天然色素敏化太陽能電池的研究進展

趙興隆

(通化師范學院化學學院,吉林白山 134002)

天然色素敏化太陽能電池的研究進展

趙興隆

(通化師范學院化學學院,吉林白山 134002)

簡單回顧了近年來我國的科技工作者在天然色素敏化太陽能電池領域進行的一些探索,并對其未來發展趨勢進行了展望。

DSSC 天然色素 敏化

由于科技的飛速發展,石油、煤炭等不可再生資源日益減少,對可再生新能源的研究迫在眉睫。地球的能源,幾乎全部來自于太陽,但人類對太陽能的直接利用還處在初級階段。現代采用太陽能光伏發電,它的核心器件是太陽能電池。1839年,法國科學家E．Becquerel發現液體的光伏現象,1877年W．G．Adams等研究了硒的光伏效應,并制作第一片硒太陽能電池,1954年貝爾實驗室研究人員D．M．Chapin等報道4．5%效率的單晶硅太陽能電池。隨后,人們模仿光合作用原理,開發出了新型太陽電池,即染料敏化太陽電池DSSC。其主要優勢是:原材料豐富、成本低、工藝技術相對簡單,在大面積工業化生產中具有較大的優勢,同時所有原材料和生產工藝都是無毒、無污染的,對保護人類環境具有重要的意義。1991年,Brian等于《Nature》上發表了關于染料敏化納米晶體太陽能電池的文章以較低的成本得到了＞7%的光電轉化效率,為利用太陽能提供了一條新的途徑。目前,DSSC的光電轉化效率已能穩定在10%以上,且其制造成本僅為硅太陽能電池的1/5～1/10。從天然的動植物、礦物中提取天然色素, 在其中尋找合適的光敏化劑,已成為該領域的一項重要工作。天然色素具有可再生的特點,不會消耗煤、石油等資源。我國的科技工作者在這個領域進行了大量的工作,現將近年來一些研究進行綜述。

2013年,清華大學的林紅等人從高原金蓮花中提取天然染料[1],通過紫外光譜和紅外光譜確定其主要成分為花色苷。研究發現,在pH=5時,該天然染料敏化太陽能電池的光電轉換效率最高,達到0．292%(如圖1所示)。

圖1 不同酸堿性條件下花色苷結構

2013年,西藏大學的次仁央金等,通過萃取西藏林芝核桃果皮、江孜沙棘果實以及拉薩紫草根部的天然色素,分析研究了西藏天然色素光吸收性能；利用以上3種天然色素以及它們的混合色素,研制了染料敏化太陽能電池[2]。結果表明,核桃與紫草的混合色素DSSC電池效率最高,達到8．2%。

圖2 鴨跖草色素的可見光吸收光譜圖

2013年,華僑大學的蘭章等人,以葡萄皮乙醇提取液作為敏化劑用于染料敏化太陽能電池[3],光電轉換效率達到0．81%。在酸性介質中的吸光譜能較好的滿足太陽能電池對吸光的需求。采用稀鹽酸處理陽極膜的方法,使染料與膜結合性能提高,光電裝換效率達到1．43%。

2014年,沈陽建筑大學的高旭等人,從不同種類的植物中提取了十一種天然染料,組裝成天然染料敏化太陽能電池,并檢測其光電性能,最后對各個天然染料敏化太陽能電池的光電性能進行分析[4]。結果采用藍莓制備的染料作為光敏劑敏化的太陽能電池在所研究的十一種染料中表現出最好的光電性能,其光電轉化效率達到1．11%。

2014年,海南大學的林仕偉等人,以高度有序TiO2納米管陣列作為光陽極,鴨跖草色素作為敏化劑制備了天然染料敏化太陽能電池[5]。陽極氧化6h制備的TiO2納米管作為電極的電池的光電轉換效率約達0．52%。利用紫外－可見光光譜儀研究鴨跖草色素的光吸收性能。研究表明適當提高TiO2納米管長度可以有效提高天然染料敏化太陽能電池的光電性能(如圖2所示）。

天然染料由于低成本、環境友好、可再生等優點,成為最佳敏化劑之一。近年來,不同的天然染料作為DSSC的敏化劑,使得天然染料在可見光區吸收效率逐漸提高。但是天然染料作為太陽能電池的敏化劑還有一些不足之處,主要是電池效率目前還較低。未來想要在這個領域發揮更大的作用,可從以下兩方面著手:

(1)探索更多的天然色素作為敏化劑的效果；

(2)對天然色素進行簡單、綠色的化學修飾,改變其光電性質,或增加其與納米TiO2的結合能力。

太陽能是21世紀的能源,希望天然色素敏化太陽能電池這項綠色、環保、可再生的技術,在不久的未來能夠幫助人類克服能源危機,創造更大的生產力。

[1]林紅等.pH值對金蓮花染料敏化太陽能電池性能的影響[J].物理化學學報,2013,29(3):539-545.

[2]次仁央金等.天然色素染料敏化太陽能電池的制備[J].材料導報,2013,27(22):120-122.

[3]蘭章等.葡萄皮天然色素在染料敏化太陽能電池中的應用[J].化學工程與裝備,2013,(8):04-06.

[4]高旭等.單一天然染料制備染料敏化太陽能電池[J].沈陽建筑大學學報(自然科學版),2014,30(2):283-290.

[5]林仕偉等.鴨跖草色素敏化TiO2納米管太陽能電池的研究[J].化工新型材料,2014,42(3):39-41.