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第20卷 第1期 V(】1.2O NO 1 材料科学与工程 总第77期 M .2002 MaLe als Science&Engineering 文章编号:1004-793X(2002j0l-0125・03 染料敏化纳米薄膜太阳能电池的研究进展 施永明,赵高凌,沈鸽,张溪文,翁文剑,杜丕一,韩高荣 310027) c浙江大学材料系.硅材料国家重点实验室.浙江杭州l摘要1本文简要地介绍了染料敏化纳米薄膜太阳能电池的结构和原理;对其中关键问题,如纳米 膜、敏化染料.空穴传输材料的研究进展进行了综述。 【关键词】敏化染料;纳米薄膜;空穴传输材料;太阳能电弛 中国分类号:064 文献标识码:A Dye-sensitized Nano-thin-film Solar Cell and its Development SHI Yong-ming,ZHAO Gao-ling,SHEN Ge,ZHANG Xi-wen,WENG Wen-jian, DU Pi-yi,HAN Gao-rong (State Key Lab of snic佃Materials.Department of Mawterials and E1卿Hangzhou 310027.China) n窖,Zmjing University, l Absh'act1 In this paper intr ̄]uced bileny the rund n s ̄cture and the principle of the dye-semirigid nano-lhin-ifhn oslar d a玎d h transpor ̄mmteria|s is 蚰 ̄'Jewed cell,and the study of ̄,rogress of Ti 矗Im,鲫舳jlj lKey word++】 sensiitzed dye;thla iflm c0 n1ainir ;Hano-size particles;h0le_t|ansp0n materials;solar cell 质.结台吸附染料的纳米二氧化钍薄膜制成固态光电池,其 引 言 进入二十世纪“来,人类的工业文明得以迅猛发展.由 此引发的能源危机和环境污染成为亟待解决的严重问题, 利用和转换太阳能是解决世界范围内的能源危机和环境问 题的一条重要途径。太阳能作为一种可再生能源.具有其 它能源所不可比拟的优点:与化石燃料相比.太阳能取之不 尽 用之不蝎;与棱能相比.太阳能更为安全,其应用不会对 环境构成任何污染;与木能、风能相比,太阳能利用的成率 较低.且不受地理条件限雠。 温化学太阳能电池是一种通过光电极将太阳能转换为 电能或电能和化学能的电器件 目前最成功的是Gr ̄tzel 等凡提出的染料敏化纳米二氢化钛薄膜为光阳极的太阳能 ●单色光电转换效率达到33%,使染料敏化纳米薄膜太阳能 光电弛的研究向实际应用迈出了一大步。另外,Sch.曲等 报道r通过在有机光电二极管中进行有机材料的分子掺杂 可以提高光电转换效率 这种由掺杂的并五苯构成的薄膜 器件的出现对高教太阳能电池的生产是一个巨大的推动。 鉴于这种湿化学太阳能电池所具有的良好发展前景, 本文将对它的基本结掏和原理作出综述,井对其中的几个 关键问题进行讨论和评述。 2染料敏化纳米二氧化钛薄膜 太阳能电池的基本结构和原理 染料敏化温化学太阳能电池由镀有透明导电膜的导电 }k8l§ 光电池 (简称为Gr ̄ltzel电池).其光电转换技率在模拟日 }tlIlllllll}Ill}lIJl}l }II}l}基片、多孔纳米晶二氧化钛薄膜、染料光敏化剂、电解质溶 l}ll;;液及透明对电极等几部分构成(图1)。其基本工作原理如 光照射下(AMt 5)已选10% 。。但此娄电弛使用丁{夜相电 解彳r质.使得太阳能光电池的制造极为不便.而且影响整个 装置的稳定性 最近叉出现丁固态电解质的光电池。Mu- rakos[i等 ‘f“纳米二氧化钛颗粒表面台成导电聚台物聚吡 略作为正负扳间电荷输运的传导介质.建立了一种固态光 电池。Gr百把eI等 ’用一种有机空穴导电材料代替液态电解 眭辅日期∞_H、12—22;修订口期:2 一06 f1 同2所示;当能量低于二氧化钍的禁带宽度( .=3.2 )但 ^于染料分子的特征吸收渡长的入射光照射到电极上时, 吸附在电扳表面染料分子中的电子受激跃迁至激发志,然 后注入到二二氧化钍导带内.此时染料分子自身转变为氧化 态 注入到二氧化钍导带的电子富集到导电基片,井通过 基盘项目:目家自然科学基金贽助 目(59902OO6.69890230-浙江省自爨科学基盘赞助项目(瑚90仲) 作者葡秆:施 明tl976).男,浙江 乌人.渐扛大学材料与化工学院硕士± 维普资讯 http://www.cqvip.com
