有机太阳能电池

有机太阳能电池1染料敏化太阳能电池及材料2有机聚合物太阳电池3有机光伏电池的理论及参数太阳能电池归类及效率SortsofSolarCellMaterialsCell(η%)module(η%)硅結晶硅单晶硅(晶圆)15~23%14~18%多晶硅(晶圆、薄膜)12~17%10~16%非晶硅A-Si,a-SiC,a-SiGe8~13%6~9%半导体化合物III-V族GaAs(晶圆、薄膜)18~35%II-VI族CdS,CdTe10~14%多元化合物CuInSe212~16%有机化合物染料敏化型nMO(TiO2)/Dye/电解质~12%4~8%有机D/A型高分子/小分子/纳米粉体~8.3%太阳能电池应用技术归类基本特性应用领域III-V族超高效率,超高稳定度但成本极高太空应用单晶硅、多晶硅高效率,高穩定度,具成本竞争力发电应用(取代传统发电)，电力供应源有机化合物效率及穩定度依產品訂定,極具成本竞争優勢民生產品应用行动生活应用以有机分子作为光作用材料的太阳能电池主要可区分为四大类：(1)染料敏化太阳能电池(dye-sensitizedsolarcell,DSSC)；(2)全有机半导体材质的太阳能电池；(3)高分子掺混碳六十及其衍生物的太阳能电池；(4)高分子掺混无机纳米粒子的太阳能电池全称：染料敏化纳米薄膜太阳能电池，是近年发展起来的一种太阳能电池，是由瑞士的Graktzel教授领导的研究小组首次提出的，是基于自然界中的光合作用原理而发明的．这种电池以廉价的TiO2纳米多孔膜作为半导体电极⋯，以Ru及Os等有机金属化合物作为光敏化染料，选用适当的氧化一还原电解质做介质，组装成染料敏化TiO2纳米晶太阳能电池(简称DSSC电池)．1染料敏化太阳能电池及材料DSSC电池简介1991年，瑞士GrätzelM.以较低的成本得到了7%的光电转化效率。1998年，采用固体有机空穴传输材料的全固态DSSCs电池研制成功，其单色光电转换效率达到33%，从而引起了全世界的关注。目前，DSSCs的光电转化效率已能稳定在10％以上，寿命能达15～20年，且其制造成本仅为硅太阳能电池的1/5～1/10。1染料敏化太阳能电池及材料DSSC电池简介1998,Sommelingetal1998,M,Gratzel,Black-dye,10.4%(AM1.5)2001,A.Hagfekttetal6.2%(AM1.5)2002,W.Kuboetal,6.0%(AM1.5)2003,1993,M,Gratzel,N719-dye,10.58%(AM1.5)2004,M,Gratzel,11.04%(AM1.5)1976,H.Tsubomura,etal,ZnO,2.5%(at563nm)1991,M.Gratzel,N3-dye,7.1-7.9%(AM1.5)1998.K.Tennakone,CuI,4.5%(simulatedsunlight)2003,M.Gratzel,6.6%(AM1.5)1993,M.Gratzel,Red-dye,10.0%(AM1.5)图1.12TiO2染料敏化太阳电池发展简况1染料敏化太阳能电池及材料DSSC电池简介•从经济角度来讲：若批量生产，电池的成本在5—10元/(峰瓦)左右[3]，而普通的硅电池在20-40元/(峰瓦)，因而染料敏化纳米薄膜太阳电池电池非常适合批量生产，满足城市居民以及广大农村的需要，特别是对我国近七千万边远地区人口的用电具有实际的意义。染料敏化太阳电池的优点：1染料敏化太阳能电池及材料DSSC电池简介•战略角度来讲我国是一个能源的消耗大国，特别是电力的短缺严重影响我国的经济持续稳定发展。但是无论是核电还是火电所需要的燃料都是非常有限的，发电的同时也给环境造成了严重的污染。因此我国尤其应当注重太阳能这种可再生绿色能源的开发与利用。为经济、环境、社会的协调发展奠定良好的基础。