染料敏化TiO2纳米晶太阳能电池的计算机模拟

在光电化学电池研究中，大多数染料敏化电池的光电转换效率比较低（1%），直到90年代初的几项突破才使得染料敏化光电池的光电转化效率有了很大提高。Gratzel等以纳米多孔TiO2膜为半导体电极，以有机化合物作染料，并选用适当的氧化还原电解质，发展了一种纳米晶网络太阳能电池，终于在1991年取得了突破，在太阳光下其光电转换效率达7.1%，入射光子-电流转换效率大于80%。从此，对各种纳米晶网络电极及敏化的纳米晶网络电极光电化学太阳能电池的研究迅速开展起来。染料敏化TiO2纳米晶太阳能电池以其较低的价格、较高的性能价格比而受到普遍关注，它极有可能被产业化并取代现有的太阳能电池产品。目前，染料敏化TiO2纳米晶太阳能电池还有许多重要的理论和实验问题有待解决，尤其是一些关于染料敏化TiO2纳米晶太阳能电池的工作机制和其中的基本过程的问题。要研究这些问题，就必须了解其内部各参数与电池的外部特性之间的联系，而电池的内部参数是很难直接测量的。所以，通过计算机模拟来研究电池的内部参数对外部特性的影响是一个很好的思路。在染料敏化TiO2纳米晶太阳能电池的计算机模拟方面，所作的研究工作还比较少，主要集中在两个方面：一方面是从电化学角度建立的模型，另一方面是从光传输的角度研究这种太阳能电池。上述工作使人们对这种太阳能电池的工作机制的理解更加深入，在对这种太阳能电池的研究中起到了重要的指导作用。但是，上述工作也有一些不足，比如，它们都没有系统全面的研究电池内部各参数对电池中的基本过程的影响，它们不能定量给出电池的光学过程与电化学过程之间的联系。本论文的工作正是围绕这些不足所展开的。本论文建立了一个准一维的综合考虑电化学过程和光传输过程的染料敏化TiO2纳米晶太阳能电池的模型。其中载流子的传输采用扩散－漂移模型，阳极采用欧姆接触模型，阴极采用电流－超电势模型，光束的传播采用Fourflux传输模型，光散射过程采用Mie单球散射模型。这一染料敏化TiO2纳米晶太阳能电池的模型可以用来研究在不同条件下电池中载流子的分布、载流子的流密度分布、电场分布和光强分布。还可以用来研究电池各个内部参数对电池中基本过程的影响。通过用上述模型进行计算机模拟研究，得到了如下结果：1）电池中的电位降很小，电场对载流子传输的影响和对电池输出电压的影响可以忽略，电池中载流子传输的主要动力是载流子的浓度梯度，电池发电主要是由电池中的动力学过程决定的。2）电池中的电子密度分布和电子电流密度分布是由电池中的电子损失过程和电子产生过程之间的竞争与平衡决定的。本论文根据染料敏化TiO2太阳能电池的特点，忽略了电池中的一些次要过程，电子产生过程主要考虑了光诱导下染料向TiO2导带的电子注入，电子损失过程主要考虑了TiO2导带中电子被I3－氧化的电子弛豫过程和阳极对TiO2导带中电子的收集过程。3）电池中I-和I3－的浓度分布主要是由电池中的两个氧化还原过程决定的。一个是在阴极处I-/I3－电对的氧化还原过程，另一个是在TiO2表面氧化还原过程（其中包括I-把染料还原的过程和TiO2导带中电子把I3－还原的电子迟豫过程）。4）电池的短路电流Isc和开路电压Voc都随电子弛豫速率Ke的增大而减小，其中Isc的增大有饱和趋势，它受到电子注入数量的限制，而Voc的增大没有饱和趋势。5）随着Ke的增大，电子在电池中的损失速率增加，电子浓度和电子电流密度都要下降；随着Ke的减小，I3－在TiO2表面被还原的数量降低，更多的I3－要迁移到阴极才能被还原，这时I-和I3－的浓度梯度较大。6）随着有效电子迁移率Ue的增大，电池的短路电流Isc增大，开路电压略有减小，Isc的增大受到电子注入数量的限制而有饱和趋势。7）随着Ue的减小，阳极对电子的收集能力减弱，电子电流密度减小，电子浓度增加；Ue增大有利于电子浓度的平滑化；当Ue小到使电子有效自由程小于电池厚度时，电子密度出现峰值。8）随着Ue的减小，更多的电子在没运动到阳极前就通过把I3－还原的过程而被损失掉了，这时更多的I3－不用运动到阴极去就可以被还原，所以这时I-和I3－的浓度梯度较小。9）短路电流Isc随电池厚度的增加先是增加后来饱和并略有下降，Isc在厚度为12mm时最大；Voc随厚度的增加而单调下降，但下降幅度很小。另一方面要提高电池的性能价格比，还必须尽量减小电池的厚度。所以电池的最佳厚度应该在10mm-12mm之间。10）12mm以外对电池的短路电流Isc几乎没有贡献。12mm以后短路电子密度Ne几乎不随位置变化。随着厚度增大，电池的开路电子密度减小，开路电子电流密度增大。11）随着透明电极电阻RTco的减小，电池的填充因子增大。12）随着电池漏电阻Rp的增大，Isc、Voc和填充因子增大，其中Isc和Voc的增大有饱和的趋势。13）采用在电池中加散射体和在阴极处加反射面的方法，可以增加电池中漫射光的强度，在电池中产生光学限域现象，有利于染料对光的吸收，可以有效地增加Isc。14）采用在阴极处加漫反射面的方法，可以起到与上一种方法同样的作用，并且方法简便。本论文通过对电池较详尽的模拟，对电池中载流子的产生和损失机制、载流子的输运机制进行了较详尽的分析，获得了对电池中的基本过程的进一步了解，这将对染料敏化TiO2纳米晶太阳能电池的实验研究有重要的指导意义。本论文发展了一个综合考虑电池的电化学过程和光传输过程的模型，并通过这一模型探讨了电池的光学特性对其外部特性的影响，这对发展染料敏化TiO2纳米晶太阳能电池的光学设计将有直接的促进。