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(shù)相對簡單，在大面積工業(yè)化生產(chǎn)中具有較大的優(yōu)勢，同時所有原材料和生產(chǎn)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(hù)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(lǐng)導(dǎo)的研究小組在該技術(shù)上取得突破以來，歐、美、日等發(fā)達(dá)國家投入大量資金研發(fā)。

染料敏化太陽能電池 - 結(jié)構(gòu)組成

主要由納米多孔半導(dǎo)體薄膜、染料敏化劑、氧化還原電解質(zhì)、對電極和導(dǎo)電基底等幾部分組成。納米多孔半導(dǎo)體薄膜通常為金屬氧化物(TiO2、SnO2、ZnO等)，聚集在有透明導(dǎo)電膜的玻璃板上作為DSC的負(fù)極。對電極作為還原催化劑，通常在帶有透明導(dǎo)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(fù)極間填充的是含有氧化還原電對的電解質(zhì)，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(dǎo)體的導(dǎo)帶中;

⑶ 電子擴(kuò)散至導(dǎo)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(zhì)還原再生;

⑸ 氧化態(tài)的電解質(zhì)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(dǎo)帶中的電子和氧化態(tài)染料間的復(fù)合及導(dǎo)帶上的電子和氧化態(tài)的電解質(zhì)間的復(fù)合

研究結(jié)果表明：只有非常靠近TiO2表面的敏化劑分子才能順利把電子注入到TiO2導(dǎo)帶中去，多層敏化劑的吸附反而會阻礙電子運(yùn)輸;染料色激發(fā)態(tài)壽命很短，必須與電極緊密結(jié)合，最好能化學(xué)吸附到電極上;染料分子的光譜響應(yīng)范圍和量子產(chǎn)率是影響DSC的光子俘獲量的關(guān)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(jī)理還不十分清楚，有Weller等的隧穿機(jī)理、Lindquist等的擴(kuò)散模型等，有待于進(jìn)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(dá)15-20年;

⑵結(jié)構(gòu)簡單、易于制造，生產(chǎn)工藝簡單，易于大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn);

⑶制備電池耗能較少，能源回收周期短;

⑷生產(chǎn)成本較低，僅為硅太陽能電池的1/5～1/10，預(yù)計每蜂瓦的電池的成本在10元以內(nèi)。

⑸生產(chǎn)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(zhì)等各方面取得了很大進(jìn)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(chǎn)業(yè)化，服務(wù)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(shè)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(chǎn)業(yè)化前景，是具有相當(dāng)廣泛應(yīng)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(jìn)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(chǎn)生光電現(xiàn)象，證實了光電轉(zhuǎn)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(dǎo)體上并在一定條件下產(chǎn)生電流的現(xiàn)象，成為光電化學(xué)電池的重要基礎(chǔ)。

1980年代, 光電轉(zhuǎn)換研究的重點轉(zhuǎn)向人工模擬光合作用，美國州立Arizona大學(xué)的Gust和Moore研究小組成功模擬了光合作用中光電子轉(zhuǎn)換過程，并取得了一定的成績。Fujihia等將有機(jī)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(dǎo)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(zhuǎn)換效率小于1%。

1991年，Grätzel M.于《Nature》上發(fā)表了關(guān)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(zhuǎn)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(zhuǎn)換效率達(dá)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(zhuǎn)換效率達(dá)到了10%-11%，短路電流達(dá)到18mA/cm2,開路電壓達(dá)到720mV。

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

2000年，東芝公司研究人員開發(fā)含碘/ 碘化物的有機(jī)融鹽凝膠電解質(zhì)的準(zhǔn)固態(tài)染料敏化納米晶太陽能電池，其光電能量轉(zhuǎn)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(dú)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P(guān)eng 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(zhì)的準(zhǔn)固態(tài)染料敏化納米晶太陽能電池，其光電轉(zhuǎn)換效率可達(dá)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(zhuǎn)換率達(dá)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(zhuǎn)換效率可達(dá)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(zhuǎn)換效率可達(dá)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(zhì)組裝的準(zhǔn)固態(tài)納米晶太陽電池，在AM 1.5模擬太陽光下光電轉(zhuǎn)換率高于6%。

2003年，臺灣工業(yè)技術(shù)研究院能源研究所應(yīng)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(zhuǎn)換效率可達(dá)8 % ~ 1 2 % ，目前納米晶體太陽能電池技術(shù)在海外已開始商品化，初期效率約5 % 。

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

2004年,中國科學(xué)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(zhuǎn)換效率達(dá)5 %。

2004年，韓國Jong Hak Kim等使用復(fù)合聚合電解質(zhì)全固態(tài)染料敏化納米晶太陽能電池，其光電轉(zhuǎn)換效率可達(dá)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(nèi)進(jìn)行的光電轉(zhuǎn)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(dá)4 V ( 與鋰離子電池電壓相當(dāng)) 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(chǎn)品

2004年，日本足立教授領(lǐng)導(dǎo)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(zhuǎn)換效率可達(dá)5 % ，隨后用TiO2納米網(wǎng)絡(luò)做電極其光電轉(zhuǎn)換效率達(dá)到9.33% 。

2006年，日本岐阜大學(xué)(Gifu University)開發(fā)的基于二氫吲哚類有機(jī)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(dá)到了5.6 % 。

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

2009年，中國科學(xué)院長春應(yīng)用化學(xué)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(xué)院的化學(xué)教授邁克爾·格拉特茲勒說：“10年前，我們認(rèn)為我們不會得到超過1%的結(jié)果?，F(xiàn)在卻得到了9.8%的高能效。”

目前，DSSCs的光電轉(zhuǎn)化效率已能穩(wěn)定在10%以上，據(jù)推算壽命能達(dá)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(jì)錄。

4.產(chǎn)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(chǎn)品——染料敏化太陽能電池產(chǎn)業(yè)化開發(fā)取得突破。上周河北漢光重工有限責(zé)任公司透露，該公司承擔(dān)的國內(nèi)首個染料敏化太陽能電池產(chǎn)業(yè)化項目攻克了光電材料、單元封裝、組件封裝等難關(guān)，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(shù)指標(biāo)及穩(wěn)定性均達(dá)到了產(chǎn)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(jìn)行光合作用，將太陽能轉(zhuǎn)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(shè)備和高潔凈度的廠房設(shè)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(zhì)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(yán)格，即使在比較弱的光線照射下也能工作。

據(jù)該項目負(fù)責(zé)人介紹，染料敏化太陽能電池于1991年由瑞士科學(xué)家實現(xiàn)了技術(shù)上的重大突破，之后美國、日本等發(fā)達(dá)國家投入大量資金也進(jìn)入該研發(fā)領(lǐng)域。我國染料敏化太陽能電池研究始于1994年，由中國科學(xué)院化學(xué)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(xué)研究所與河北漢光重工有限責(zé)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(zé)任公司簽訂共同推進(jìn)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(zhì)、鉑液、保護(hù)層、碳層的配方及生產(chǎn)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(chǎn)能力。

該項目負(fù)責(zé)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(chǎn)品只在短短十幾年內(nèi)就邁向了產(chǎn)業(yè)化，目前國內(nèi)在該領(lǐng)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(dá)到20MW的生產(chǎn)能。