染料敏化太陽能電池

1.簡介

其主要優(yōu)勢是：原材料豐富、成本低、工藝技術相對簡單，在大面積工業(yè)化生產中具有較大的優(yōu)勢，同時所有原材料和生產工藝都是無毒、無污染的，部分材料可以得到充分的回收，對保護人類環(huán)境具有重要的意義。自從1991年瑞士洛桑高工(EPFL)M. Grtzel教授領導的研究小組在該技術上取得突破以來，歐、美、日等發(fā)達國家投入大量資金研發(fā)。

染料敏化太陽能電池 - 結構組成

主要由納米多孔半導體薄膜、染料敏化劑、氧化還原電解質、對電極和導電基底等幾部分組成。納米多孔半導體薄膜通常為金屬氧化物(TiO2、SnO2、ZnO等)，聚集在有透明導電膜的玻璃板上作為DSC的負極。對電極作為還原催化劑，通常在帶有透明導電膜的玻璃上鍍上鉑。敏化染料吸附在納米多孔二氧化鈦膜面上。正負極間填充的是含有氧化還原電對的電解質，最常用的是I3/I-。

⑴ 染料分子受太陽光照射后由基態(tài)躍遷至激發(fā)態(tài);

⑵ 處于激發(fā)態(tài)的染料分子將電子注入到半導體的導帶中;

⑶ 電子擴散至導電基底，后流入外電路中;

⑷ 處于氧化態(tài)的染料被還原態(tài)的電解質還原再生;

⑸ 氧化態(tài)的電解質在對電極接受電子后被還原，從而完成一個循環(huán);

⑹ 和 ⑺ 分別為注入到TiO2 導帶中的電子和氧化態(tài)染料間的復合及導帶上的電子和氧化態(tài)的電解質間的復合

研究結果表明：只有非?？拷黅iO2表面的敏化劑分子才能順利把電子注入到TiO2導帶中去，多層敏化劑的吸附反而會阻礙電子運輸;染料色激發(fā)態(tài)壽命很短，必須與電極緊密結合，最好能化學吸附到電極上;染料分子的光譜響應范圍和量子產率是影響DSC的光子俘獲量的關鍵因素。到目前為止，電子在染料敏化二氧化鈦納米晶電極中的傳輸機理還不十分清楚，有Weller等的隧穿機理、Lindquist等的擴散模型等，有待于進一步研究。

2.特點

DSC與傳統(tǒng)的太陽電池相比有以下一些優(yōu)勢：

⑴壽命長：使用壽命可達15-20年;

⑵結構簡單、易于制造，生產工藝簡單，易于大規(guī)模工業(yè)化生產;

⑶制備電池耗能較少，能源回收周期短;

⑷生產成本較低，僅為硅太陽能電池的1/5～1/10，預計每蜂瓦的電池的成本在10元以內。

⑸生產過程中無毒無污染;

經(jīng)過短短十幾年時間，染料敏化太陽電池研究在染料、電極、電解質等各方面取得了很大進展。同時在高效率、穩(wěn)定性、耐久性、等方面還有很大的發(fā)展空間。但真正使之走向產業(yè)化，服務于人類，還需要全世界各國科研工作者的共同努力。

這一新型太陽電池有著比硅電池更為廣泛的用途：如可用塑料或金屬薄板使之輕量化，薄膜化;可使用各種色彩鮮艷的染料使之多彩化;另外，還可設計成各種形狀的太陽能電池使之多樣化?？傊玖厦艋{米晶太陽能電池有著十分廣闊的產業(yè)化前景，是具有相當廣泛應用前景的新型太陽電池。相信在不久的將來，染料敏化太陽電池將會走進我們的生活。

3.發(fā)展事記

1839 年，Becquerel發(fā)現(xiàn)氧化銅或鹵化銀涂在金屬電極上會產生光電現(xiàn)象，證實了光電轉換的可能。 1960 年代，H.Gerischer，H.Tributsch，Meier及R.Memming發(fā)現(xiàn)染料吸附在半導體上并在一定條件下產生電流的現(xiàn)象，成為光電化學電池的重要基礎。