染料敏化太阳电池的优点：1染料敏化太阳能电池及材料DSSC电池简介从实用性角度来讲：从染料敏化纳米薄膜太阳电池的结构可以看出，电池是由双块透明导电玻璃及有一定颜色的染料和电解质构成，而整个电池是透明的，且带一定颜色，所以可以通过适当选择染料和电解质的颜色及TiO2膜的厚度来控制整个电池的透光率，这样可以把电池用作窗户玻璃，即透光又可当电池用。染料敏化太阳电池的优点：1染料敏化太阳能电池及材料DSSC电池简介染料敏化纳米薄膜太阳电池电池主要由以下几部分组成：透明导电玻璃、纳米多孔TiO2膜、染料光敏化剂、电解质和反电极1染料敏化太阳能电池及材料DSSC电池结构阳极：染料敏化半导体薄膜阴极：镀铂的导电玻璃电解质：I3-/I-TiO2膜:5~20um,1~4mg/cm2导电玻璃：8~10Ω/□1染料敏化太阳能电池及材料DSSC电池结构导电玻璃二氧化钛染料电解液碳电极导电玻璃1染料敏化太阳能电池及材料DSSC电池原理1染料敏化太阳能电池及材料DSSC电池原理电子注入染料电解液TiO2（20纳米左右）光1染料敏化太阳能电池及材料DSSC电池原理导电基底材料1染料敏化太阳能电池及材料DSSC电池结构和组成导电基底材料又称为导电电极材料,分为光阳极材料和光阴极材料(或称反电极).目前作为导电基底材料的有透明导电玻璃、金属箔片、聚合物导电基底材料等。要求导电基底材料的方块电阻越小越好；光阳极和光阴极基底中至少要有一种是透明的，透光率一般要在85%以上。用于制备光阳极和光阴极衬底的作用是收集和传输从光阳极传输过来的电子，并通过外回路传输到光阴极并将电子提供给电解质中的电子受体。导电基底材料1染料敏化太阳能电池及材料DSSC电池结构和组成导电基底材料主要是透明导电玻璃，是在厚度为1-3mm的普通玻璃表面镀上导电膜制成的。主要成份是掺F的透明SnO2膜（FTO），在SnO2和玻璃之间有一层几个纳米厚度的纯SiO2膜，目的是防止高温烧结过程中普通玻璃中Na+和K+等离子扩散到SnO2导电膜中。ITO也可作为该电池的导电衬底材料。半导体薄膜主要是纳米TiO2多孔薄膜。它是染料敏化太阳电池的核心之一，作用是吸附染料光敏化剂，并将激发态染料注入到电子传输到导电基底。主要有TiO2，ZnO，Nb2O5，WO3，Ta2O5，CdS，Fe2O3和SnO2等。1染料敏化太阳能电池及材料DSSC电池结构和组成TiO2光电阴极纳米半导体薄膜的特征:具有大的比表面积，使其能够有效地吸附单分子层染料，更好地利用太阳光；纳米颗粒和导电基底以及纳米半导体颗粒之间应有很好的电学接触，使载流子在其中能有效地传输，保证大面积薄膜的导电性；电解质中的氧化还原电对（一般为I3-/I-)能够渗透到纳米半导体薄膜内部，使氧化态染料能有效地再生。1染料敏化太阳能电池及材料DSSC电池结构和组成TiO2光电阴极纳米材料指在三维空间中至少有一维处于纳米尺度范围或由它们作为基本结构单元构成的材料。基本单元按维数分：零维：空间三维均在纳米尺度，如纳米尺度颗粒、原子团簇等量子点一维：空间有两维处在纳米尺度，如纳米丝，纳米棒、纳米管等量子线二维：空间有一维处在纳米尺度，如超薄膜，多层膜，超晶格等量子阱纳米材料与纳米结构的定义TiO2光电阴极1染料敏化太阳能电池及材料DSSC电池结构和组成纳米的基本概念人高红血球分子及DNA氢原子针头1纳米0.1纳米1千纳米100万纳米20亿纳米TiO2光电阴极1染料敏化太阳能电池及材料DSSC电池结构和组成电子能级的不连续性•量子尺寸效应•小尺寸效应•表面效应•宏观量子隧道效应纳米微粒的基本性质TiO2光电阴极1染料敏化太阳能电池及材料DSSC电池结构和组成当粒子尺寸下降到某一值时，金属费米能级附近的电子能级由准连续变为离散能级的现象和纳米半导体微粒存在不连续的最高被占据分子轨道和最低未被占据的分子轨道能级，能隙变宽现象均称为量子尺寸效应。