染料敏化太阳能电池

1.简介

其主要优势是：原材料丰富、成本低、工艺技术相对简单，在大面积工业化生产中具有较大的优势，同时所有原材料和生产工艺都是无毒、无污染的，部分材料可以得到充分的回收，对保护人类环境具有重要的意义。自从1991年瑞士洛桑高工(EPFL)M. Grtzel教授领导的研究小组在该技术上取得突破以来，欧、美、日等发达国家投入大量资金研发。

染料敏化太阳能电池 - 结构组成

主要由纳米多孔半导体薄膜、染料敏化剂、氧化还原电解质、对电极和导电基底等几部分组成。纳米多孔半导体薄膜通常为金属氧化物(TiO2、SnO2、ZnO等)，聚集在有透明导电膜的玻璃板上作为DSC的负极。对电极作为还原催化剂，通常在带有透明导电膜的玻璃上镀上铂。敏化染料吸附在纳米多孔二氧化钛膜面上。正负极间填充的是含有氧化还原电对的电解质，最常用的是I3/I-。

⑴ 染料分子受太阳光照射后由基态跃迁至激发态;

⑵ 处于激发态的染料分子将电子注入到半导体的导带中;

⑶ 电子扩散至导电基底，后流入外电路中;

⑷ 处于氧化态的染料被还原态的电解质还原再生;

⑸ 氧化态的电解质在对电极接受电子后被还原，从而完成一个循环;

⑹ 和 ⑺ 分别为注入到TiO2 导带中的电子和氧化态染料间的复合及导带上的电子和氧化态的电解质间的复合

研究结果表明：只有非常靠近TiO2表面的敏化剂分子才能顺利把电子注入到TiO2导带中去，多层敏化剂的吸附反而会阻碍电子运输;染料色激发态寿命很短，必须与电极紧密结合，最好能化学吸附到电极上;染料分子的光谱响应范围和量子产率是影响DSC的光子俘获量的关键因素。到目前为止，电子在染料敏化二氧化钛纳米晶电极中的传输机理还不十分清楚，有Weller等的隧穿机理、Lindquist等的扩散模型等，有待于进一步研究。

2.特点

DSC与传统的太阳电池相比有以下一些优势：

⑴寿命长：使用寿命可达15-20年;

⑵结构简单、易于制造，生产工艺简单，易于大规模工业化生产;

⑶制备电池耗能较少，能源回收周期短;

⑷生产成本较低，仅为硅太阳能电池的1/5～1/10，预计每蜂瓦的电池的成本在10元以内。

⑸生产过程中无毒无污染;

经过短短十几年时间，染料敏化太阳电池研究在染料、电极、电解质等各方面取得了很大进展。同时在高效率、稳定性、耐久性、等方面还有很大的发展空间。但真正使之走向产业化，服务于人类，还需要全世界各国科研工作者的共同努力。

这一新型太阳电池有着比硅电池更为广泛的用途：如可用塑料或金属薄板使之轻量化，薄膜化;可使用各种色彩鲜艳的染料使之多彩化;另外，还可设计成各种形状的太阳能电池使之多样化。总之染料敏化纳米晶太阳能电池有着十分广阔的产业化前景，是具有相当广泛应用前景的新型太阳电池。相信在不久的将来，染料敏化太阳电池将会走进我们的生活。

3.发展事记

1839 年，Becquerel发现氧化铜或卤化银涂在金属电极上会产生光电现象，证实了光电转换的可能。 1960 年代，H.Gerischer，H.Tributsch，Meier及R.Memming发现染料吸附在半导体上并在一定条件下产生电流的现象，成为光电化学电池的重要基础。

1980年代, 光电转换研究的重点转向人工模拟光合作用，美国州立Arizona大学的Gust和Moore研究小组成功模拟了光合作用中光电子转换过程，并取得了一定的成绩。Fujihia等将有机多元分子用L B 膜组装成光电二极管，开拓了这方面的工作。

1970年代到90年代，R.Memming，H.Gerischer，Hauffe，H.Tributsh等人大量研究了各种染料敏化剂与半导体纳米晶间光敏化作用，研究主要集中在平板电极上，这类电极只有表面吸附单层染料，光电转换效率小于1%。

1991年，Grätzel M.于《Nature》上发表了关于染料敏化纳米晶体太阳能电池的文章以较低的成本得到了>7%的光电转化效率，开辟了太阳能电池发展史上一个崭新的时代,为利用太阳能提供了一条新的途径。

1993年, Grätzel M.等人再次研制出光电转换效率达10 %的染料敏化太阳能电池, 已接近传统的硅光伏电池的水平。

1997年，该电池的光电转换效率达到了10%-11%，短路电流达到18mA/cm2,开路电压达到720mV。

1998年，采用固体有机空穴传输材料替代液体电解质的全固态Grätzel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。

2000年，东芝公司研究人员开发含碘/ 碘化物的有机融盐凝胶电解质的准固态染料敏化纳米晶太阳能电池，其光电能量转换率7.3 % 。

2001年, 澳大利亚STA 公司建立了世界上第一个中试规模的DSC 工厂。

2002 年, STA建立了迄今为止独一无二的面积为200m2 DSC 显示屋顶,集中 体现了未来工业化的前景。

2002年Peng Wang等人用含有1 - m e t h y l - 3 -propylimidazolium iodide 和 poly (viylidenefloride-cohexafluoropropylene)离子液态聚合物凝胶电解质的准固态染料敏化纳米晶太阳能电池，其光电转换效率可达5.3 % 。