126・ 材料科学与工程 2002年3月 级之差。 D+b—+D’ (5) (6) (7) D’一D’+e一一导带(二氧化钛) D 一D+h’一价带(空穴传辖材料) 图1 液态电解质染料敏化二氧化钍太阳能电弛的结构示意 图3全固态染料镀化二氧化钍电弛的结构示意图 外电路漉向对电极.形成电流。处于氧化志的染料分子则 通过电解质溶液中的电子给体,自身恢复为还原态.使染料 分子得到再生。被氧化的电子给体扩散至对电极,在电扳 表面被还原,从而完成一个光电化学反应循环。具体过程 可以用下面式子表示 : 二氧化钛电楹肇料 空穴传辅材料 金属电楹 D+h—D D 一D +e一导带(二氧化钍) D +x—D+x (1) (2) (3) x+e一一X 阴极 , (4) 囤4全固态艇化二氧化钍电弛光电转换原理图 其中,D代表基态染料分子,D 为激发态染料分子,D 表示 B▲ ●●●●●●●●●●●●● 氧化志染料分子,x为卤素分子,x代表卤素阴离子。 在整个过程中.各反应物种总状态不变.而光能转化为 3染料敏化太阳能电池的关键问题 我们认为染料敏化太阳能电池的关键问题在于纳米 电能。电池的奸路电压(V )取决于二氧化钛的费米能级 (E )和电懈质中氧化还原可逆电对的能斯特电势之差 Ti01薄膜的微观结构、敏化染料的选择和载液子传辖材料 的选择,下面对这几个问题分别进行讨论。 3.1多孔纳米尉 薄膜电极 二氧化钛是一种价格梗宜且应用楹广的材料.制备简 单并且无毒、稳定.且抗腐蚀性能好。但其禁带宽度较大 (金红石的带隙为3ev,锐钛矿的带晾为3.2ev ).吸收范 围都在紫外区,因此需要进行染料敏化,才能吸收可见光区 (E㈨ ))1,7,用公式可表示为: =llq[( ) 一 (E(M))],其中目为完成一个氧化还原过程所需要的电 子总数。 半导体电极絷科 电懈质涪i蠹 透明对电轾 BT 圈2液态电解质敏化二氧化钍电他的光电转接原理图 的能量 为了吸附更多的染料分子,要求制备多孔、大比表 面积的纳米T 薄膜电楹。 纳米二氧化钛薄膜的制备方法有很多种.包括溶胶凝 脏法、水热反应法、溅射法、醇盐水解法、溅射沉积法、等离 子喷涂法、丝网印刷法等。纳米二氧化钍的微观结构,如粒 径、气孔率对太阳能电池的光电转换效率具有非常大的影 响 。粒径太大,染料的吸附率低.不利于光电转换;粒径 由于泣志电解质存在的不足,最近出瑰,全固态光电 池,其构成如图3所示 与液态光电池丰『1比,其最大的不同 是用空穴传输材料代替了液态电懈质。由此,其工作机理 . £{ ‘ 太小,界面太多.晶界势垒阻碍载漉子的转运.载流子迁移 率低,也不利于光电转换。所 ,有必要寻找一个最佳的粒 亦有所不同。其光电转换原理如图4所示,式(5)~(7)为 光电转换表示式其中h’代表空穴。多相结中的染料的电 子受到能量低于二氧化钛禁带宽度的^射光激发跃迁至激 发态.然后注^到二氧化钛的导带中.而染料分子自身转变 为氧化态。注人到二氧化钛导带的电子富集到导电基片井 径范围.以获得最佳的光电转换效率。目前,Gramel电池使 用多孔纳米TiO,薄膜电楹的粒径多数在l呻ran以下。另 一方面,我们制备的不同膜厚的 薄膜电投柏光电性质 测试表明厚度为500rim左右的薄膜电极的光电性质最 好 …,表吗其空间电荷层厚度为500rim左右。从这个角度 讲,由粒径为50Ohm的TiO:胶粒组成的薄膜电极应该具有 最好的光电性质。粒径太于50Ohm.将碱小比表面积,减少 通过外电路流向金属电扳。处于氧化杰的染料分子通过使 染料分子中的空穴注人到空穴传输材料而自身恢复为还原 杰,使染料分子樽到再生。同样.在整个过程中各种物质表 染料分子的吸附,同时非空问电荷层部分将增大薄膜电极的 电阻。相反,粒径小于500rim,不能充分利用空问电荷层,且 胶粒间界面太多.影响载流子传输,进而破坏光电性质。 观上没有发生变化,而光能转化为电能 电池的开路电压 取决于二氧化钍的费术能级和空穴传输材料的HOMO能 维普资讯 http://www.cqvip.com
