反應影響而出現明顯削弱問題。從這一角度上來說，以葉綠素為代表的天然染料能夠有效解決這一問題。在葉綠素a吸附至TiO2電極表面的過程當中，葉綠素a能夠以多聚體的形式存在。在此種反應過程當中，其紫外可見光區吸收峰將呈現出較為顯著的紅移性趨勢。經測定：在波長參數為670nm情況下，葉綠素a單色光電轉化效率表現為3.5%。從這一角度上來說，相關研究學者針對葉綠素a進行了化學改性處理，重點實現了S-Au鍵與金納米粒子之間的有效連接，此種化學改性處理方式能夠形成獨立自組的單層結構。從實踐數據角度上來說，改性處理之后的葉綠素a在420nm以及675nm波長參數位置同樣表現出了較為顯著的吸收峰特性。

與此同時，考慮到晶型的完整性程度同樣會對電荷負荷中心復合反應的多少造成一定的影響，未避免太陽能電池在后期應用過程當中出現較多的電荷復合中心，應當盡量刪選掉不完整、較小以及缺陷較為明顯的晶體，在此基礎之上利用金納米粒子發揮其對于葉綠素分子結構的修飾特性，進而對電池性質產生相應的影響。發揮金納米粒子在應用于葉綠素分子結構修飾的過程當中充當著納米半導體與染料分子之間的連接載體的性能，它使得葉綠素分子當中大量的激發電子能夠高質量的向半導體納米粒子進行轉移，以此種方式確保納米晶及太陽能制備性能的有效性。

2.2 在敏化納米晶太陽能電池的實踐運行過程當中，針對電極進行一定的化學處理還能夠達到提高太陽能電池光電性能的關鍵目的。在處理過程當中有以下幾個方面的問題需要特別重視：首先，化學處理應當以改善電極表面運行狀態為基礎，最大限度的優化納晶多孔網絡微結構下的電子傳輸與擴散性能；其次，針對太陽能電池薄膜表面運行狀態予以改善，改善的關鍵在于確保薄膜能夠更好的適應電子的傳輸與擴散需求；最后，化學處理還應當以提高電極表面態密度予以有效改善。

基于以上三個方面的需求，借助于類胡蘿卜素這種天然染料能夠發揮以下三個方面的優勢：

①類胡蘿卜素作為天線分子發揮對太陽光的吸收作用，在此過程當中將單重態能量傳遞至葉綠素分子結構當中；

②類胡蘿卜素在強光條件下淬滅葉綠素的熒光能夠直接與反應中心發生電子轉移反應；

③類胡蘿卜素作為光保護色素實現對三重態葉綠素過剩能量的傳遞作業。通過現階段相關工作人員對此類化合物元素在敏化納米晶太陽能電池制備過程當中的實踐數據不難得之：類胡蘿卜素在太陽能電池制備過程中的重點應當關注與對共敏化性能的研究作業。

3 結語

在國民經濟建設各行業領域持續發展的背景作用之下，在現代經濟社會發展與生態環境可持續發展兼顧的推動作用之下，礦物資源有限性與能源需求持續發展之間的矛盾日益加劇，新型太陽能制備問題開始受到社會大眾的廣泛關注與重視。總而言之，文章針對有關天然染料敏化納米晶太陽能電池及其應用相關問題做出了簡要分析與說明，希望能夠為今后相關研究與實踐工作的開展提供一定的參考與幫助。

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10.3969/j.issn.1001-8972.2012.20.062

AbstractBased on the natural dye sensitized nanocrystalline solar cell as the research object, from the dye sensitized solar cell and the principle of natural dye sensitized nanocrystalline solar cell preparation analysis of key problems in these two aspects, around this one center issues a detailed analysis and elaboration, and accordingly the proved natural dyes in improving dye sensitized nanocrystalline solar cell operating quality and operating efficiency of the important role and significance.

Keywords

natural dye；sensitized solar cell；preparation；application analysis