2染料敏化太阳能电池的工作原理及其结构

2染料敏化太阳能电池的工作原理及其结构如图1所示，染料敏化太阳能电池(DSSC)是由二氧化钛多孔膜、光敏化剂（染料）、电解质（含氧化还原电对）、镀铂对电极及导电基板组成的夹层结构。其基本工作原理是：在染料分子的激发态、TiO2导带、SnO2（导电玻璃）导带、Pt（对电极）功函之间存在着一个能级梯度差，当染料分子吸收太阳光其中基态的电子受光激发跃迁到染料激发态能级后，在能级差的驱动下，电子将会迅速转移到TiO2导带中，经纳米晶TiO2膜空间网格的输运进入到SnO2导带，后经外路到达对电极，并与氧化还原电对进行电子交换后，依靠氧化还原电对在氧化态染料和对电极间完成电子转移，从而实现整个光电循环。2.1氧化物半导体薄膜染料敏化太阳能电池的核心部分是纳米多孔半导体氧化物薄膜电极。对于半导体氧化物的选择，从其导带边电位及带隙分析，适宜的有ZnO、Nb2O5和TiO2等氧化物半导体，这些氧化物半导体可以与敏化染料分子中的羧基形成酯键，有利于光诱导电子转移。纳米多孔氧化物薄膜，可借助于敏化染料对可见光的良好响应，将其吸收谱带拓展到可见光区乃至近红外区，从而提高了对太阳光的利用。薄膜的材料主要集中于对TiO2的研究，染料中基态的电子吸收太阳光能量而跃迁到激发态，并注入到TiO2导带中，通过TiO2膜输运到导电玻璃基体并在那里富集，然后通过外电路流向对电极。虽采用ZnO和Nb2O5等也取得了较好的结果，但以TiO2获得转换效率最高。TiO2通常采用溶胶-水热法制备，这样可以获得高比表面积、高晶化度及高表面活性的纳米TiO2。TiO2膜收集并传输电子，厚度大约在5~20nm，TiO2的质量大约在1~4g/cm2，孔隙率在50%-65%，平均孔径约为15nm，平均粒径大约20nm，这样有效的染料吸收面积相当于TiO2膜自身面积的100~1000倍。纳米晶多孔TiO2膜巨大的比表面积，可以吸附更多的染料。同时，由纳米晶TiO2粒子形成的网格结构有助于对太阳光的吸收（太阳光在纳米晶多孔网格间的多次反射会提高染料对太阳光的吸收），这对于提高DSSC的光电转换效率有很大的帮助。2.2敏化染料染料分子是染料敏化太阳能电池的光捕获天线，是染料敏化太阳能电池的一个重要组成部分，它的作用就是吸收太阳光，将基态电子激发到高能态，然后再转移到外电路，它的性能是决定电池转换效率的重要因素之一。整个光电转换的性能决定于染料能级与TiO2能级的匹配情况以及它对太阳光谱的响应性能。到目前，最有效的敏化染料是含有4,4'-二羧基-2,2'-联吡啶配体的钌有机配合物。该配合物中的羧基能使染料分子牢固地与TiO2半导体颗粒结合，同时在钌配合物分子的最低空轨道π*(LUMO)与TiO2膜的3d轨道波函数之间形成有效的电子耦合，此外羧基的取代，也能使2,2'-联吡啶的LUMO轨道能级降低，在钌配合物分子内部形成MLCT电子转移(Metal-to-ligand-chargetransfer)，这些特性使得光生载流子能很容易的注入到TiO2导带。2.3电解质体系电解质也是DSSC一个重要组成部分，它使氧化态的染料分子及时还原再生，以及在对电极获得电子而使自身得以还原，此外也提供电池内部导通，组成完整回路。从目前来看，含有I－/I3－氧化还原电对的电解质仍是最高效的电解质体系。从状态上可将电解质分为液态电解质、准固态电解质、固态电解质等3种，各种电解质都有各自优势，也有不足，但从实用角度考虑，要求电解质具有电导率高、稳定、易于封装等。2.4对电极在对电极，氧化还原电对通过获得电子而得以再生。但通常这一反应的电势较高，但当采用铂作为对电极时，可以大大降低其反应的活化能。如I－/I3－，在用导电玻璃作对电极时，电流和电压都较低；当采用铂修饰以后，开路电压增大了几倍，电流也大幅度提高。其它具有催化性的材料，如高活性碳膜、镍等均可以作为对电极，但以铂金的效果最好[9]。由于反应只是在对电极表面几个分子层的范围内，所以只需要几个钠米厚的铂层就可以达到催化效果。