染料敏化太陽能電池的概述

高明寶

摘要：本文簡要介紹了燃料敏化太陽能電池的特點和優點，并且詳細的介紹了DSSC的結構組成。

關鍵詞：電池；敏化劑；電解質

染料敏化太陽能電池（Dye Sensitized Solar Cells，簡稱DSSC）全稱為“染料敏化納米薄膜太陽能電池”，由瑞士洛桑高等理工學院（EPFL）Gratzel教授于1991年取得突破性進展，立即受到國際上廣泛的關注和重視，DSSC主要是指以染料敏化多孔納米結構TiO2薄膜為光陽極的一類半導體光電化學電池，另外也有用 ZnO、SnO2等作為TiO2薄膜替代材料的光電化學電池[1]。

1.1染料敏化太陽能電池優點

它是仿照植物葉綠素光合作用原理的一種太陽能電池。由于染料敏化太陽能電池中使用了有機染料，其功能就如同樹葉中的葉綠素，在太陽光的照射下，易產生光生電子，而納晶TiO2薄膜就相當于磷酸類脂膜，因此我們形象的把這種太陽能電池稱為人造樹葉。DSSC與傳統的太陽電池相比有以下一些優勢：

（1） 壽命長：使用壽命可達15-20年；

（2） 結構簡單、易于制造，生產工藝簡單，易于大規模工業化生產；

（3） 制備電池耗能較少，能源回收周期短；

（4） 生產成本較低，僅為硅太陽能電池的1/5～1/10，預計每瓦的電池成本在10元以內；

（5） 生產過程中無毒無污染；

納米晶染料敏化太陽能電池有著十分廣闊的產業化前景和應用前景，相信在不久的將來，DSSC將會走進我們的生活。因此吸引了各國眾多科學家與企業大力進行研究和開發，近年來獲得了飛速發展。

1.2染料敏化太陽能電池（DSSC）的結構組成

染料敏化太陽能電池包括四部分：納米氧化物半導體多孔膜（TiO2，ZnO），含有氧化還原電對的電解液（I-/I3-），作為敏化劑的染料（如N719/N3）以及對電極（如Pt）。除此之外DSSC還需要襯底材料，通常為氟摻雜的氧化錫導電玻璃（FTO導電玻璃）。該實驗中，納米氧化物半導體多孔膜為ZnO，敏化劑用N719染料[1]。

（1）FTO透明導電玻璃

FTO導電玻璃為摻雜氟的SnO2透明導電玻璃（SnO2：F），簡稱為FTO。FTO玻璃被作為ITO導電玻璃的替換用品被開發利用，可被廣泛用于液晶顯示屏，它是染料敏化太陽能電池的TiO2/ZnO薄膜的載體，同時也是光陽極電子的傳導器和對電極上電子的傳導器和對電極上電子的收集器[2]。

（2）光陽極

多孔半導體光陽極是染料敏化太陽能電池的核心之一，它是染料分子的載體，同時也起著分離、傳輸電荷的作用。DSSC電池的光陽極是由透明的導電玻璃及其上面覆蓋的一層半導體納米晶多孔膜構成的。這層薄膜是光電轉換的前提和重要基礎，納米TiO2的微觀結構（如粒徑、氣孔率等）對太陽能電池的光電轉換效率有非常大的影響。

（3）染料敏化劑

染料分子被稱為電池中的光子馬達，正是它對光子的響應才驅動了整個器件的運作。這主要是由于光陽極（以銳鈦礦型TiO2為例）禁帶寬度為312eV，僅對紫外光有響應，只有通過染料敏化才能實現對可見光的吸收。高效率染料必須同時具備以下特征：

① 能夠與TiO2表面形成牢固的化學鍵合；

② 在可見光區乃至紅外光區有強而寬的吸收；

③ 激發態壽命足夠長，且LUMO能級與TiO2導帶匹配；

④ 穩定性高、可逆性好。

（4）電解質

電解質在DSSC電池中主要起著還原染料正離子及傳輸電荷的作用。高效率的電解質應當具有與染料HOMO軌道相匹配的氧化還原能級和快速的空穴傳導能力。目前，最常用、最有效的電解質都含有I3-/I-電對，主要得益于其優異的可逆性和動力學性能，且復合反應較慢。但是I3-/I-電對也存在一些缺點，如腐蝕能力強，對可見光有一定的吸收等[3]。因此，人們一直都在研究和探索新的氧化還原電對來替換I3-/I-，如Br2/Br-、擬鹵素和金屬配合物Co3+/2+等，但目前與I3-/I-相比，在效率和穩定性上都有較大差距。電解質從表觀形態上大致可以分為液態電解質、準固態電解質 （凝膠電解質 ）和全固態電解質。

（5）對電極

對電極又稱為光陰極或反電極，它起著收集外電路電子和催化還原I3-、再生I-的作用。對于高效DSSC電池而言，對電極必須具有優異的電子傳導能力和高催化活性。對電極的特性和在其表面發生的還原反應的速率極大地影響著電池的性能和效率。目前，Pt仍然是最佳的催化材料。

參考文獻：

[1] 李雪陽， 陳司漢， 薛衛東染料敏化太陽能電池—神奇的人造樹葉[J]. 化學教育， 2007， 5： 3-4.

[2] 曹怡， 張建成. 光化學技術北京[M]： 化學工業出版社， 2004： 127-128.

[3] Zhou Wang， Lin Tian Quan， et al. H-Doped Black Titania with Very High Solar Absorption and Excellent Photocatalysis Enhanced by Localized Surface Plasmon Resonance[J]. Adv. Funct. Mater.， 2013， 23（43）： 5444-5450.endprint