染料敏化太阳电池研究进展及应用前景

染料敏化太阳电池研究进展及应用前景太阳能科学与工程系染料敏化太阳电池研究组：徐顺建博士演讲大纲1.染料敏化太阳电池的概况2.染料敏化太阳电池的特点及应用3.提升染料敏化太阳电池竞争力的主要途径1.染料敏化太阳电池的概况单电池、组件及户外系统单电池组件户外系统1991年在Nature发表的论文技术突破：在光电极上引入多孔二氧化钛层转换效率：7.1%2010年最高转换效率突破12%染料敏化太阳电池的结构典型染料敏化太阳电池组成：（1）光电极：TCO+多孔二氧化钛层（2）敏化剂：染料(N719/N3)+溶剂（3）电解质：I-/I3-(LiI/I2)+溶剂（4）对电极：TCO+Pt催化层染料敏化太阳电池的工作原理电荷分离机制由内建电场实现电荷分离半导体材料即参与电荷分离，又参与光子捕获P-N结太阳电池染料敏化太阳电池由光合作用过程的动力学竞争实现电荷分离半导体材料仅参与电荷分离，不参与光子捕获目前从事染料敏化太阳电池研究的国家主要包括：澳大利亚、瑞士、德国、日本、美国、中国、英国等无论从专利的申请数还是论文的发布数，日本最为活跃。中国在染料敏化太阳电池的基础研究和产业化研究上都与世界研究水平相接近中国对染料敏化太阳电池研究的贡献新思路、新方法如中国科学院物理所孟庆波课题组提出的环境友好的复合电解质；清华大学林红课题组提出的新型高效低成本叠层柔性薄膜太阳电池等材料制备及合成在染料合成技术、纳米半导体薄膜研究、电池密封和电极研制上也取得一定的成果，如中国科学院长春应用化学研究所王鹏课题组在新型染料研究和离子液态电解质上取得突破，实现自主研发染料C101，效率达到11％，基于混合离子液态电解质电池的效率达到8.2％太阳电池组件大面积电池组件(40x60cm)转换效率达5.7%；中科院等离子体物理研究所戴松元课题组建成的国内首个500瓦染料敏化纳米太阳电池示范电站，转换效率5%中国国家重点基础研究计划和纳米专项(973项目)先后三次对染料敏化太阳电池进行立项，先后在基础科学问题和关键技术问题上取得突破：2.染料敏化太阳电池的特点及应用材料成本较低、制备工艺简单转换效率随温度上升而提升——不同于硅基太阳电池电池两面均可以吸收光——有利于吸收散射光制备出半透明或不同颜色的电池——装饰功能强质量轻以及可制成柔性器件——便于携带能源回收期较短——小于1年较高的转换效率——最高转换效率超出12%（数据来源：2008年M.Grätzel教授的演讲）Roll-toRoll技术太阳电池盆景通过调整敏化剂颜色获得的太阳叶太阳电池背包染料敏化太阳电池的特点Roll-toRoll制造技术染料敏化太阳电池的特点转换效率随温度上升而提升染料敏化太阳电池的特点染料敏化太阳电池作为装饰品做出的“PowerDressing”染料敏化太阳电池装饰功能染料敏化太阳电池的特点染料敏化太阳电池制成的“太阳叶”太阳叶结构通过调整敏化剂颜色获得的太阳叶染料敏化太阳电池的特点染料敏化太阳电池的特征染料敏化太阳电池的特点染料敏化太阳电池制成的手机充电器电源质量轻、便于携带染料敏化太阳电池的特点染料敏化太阳电池在军事领域的应用（美国）染料敏化太阳电池在汽车上的应用染料敏化太阳电池制半透明汽车挡板染料敏化太阳电池作为屋顶的应用染料敏化太阳电池作为幕墙的应用染料敏化太阳电池在野外帐篷的应用产业化情况1991年染料敏化太阳电池的转换效率实现飞跃式的提升1992年至1999年间，以德国光伏研究所(INAP)和澳大利亚STI公司为典型的产业化研究机构进行了产业化前期的探索性研究2001年澳大利亚STI公司建立了世界上首条染料敏化太阳