1980年代, 光電轉換研究的重點轉向人工模擬光合作用，美國州立Arizona大學的Gust和Moore研究小組成功模擬了光合作用中光電子轉換過程，并取得了一定的成績。Fujihia等將有機多元分子用L B 膜組裝成光電二極管，開拓了這方面的工作。

1970年代到90年代，R.Memming，H.Gerischer，Hauffe，H.Tributsh等人大量研究了各種染料敏化劑與半導體納米晶間光敏化作用，研究主要集中在平板電極上，這類電極只有表面吸附單層染料，光電轉換效率小于1%。

1991年，Grätzel M.于《Nature》上發(fā)表了關于染料敏化納米晶體太陽能電池的文章以較低的成本得到了>7%的光電轉化效率，開辟了太陽能電池發(fā)展史上一個嶄新的時代,為利用太陽能提供了一條新的途徑。

1993年, Grätzel M.等人再次研制出光電轉換效率達10 %的染料敏化太陽能電池, 已接近傳統(tǒng)的硅光伏電池的水平。

1997年，該電池的光電轉換效率達到了10%-11%，短路電流達到18mA/cm2,開路電壓達到720mV。

1998年，采用固體有機空穴傳輸材料替代液體電解質的全固態(tài)Grätzel電池研制成功，其單色光電轉換效率達到33%，從而引起了全世界的關注。

2000年，東芝公司研究人員開發(fā)含碘/ 碘化物的有機融鹽凝膠電解質的準固態(tài)染料敏化納米晶太陽能電池，其光電能量轉換率7.3 % 。

2001年, 澳大利亞STA 公司建立了世界上第一個中試規(guī)模的DSC 工廠。

2002 年, STA建立了迄今為止獨一無二的面積為200m2 DSC 顯示屋頂,集中 體現(xiàn)了未來工業(yè)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)離子液態(tài)聚合物凝膠電解質的準固態(tài)染料敏化納米晶太陽能電池，其光電轉換效率可達5.3 % 。

2003年，日本Kohjiro Hara等人報道了一種多烯染料敏化納米太陽能電 池，其光電能量轉換率達6.8 % 。

2003年，日本Tamotsu Huriuchi等人開發(fā)一種廉價的indoline染料，其光電轉換效率可達6.1 % 。

2003年，Akrakawa工作組用香豆素染料做敏化劑的太陽能電池，其光電轉換效率可達7.7 % 。

2003年，Grätzel小組報道了以兩性分子染料與多孔聚合物電解質組裝的準固態(tài)納米晶太陽電池，在AM 1.5模擬太陽光下光電轉換率高于6%。

2003年，臺灣工業(yè)技術研究院能源研究所應用納米晶體開發(fā)出的染料敏化太陽能電池，根據(jù)報道，其光電轉換效率可達8 % ~ 1 2 % ，目前納米晶體太陽能電池技術在海外已開始商品化，初期效率約5 % 。

2003年，中國科學院等離子體物理研究所(IPP)成功制備出光電轉換效率接近6%的15 ×20cm2 及40 ×60cm2 的電池組件。

2004年,中國科學院等離子體物理研究所(IPP)建成了500瓦規(guī)模的小型示范電站,光電轉換效率達5 %。

2004年，韓國Jong Hak Kim等使用復合聚合電解質全固態(tài)染料敏化納米晶太陽能電池，其光電轉換效率可達4.5% 。

2004年，日立制作所試制成功了色素(染料)增感型太陽能電池的大尺寸面板，在實驗室內進行的光電轉換效率試驗中得出的數(shù)據(jù)為9.3% 。

2004年，染料敏化納米晶太陽能電池開發(fā)商Peccell Technologies公司(Peccell)宣布其已開發(fā)出電壓高達4 V ( 與鋰離子電池電壓相當) 的染料敏化納米晶太陽能電池，可作為下一代太陽能電池，有可能逐漸取代基于硅元素的太陽能電池產品