第20卷第1期 3.2敏化染料 施永明.等.染料敏化纳米薄膜太阳能电池的研究进展 ・127・ 钛导带。根据 上要求,染料分子母体上一般应有易与纳 米半导体表面结台的基团,如一cOOH、一s0 H、一 Po,H:”。、 研究表明” “” 染料上的援基与二氧化钍膜 染料敏化纳米薄膜太阳能电弛耐染料的要求非常高, 敏化的染料一般耍符合以下条件:(I)二氧化钛纳米结构半 导体电极表面有良好的吸附性.即能够快速达到吸附平衡, 而且 易脱落:(2)在可见光区有较强的、尽量宽的吸收带; 上的羟基结台生成了酯。如图5所示,羧馥联吡啶钉染料 上的装基与 02上的羟基能有效的结舍,从而增强了二氧 化钛导带3d轨道和染料 轨道电子的耦台,使电子转移 、磷酸多 更为客易。现在使用最多的有羧馥多毗啶钉“ 毗啶钉“ 及多棱联毗啶钉染料“ 等几种染料。 (3 染料的氧化恋和激发态耍有较高的稳定性;(4)激发态 寿命足够长,且具有很高的电荷传输效率;(5)具有足够负 的激发态氧化还原电势 保证染料激发态电于注^二氧化 OH Ru(scN)2 图5染料抒于与二氧化钍电授的耦台 另外,大量的实验证明.染料的多层吸附是不可取 的” .因为只有非常靠近二氧化钛表面的敏化剂分子才能 把激发态的电子顺利地注人到二氧化钛导带中,多层敏化 剂的存在反而会阻碍电子的输运.导致转换教率下降瑚J 为 提高染料的 层吸附效率.可以采取 下方法:(1)使 用高比表面的多孔膜代替平整膜:(1I)增强有机光敏染料 与半导悻电掇表面的相互作用。因为染料的激发态寿命根 短(通常为10 ~10~s).只有与电极紧密结台的染料才有 可能将能量 雯时传递蛤电极.所 染料最好能化学吸附在 电极上;(…)利用有机分子设计台成的灵活性.台成更多、 圈6 OM ̄TAD结构 更有效的多吡啶钉化台物或其它替代物。 3.3载流子传输材料 长期 来.染料敏化纳米薄膜太阳能电池一直使用液 态电解质作为电荷传输材料。液态电解质的选材范围广. 电极电势易于调节.因此得到了令^ 喜的结果。但是液 4发展前景 本文简要地秆绍了染料敏化纳米薄膜太阳能电池的结 构和原理;对其中关键问题,如纳米 膜、敏化染料、空 态电解质存在以下缺点 :(I)渡态电解质的存在易导致敏 化染料的脱附:(2 J溶剂尝挥发,可能与敏化染料作用导致染 穴传输材料的研究进展进行了综述,可以看出,目前遗一领 域已引起了研究者广泛的重视。由于光电转换效率巳超过 10%,其发展潜力不可估量 但对Gl蜢l 电池来说,目前还 存在着一些制约因素。其中的一个关键问题仍是染料问 题.现在公认使用效果最好的Ru (SCn):{6I备过程较复 杂.因而价格也比较昂贵。因此,寻找低成本而性能良好的 染料成为当前研究的一个热点 料降解;(3)密封工艺复杂,密封剂也可能与电解质反应。 对于全固态太阳能电弛来说.目前最常用的是空穴传 辖材料,所 一般为P型。P型半导体材料一般应符台 下条件 :首先.P型半导体材料在可见光区(染料的吸收 范围)内必须是透明的;其次 沉积P型半导体材料的方法 不能使吸附在二氧化钛纳米晶体上的染料溶解或降解;最 后,染料的激发态能级在二氧化钛导带之上,而基态能级在 现在大多数染料敏化太阳能电池仍采用液态电解质, 但电极腐蚀、电解液泄罱,寿命短等一系列问题还有待解 决。今后.寻找台适的固态空穴传输材料来代替液态电解 质,制备全周态的染料敏此太阳能电池将是一个重要的研 究方向。 P型半导体价带之下。 1995年.Tennakone等人 p-Cul为空穴传输材料制 各了垒局态电池.在太阳光照射下得到了I 5~2 0ramc脚 的电流密度。Cr ̄.tzel等人 则在1998年用2.2 .7,7 一四 ( .N-二对甲氧基苯基氨基)9.9 一螺环二茸(OMeTAD.如图 总之.染料敏化纳米二氧化钛薄膜太阳能电池具有低 成本、高效率等众多优点,虽然日前还存在一些问题,但我 们相信,在不久的将来,随着技术的进一步发展,这种太阳 能电池将会有着十分广阔的应用前景。 (下转第10页 6所示)作为空穴传输材料,得到了单色光电转换教率高迭 33%的电池.{{起了人们对固态空穴传输材料的极大*趣。 现在,越来越多在有机电致发光中用到的空穴传辖材料如 芳香族苯胺化台物等应用于周态太阳能电池的研制。 维普资讯 http://www.cqvip.com