电池中试线2003年澳大利亚Dyesol-STI公司完成200m2染料敏化太阳电池显示屋顶，集中体现了未来工业化的前景2004年底，中国科学院等离子体物理研究所建立了500W染料敏化太阳电池示范系统，并保持长期有效的运行，为今后实现产业化打下了基础2009年英国G24i在全球推出首批商品化染料敏化太阳电池组件，其生产线生产能力为30百万瓦G24Innovation（UK）产品2004年由中科院等离子体物理研究所建成的国内首个500瓦染料敏化纳米太阳电池示范电站转换效率：5%（数据来源：中科院等离子体物理研究所）2008年世博览会展出的柔性染料敏化太阳电池组件（数据来源：Yoshida教授的演讲）2010年美国光付研讨会展示的染料敏化太阳电池组件3.提升染料敏化太阳电池竞争力的主要途径进一步提升染料敏化太阳电池的转换效率短路电流的改善开路电压的改善填充因子的改善进一步改善染料敏化太阳电池的稳定性液态电解质的替换——准固态及固态电解质的开发无机敏化剂的应用——量子点敏化材料进一步减低染料敏化太阳电池的成本（材料方向）对电极Pt取代材料天然敏化剂如何进一步提升染料敏化太阳电池竞争力？主要思路：1.短路电流的改善（1）二氧化钛光电极加强入射光的路径强度——散射层的引入改善二氧化钛颗粒之间以及颗粒与TCO的接触——TiCi4水溶液后处理增加染料的吸附量——增加二氧化钛的表面积减少电荷的复合——用金属氧化物进行隔离（2）染料染料提纯——发展新的染料提纯技术提高染料的吸光率——研制新型染料2.开路电压的改善减少暗电流——光电极的表面修饰TiO2导带负移3.填充因子的改善减小电池的内阻——TCO的内阻、对电极催化层修饰等转换效率改善主要途径例子1：散射层的引入散射层（颗粒尺寸约100nm的TiO2颗粒）例子2：用金属氧化物进行隔离例子3：减少TCO的内阻量子点敏化材料的应用——以取代染料常用的量子点有：CdS、PbSe、PbS、PbTe、InAs、GaSb和Si等量子点敏化太阳电池何为量子点？材料的尺寸达到10nm以下的窄禁带半导体具有两个明显的特点：能带分裂为不连续的能级；多激子效应量子点的形成的两种方法：基于分子束外延生长的物理自组织化生长基于溶液中胶体微粒的化学自组装形成.在TiO2纤维表面沉积的CdS量子点例子1：北京大学物理电子研究所彭练矛研究小组采用一种简单的方法成功组装一种CdS量子点和TiO2纳米管阵列膜复合结构的光电极,光电转换效率达到4.15%,开路光电压达到1.27V,短路光电流达到7.82mA/cm2，填充因子为0.578.。例子2：J.chen等在碳纳米管上使用水热方法沉积ZnO纳米棒，然后浸入0.01M硝酸锌和0.01M的六次甲基四胺混合溶液，在高压灭菌器中95℃下加热10小时，将制备好的巯基乙酸capped-CdSe量子点（尺寸约4.5nm）安装到ZnO棒的表面，形成CdSe量子点敏化的ZnO电池，获得了1.46％的转换效率。依次为ZnO纳米棒、碳纳米管/ZnO、敏化前、量子点敏化后的形貌对电极Pt取代材料•有效的解决途径：为了探索合适的非Pt对电极，人们展开了大量艰辛的工作，并取得了一定的成绩，其中以碳材料为催化层构成的碳对电极已展现出一定的优势并具有巨大的应用潜力。Pt对电极存在的是目前最常用的、性能最佳的对电极，其组装的染料敏化太阳电池仍然保持着最高转换效率的记录•问题：作为一种贵金属，Pt的使用不仅与DSCs的低成本的初衷相违背，不利于产业化，而且Pt催化层存在易被腐蚀的现象，导致DSCs稳定性下降。(a)Pt对电极DSSC(b)碳对电极DSSC碳对电极SEM形貌谢谢关注！