2003年，日本Kohjiro Hara等人报道了一种多烯染料敏化纳米太阳能电 池，其光电能量转换率达6.8 % 。

2003年，日本Tamotsu Huriuchi等人开发一种廉价的indoline染料，其光电转换效率可达6.1 % 。

2003年，Akrakawa工作组用香豆素染料做敏化剂的太阳能电池，其光电转换效率可达7.7 % 。

2003年，Grätzel小组报道了以两性分子染料与多孔聚合物电解质组装的准固态纳米晶太阳电池，在AM 1.5模拟太阳光下光电转换率高于6%。

2003年，台湾工业技术研究院能源研究所应用纳米晶体开发出的染料敏化太阳能电池，根据报道，其光电转换效率可达8 % ~ 1 2 % ，目前纳米晶体太阳能电池技术在海外已开始商品化，初期效率约5 % 。

2003年，中国科学院等离子体物理研究所(IPP)成功制备出光电转换效率接近6%的15 ×20cm2 及40 ×60cm2 的电池组件。

2004年,中国科学院等离子体物理研究所(IPP)建成了500瓦规模的小型示范电站,光电转换效率达5 %。

2004年，韩国Jong Hak Kim等使用复合聚合电解质全固态染料敏化纳米晶太阳能电池，其光电转换效率可达4.5% 。

2004年，日立制作所试制成功了色素(染料)增感型太阳能电池的大尺寸面板，在实验室内进行的光电转换效率试验中得出的数据为9.3% 。

2004年，染料敏化纳米晶太阳能电池开发商Peccell Technologies公司(Peccell)宣布其已开发出电压高达4 V ( 与锂离子电池电压相当) 的染料敏化纳米晶太阳能电池，可作为下一代太阳能电池，有可能逐渐取代基于硅元素的太阳能电池产品

2004年，日本足立教授领导的研究组用TiO2纳米管做染料敏化纳米晶太阳能电池电极材料其光电转换效率可达5 % ，随后用TiO2纳米网络做电极其光电转换效率达到9.33% 。

2006年，日本岐阜大学(Gifu University)开发的基于二氢吲哚类有机染料敏化的电沉积纳米氧化锌薄膜的塑性彩色电池效率达到了5.6 % 。

2006年，日本桐荫横滨大学开发的基于低温TiO2 电极制备技术的全柔性DSC 效率超过了6%。

2009年，中国科学院长春应用化学研究所王鹏课题组研制的电池的效能为9.8%。染料敏化太阳能电池的发明者、瑞士洛桑联邦理工学院的化学教授迈克尔·格拉特兹勒说：“10年前，我们认为我们不会得到超过1%的结果。现在却得到了9.8%的高能效。”

目前，DSSCs的光电转化效率已能稳定在10%以上，据推算寿命能达15～20年，且其制造成本仅为硅太阳能电池的1/5～1/10

2011年，Michael Gr?tzel等人宣布制成了光电效率为12.3%的电池，这打破了染料电池光电效率的最高纪录。

4.产业化

继多晶硅及薄膜太阳能电池之后，第三代太阳能电池产品——染料敏化太阳能电池产业化开发取得突破。上周河北汉光重工有限责任公司透露，该公司承担的国内首个染料敏化太阳能电池产业化项目攻克了光电材料、单元封装、组件封装等难关，把电池从2×2平方厘米、5×5平方厘米、15×15平方厘米，做到了80×72平方厘米。经检测，这种大面积的染料敏化太阳能电池的技术指标及稳定性均达到了产业化要求。

染料敏化太阳能电池是以低成本的纳米二氧化钛和光敏染料为主要原料，模拟自然界中植物利用太阳能进行光合作用，将太阳能转化为电能。与传统太阳能电池相比，它的最大优势在于其制作工艺简单、不需昂贵的设备和高洁净度的厂房设施，制作成本仅为硅太阳能电池的1/10~1/5。该电池使用的纳米二氧化钛、N3染料、电解质等材料价格便宜且环保无污染，同时它对光线的要求相对不那么严格，即使在比较弱的光线照射下也能工作。

据该项目负责人介绍，染料敏化太阳能电池于1991年由瑞士科学家实现了技术上的重大突破，之后美国、日本等发达国家投入大量资金也进入该研发领域。我国染料敏化太阳能电池研究始于1994年，由中国科学院化学研究所发起，目前，该课题已被列为国家“863”、“973”计划重大科研项目。

2008年初，中科院化学研究所与河北汉光重工有限责任公司签订长期合作协议，并成立汉光太阳能研究所。2009年底，邯郸市政府与河北汉光重工有限责任公司签订共同推进染料敏化太阳能电池研发项目合作协议。目前，汉光太阳能研究所已掌握核心材料如：N3染料、电解质、铂液、保护层、碳层的配方及生产合成工艺，具备了多种规格型号电池单元的制作能力，其光电流、光电压及光电效率都已满足小型用电器的电量要求，具备小批量生产能力。

该项目负责人还告诉记者，我国自主研发的这种新一代太阳能电池产品只在短短十几年内就迈向了产业化，目前国内在该领域的科研水平与世界保持同步，计划在2015年染料敏化太阳能电池达到20MW的生产能。