量子尺寸效应TiO2光电阴极1染料敏化太阳能电池及材料DSSC电池结构和组成导电的金属在超微颗粒时可以变成绝缘体d,δ，电子移动困难，电阻率增大，从而使能隙变宽，磁矩的大小和颗粒中电子是奇数还是偶数有关光谱线会产生向短波长方向的移动催化活性与原子数目有奇妙的联系量子尺寸效应TiO2光电阴极1染料敏化太阳能电池及材料DSSC电池结构和组成当纳米微粒的尺寸与光波的波长、德布罗意波长、超导态的相干长度或透射深度等物理特征尺寸相当或更小时，晶体周期性边界条件被破坏；非晶态纳米微粒的颗粒表面附近的原子密度减小，导致声、光、电、磁、热、力学等特性呈现新的小尺寸效应。小尺寸效应TiO2光电阴极1染料敏化太阳能电池及材料DSSC电池结构和组成光吸收显著增加，并产生吸收峰的等离子共振频移磁有序态向磁无序态、超导相向正常相转变声子谱发生改变纳米颗粒的熔点降低块状1337K2nm600K金小尺寸效应TiO2光电阴极1染料敏化太阳能电池及材料DSSC电池结构和组成表面效应是指纳米粒子的表面原子数与总原子数之比随纳米粒子尺寸的减小而大幅度地增加，粒子的表面能和表面张力也随着增加，从而引起纳米粒子性质的变化。表面效应TiO2光电阴极1染料敏化太阳能电池及材料DSSC电池结构和组成纳米微粒尺寸与表面原子数的关系纳米微粒尺寸d(nm)包含总原子数表面原子所占比例(%)103×1042044×1034022.5×1028013099表面效应TiO2光电阴极1染料敏化太阳能电池及材料DSSC电池结构和组成表面原子所处的晶体场环境及结合能与内部原子有所不同，存在大量的表面缺陷和悬空键，具有不饱和性质，因而极易与其他原子反应，具有很高的化学反应活性。表面效应TiO2光电阴极1染料敏化太阳能电池及材料DSSC电池结构和组成金属铜或铝的纳米颗粒一遇空气就会燃烧，发生爆炸(炸药、火箭）一些无机纳米微粒暴露在大气中会吸附气体，并与气体进行反应（储氢材料）很大的比表面，加快化学反应过程（高效催化剂）表面效应TiO2光电阴极1染料敏化太阳能电池及材料DSSC电池结构和组成TiO2光电阴极1染料敏化太阳能电池及材料DSSC电池结构和组成隧道效应：微观粒子具有贯穿势垒的能力电子具有粒子性又具有波动性，存在隧道效应。一些宏观物理量，如微颗粒的磁化强度、量子相干器件中的磁通量等亦显示出隧道效应，称为宏观的量子隧道效应。宏观量子隧道效应TiO2光电阴极1染料敏化太阳能电池及材料DSSC电池结构和组成宏观量子隧道效应、量子尺寸效应将会是未来微电子、光电子器件的基础，它确立了现存微电子器件进一步微型化的极限。当微电子器件进一步微型化时必须要考虑上述的量子效应。宏观量子隧道效应TiO2光电阴极1染料敏化太阳能电池及材料DSSC电池结构和组成量子尺寸效应、小尺寸效应、表面效应及量子隧道效应是纳米微粒与纳米固体的基本特性。它使纳米微粒和纳米固体呈现许多奇异的物理、化学性质，出现一些“反常”现象。TiO2光电阴极1染料敏化太阳能电池及材料DSSC电池结构和组成TiO2胶体在450–500°C下煅烧薄膜厚度一般约：10μm粗糙度1000，有效表面积大50-70%的多孔性，使电解液充分渗入。TiO2的SEMTiO2光电阴极1染料敏化太阳能电池及材料DSSC电池结构和组成TiO2光电阴极1染料敏化太阳能电池及材料DSSC电池结构和组成锐钛矿和金红石相TiO2TiO2光电阴极1染料敏化太阳能电池及材料DSSC电池结构和组成TiO2光电阴极1染料敏化太阳能电池及材料DSSC电池结构和组成纳米TiO2在电池中起着重要作用，其结构性能决定染料吸附的多少。膜厚在10-15um是一个最优化的厚度，光电转换效率能达到最大值。纳米TiO2对光的吸收、散射、折射产生重要影响，光照下太阳光在薄膜内被染料分子反复吸收，大大提高染料分子的光吸收率。纳米TiO2薄膜对染料敏化太阳能电池中电子传输和界面复合起着很重要作用，影响光电流的输出。TiO2光电阴极1染料敏化太阳能电池及材料DSSC电池结构和组成在高效染料