10・ 材料科学与工程 2QO2年3月 3 4 5 6 7 8 9 (上接第30页) {5 J Balk D S,No K StChnn J S t ct al M ̄hanieal 。p of ca 参考文献 f 7 越s一 ̄mmlcs[J].J Am.Ceraal Soc.,1995,78(5):1217—1222. [6]M~ne O v PI1 Separation in Glasa[M],North—Holland,1967 刘平,陈显求 0.MgO-^ 0 幕玻璃的分相与析[J] 【I][Ino T,K ̄uF,a T,Nakva ̄m S,d al cm蛐 cIu of mica-b ̄',ed …m P。 te a  ̄ramies:J]J Am Cevam Soc.,[993,76 (2):539—54【 无机材料学报,1999(4),14:275~279. [2] 舯T,K ̄uga…_Naky ̄la S,et all High strength …d…~ 『J:J Am Ceram.‰ 雌 8】Snah ̄S,To ̄awa M.Tou  ̄enlng d a c d zir ̄onla Jj J hh ,1991,74(12):3139~41 trara,f ̄able∞d tramf ̄l995.182:262一狲 ・c呵吐.Sdides, [3’ 陈伟民.陈楷,陈扬枝 O 。:一CaFz础晶玻璃的晶相 演变规律J J无机材料学报,1998【2).I3:39~42 l 9 I Sue Y J,Shen PY,et a1.Sphetuliifc 啊 hma 8 Ia丹 p ed :4](:一D G M ̄ltinable a -ceramics bz ̄ed tetrasihcic miea ¨忙 n懈 vitrous matrix in a。∞ I Y-stablilied fi ̄onia ghss-e ̄-amle[1] J Am c—Soc.,1991,74(1):85~91. 如 副 J]J^m Cer ̄l Soc.1972,55(9):446—449 (上接第127页) 待灵戈.黎甜惜LJ]感光科学 光化学,1995.15(2):154 参1 ・J Regan B一1】5:6382 考文献 bl ̄akoshi K.Gentaro K,d a1.1 J J J.El ̄troanalyti.Chem 1995. 396:27 :J]Grm ̄L M,Nm Ln,199l;353 737+ ,l993 Gratzel M,et a1.2] Naze删d n M K,Gratze1 M,eL al[J1 J^m Ceram Murak ̄hi K,Kogu ̄R.W0da Y,et 471 】]Inorg Ghem,1997,36:5937. 6 uel M,et al lJJ J Ekem‰+,Chem.Comnlm.1995.65. J Chem belt 1997,5 戴橙元,王橙嘉,等[J].太阳能学报,1996,17(3):22(1 Xi.o Zh ̄aang.Li Ming,d .1J J Phys Ckem.Solids,199s, 59:911 Bach U,Lupo D,G ̄tze]M,et at【J J Natu ̄,1998,395:583 Sehsn J}{Batlogg B,eL al_『l Nat ̄e,20O0,403:4啤 Th0nIasM J,Mev盯G J,et .【J Inorg Ckem,1994,33:3952 ] I'eanako ̄K.el al J J s ∞ scl T ̄hno1.I995,10:1689 ]戴捡元,王扎薨.邬铁崇,等 [J 太阳能学报,1997,I8:164 ]ZkeoG,UI…i S,K…k H,Yoke T J]J.Mawr Sci,1998,33 3655. AmadeUi R,Krgazzi R, 1990.112:7O . c A,et [J].J Am.Ckem Soe, 吕姜梅,等+【J]功能材料,1998,29{6):574 Shiralsuchhi,Kentaro,Taki ̄wa,Hirco.【P J.Earopeaa Im ̄.ent,90I :Kozuka H.T h舳hI Y,Zke0 G,Yoko T.【J_ 000.358:I72 Solid nIms I75 l^2.I999—03—1O 叩 0 K, 1999.32:374 m V P S,et al【J J J Phys D:^p一.Pttys, l j f{ . {f {{ 11)]l nao,lI K, h.}l Li…M Taltah&qhi and T Yoko Thin Solid Fil呻.1999.340 l