2004年，日本足立教授領導的研究組用TiO2納米管做染料敏化納米晶太陽能電池電極材料其光電轉換效率可達5 % ，隨后用TiO2納米網(wǎng)絡做電極其光電轉換效率達到9.33% 。

2006年，日本岐阜大學(Gifu University)開發(fā)的基于二氫吲哚類有機染料敏化的電沉積納米氧化鋅薄膜的塑性彩色電池效率達到了5.6 % 。

2006年，日本桐蔭橫濱大學開發(fā)的基于低溫TiO2 電極制備技術的全柔性DSC 效率超過了6%。

2009年，中國科學院長春應用化學研究所王鵬課題組研制的電池的效能為9.8%。染料敏化太陽能電池的發(fā)明者、瑞士洛桑聯(lián)邦理工學院的化學教授邁克爾·格拉特茲勒說：“10年前，我們認為我們不會得到超過1%的結果?，F(xiàn)在卻得到了9.8%的高能效。”

目前，DSSCs的光電轉化效率已能穩(wěn)定在10%以上，據(jù)推算壽命能達15～20年，且其制造成本僅為硅太陽能電池的1/5～1/10

2011年，Michael Gr?tzel等人宣布制成了光電效率為12.3%的電池，這打破了染料電池光電效率的最高紀錄。

4.產業(yè)化

繼多晶硅及薄膜太陽能電池之后，第三代太陽能電池產品——染料敏化太陽能電池產業(yè)化開發(fā)取得突破。上周河北漢光重工有限責任公司透露，該公司承擔的國內首個染料敏化太陽能電池產業(yè)化項目攻克了光電材料、單元封裝、組件封裝等難關，把電池從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。經(jīng)檢測，這種大面積的染料敏化太陽能電池的技術指標及穩(wěn)定性均達到了產業(yè)化要求。

染料敏化太陽能電池是以低成本的納米二氧化鈦和光敏染料為主要原料，模擬自然界中植物利用太陽能進行光合作用，將太陽能轉化為電能。與傳統(tǒng)太陽能電池相比，它的最大優(yōu)勢在于其制作工藝簡單、不需昂貴的設備和高潔凈度的廠房設施，制作成本僅為硅太陽能電池的1/10~1/5。該電池使用的納米二氧化鈦、N3染料、電解質等材料價格便宜且環(huán)保無污染，同時它對光線的要求相對不那么嚴格，即使在比較弱的光線照射下也能工作。

據(jù)該項目負責人介紹，染料敏化太陽能電池于1991年由瑞士科學家實現(xiàn)了技術上的重大突破，之后美國、日本等發(fā)達國家投入大量資金也進入該研發(fā)領域。我國染料敏化太陽能電池研究始于1994年，由中國科學院化學研究所發(fā)起，目前，該課題已被列為國家“863”、“973”計劃重大科研項目。

2008年初，中科院化學研究所與河北漢光重工有限責任公司簽訂長期合作協(xié)議，并成立漢光太陽能研究所。2009年底，邯鄲市政府與河北漢光重工有限責任公司簽訂共同推進染料敏化太陽能電池研發(fā)項目合作協(xié)議。目前，漢光太陽能研究所已掌握核心材料如：N3染料、電解質、鉑液、保護層、碳層的配方及生產合成工藝，具備了多種規(guī)格型號電池單元的制作能力，其光電流、光電壓及光電效率都已滿足小型用電器的電量要求，具備小批量生產能力。

該項目負責人還告訴記者，我國自主研發(fā)的這種新一代太陽能電池產品只在短短十幾年內就邁向了產業(yè)化，目前國內在該領域的科研水平與世界保持同步，計劃在2015年染料敏化太陽能電池達到20MW的生產能。