TiO2應(yīng)用于染料敏化太陽(yáng)能電池

徐慷

【摘 要】染料敏化太陽(yáng)電池因具有使用壽命長(zhǎng)、易于制造、光電轉(zhuǎn)換效率高， 比傳統(tǒng)太陽(yáng)電池成本低廉等優(yōu)點(diǎn)，成為新一代太陽(yáng)電池的研究熱點(diǎn)。TiO2更是DSSC光陽(yáng)極的主要材料。本文簡(jiǎn)單介紹了染料敏化太陽(yáng)能電池的原理，以及TiO2納米空心球的應(yīng)用。

【關(guān)鍵詞】TiO2；空心球；染料敏化；太陽(yáng)能

0 引言

太陽(yáng)能電池中非晶硅太陽(yáng)能電池是目前普遍的太陽(yáng)能電池，但是由于成本較高、投資商投資回收較慢，不方便普及推廣。因此，人們一直不斷在工藝、新材料、電池薄膜化等方面進(jìn)行探索，自從Gratzel博士首次成功研制納米TiO2太陽(yáng)能電池至今，納米TiO2太陽(yáng)能電池掀起廣泛研究熱潮。染料敏化太陽(yáng)能電池（DSSC）是一種新一代太陽(yáng)能電池。由于制作方法簡(jiǎn)單、成本便宜和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，無(wú)毒無(wú)害對(duì)環(huán)境無(wú)污染，有著很好的開(kāi)發(fā)前景。能夠解決當(dāng)今社會(huì)能源，以及污染的主要問(wèn)題。染料敏化太陽(yáng)電池因具有使用壽命長(zhǎng)、易于制造、光電轉(zhuǎn)換效率高， 比傳統(tǒng)太陽(yáng)電池成本低廉等優(yōu)點(diǎn)，成為新一代太陽(yáng)電池的研究熱點(diǎn)。我們可以將TiO2制備成納米空心球結(jié)構(gòu)來(lái)獲得更大的比表面積，TiO2空心球表面能夠吸附更多的染料分子，只有緊密吸附在空心球表面的染料分子將會(huì)提高他的敏化效率。

本文研究的TiO2空心球球密度小，比表面積較大，捕光效率較高，顯著提高了光的吸收效率。

1 DSSC的結(jié)構(gòu)及工作原理

DSSC的結(jié)構(gòu)組成：由TiO2納米空心球、電解質(zhì)、染料、FTO、鉑薄膜等構(gòu)成。TiO2納米空心球匯集在FTO玻璃板上成為染料敏華電池的正極。負(fù)極是在FTO玻璃上鍍金屬鉑薄膜。敏化染料吸附在TiO2納米空心球表面上。電解質(zhì)我們一般取用I3/I-。DSSC工作原理如下圖所示：

染料敏化太陽(yáng)能電池（DSSC）在陽(yáng)光下的反應(yīng)過(guò)程，以及工作原理，都表現(xiàn)在圖1中。通過(guò)染料以及電解質(zhì)的氧化還原反應(yīng)而產(chǎn)生電子，反應(yīng)發(fā)生在二氧化鈦的表面。二氧化鈦從中起到一個(gè)催化劑的作用。

具體過(guò)程可以用以下的式子表示：

染料（S）+hv→染料*（S*）

S*+TiO2→e-（TiO2導(dǎo)帶）+氧化染料（S+）

S+ + 3I-→S+I3-（染料還原）

I3-+2e-（陰電極）→3I-（電解質(zhì)還原）

I3-+2e-（TiO2導(dǎo)帶）→3I-（暗電流）

2 TiO2納米空心球的制備

制備納米TiO2空心球的方法有很多，本篇文章中我們采用模板法制作TiO2空心球。先用葡萄糖水熱法制作碳球，以碳球?yàn)槟０濉Ｒ驗(yàn)樘紵o(wú)毒，無(wú)害，燃燒后無(wú)雜質(zhì)，且葡萄糖價(jià)格便宜，取材方便是最好的模板材料。制備好的碳球收集干燥。

我們以溶膠-凝膠法，在碳球的基礎(chǔ)上包覆鈦酸丁酯，加熱條件下勻速攪拌，使碳球均勻包覆，控制過(guò)程反應(yīng)緩慢進(jìn)行。最終將產(chǎn)物放進(jìn)馬弗爐里高溫退火，由于碳模板經(jīng)過(guò)高溫燃燒后，變成二氧化碳?xì)怏w消失。所以產(chǎn)物為白色的TiO2納米空心球。

3 總結(jié)

染料敏化太陽(yáng)電池因具有使用壽命長(zhǎng)、易于制造、光電轉(zhuǎn)換效率高， 比傳統(tǒng)太陽(yáng)電池成本低廉等優(yōu)點(diǎn)，成為新一代太陽(yáng)電池的研究熱點(diǎn)。TiO2更是DSSC光陽(yáng)極的主要材料。制作中使用的模板碳，無(wú)毒無(wú)害。所以整個(gè)制作過(guò)程綠色環(huán)保無(wú)污染，具有很好的發(fā)展前景，未來(lái)染料敏化太陽(yáng)能電池將會(huì)取代傳統(tǒng)的非晶硅太陽(yáng)能電池。

【參考文獻(xiàn)】

[1]Green， M. A.； Emery， K.； Hishikawa， Y.； Warta， W.； Dunlop， E. D. Progr. Photovoltaics 2013， 21 （1）， 1-11.

[2]Kim， H. S.； Lee， C. R.； Im， J. H.； Lee， K. B.； Moehl， T.； Marchioro， A.； Moon， S. J.； Humphry-Baker， R.； Yum， J. H.； Moser， J. E.； Gratzel， M.； Park， N. G. Sci. Rep. 2012， 2， 591.

[3]蘭章，吳季懷，林建明，黃妙良.水熱法可控合成二氧化鈦納米晶及其在染料敏化太陽(yáng)能電池中的應(yīng)用，中國(guó)科學(xué)：化學(xué)，2012，42（7）：1029～1034.

[4]高明琦，徐友龍，白楊.用于染料敏化太陽(yáng)能電池的鈮、氟雙摻雜二氧化鈦微球，西安交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2011年12月，第45卷，第12期.endprint