第一篇：染料敏化納米晶膜太陽能電池染料敏化劑的研究進展報告

染料敏化納米晶膜太陽能電池染料敏化劑的研究進展報告

人類生存和發(fā)展的三要素包括：物質(zhì)、能量與信息。一切能量來自能源，所以能源直接影響著人類發(fā)展。能源科學與技術(shù)是生活與發(fā)展的主要基礎(chǔ)。在太陽能越來越受青睞的今天，太陽能電池的研究也在飛速發(fā)展。

鑒于二十世紀 90 年代發(fā)展 起 來 的 染 料 敏 化 納 米 晶 膜 太 陽 能 電 池（DSSC）具有眾多優(yōu)點，其在相關(guān)領(lǐng)域的研究越來越受到廣泛的重視。

在染料敏化太陽能電池 中，由于一些寬隙的半導體（如 TiO2 的禁帶寬度相）當于紫外區(qū)的能量，因而捕獲太陽光的能力非常差，無法將其直接用于太陽能的轉(zhuǎn)換。因此，人們尋找到一些可以與這些寬隙半導體的導帶和價帶能量匹配的染料，使其吸附在半導體的表面上，利用染料對可見光的強吸收從而將體系的光譜響應(yīng)范圍延伸到可見區(qū)，這種現(xiàn)象就叫做半導體的染料光敏化作用，而具有這種特性的染料就叫做染料光敏化劑，又叫光敏化染料。尋找更好的光敏染料是主要從事染料敏化太陽能電池的研究，提高染料敏化納米晶太陽能電池實際應(yīng)用的重要 前提。因此，關(guān)于光敏染料的研究已稱為當前研究的熱點之一。本文準備就染料敏化劑在太陽能電池中的作用、染料敏化劑的種類及發(fā)展狀況做一些討論。

染料敏化劑分為機染料，無機染料，復(fù)合染料分。

1）有機染料

有機染料由于分子小、消光系數(shù)大，具有很好的實用性。有機染料敏化劑包括羧酸多吡啶釕、膦酸多 吡啶釕染料、多核聯(lián)吡啶釕染料、純有機染料等。羧酸多吡啶釕染料 這是現(xiàn)在應(yīng)用最多的 一類染料敏化劑，它屬于金屬有機染料。這類染料在可見光區(qū)有較強的吸收，而且氧化還原性能可 逆，氧化態(tài)穩(wěn)定性高，是性能優(yōu)越的光敏化染料。用這類染料敏化的太陽能電池保持著目前最高的光電轉(zhuǎn)換效率。它們通過羧基與納米 TiO2 表面鍵合，使得處于激發(fā)態(tài)的染料能將其電子有效地注入到 這類染料最早是由 Wolfgang 小組開 納米 TiO2 表面。發(fā)的，他們最先在[Ru(bpy)3]2+（bpy=2,2′ 聯(lián)吡啶）的母體上引入羧基，以便在光解水系統(tǒng)中獲得更有效的染料敏化劑。目前應(yīng)用較為廣泛的是被稱為 “明 星染料” N3 染料和 N719 染料。

2001 年 Graetzel 等合成 了被稱為 “黑染料” [結(jié)構(gòu)式為 RuL3(SCN)3(L= 三聯(lián)吡 啶三羧酸鹽)]的光敏劑，其在 AM1.5 太陽光照射下 總的光電轉(zhuǎn)換效率為 10.4%?？偟膩碚f，染料必須 具有恰當?shù)幕鶓B(tài)和激發(fā)態(tài)氧化還原電位以保證兩 個電子轉(zhuǎn)移過程（電子注入和染料還原 順利進行）。羧酸多吡啶釕染料雖 然應(yīng)用廣泛，但當水溶液的 pH 值大于 5 時，容易

從 納米半導體的表面脫附。而膦酸多吡啶釕則恰好彌 補了這一缺陷。Gratzel 等的研究表明，膦酸作為吸 附基團的染料即使暴露于 pH 值等于 9 的水溶液中 也不會脫附，其與半導體表面的結(jié)合能力要優(yōu)于釕 染料。1995 年 Pechy 等開發(fā)出了一種膦酸多吡啶釕染料，其 入 射 單 色 光 的 光 電 轉(zhuǎn) 換 效 率(IPCE)在 510nm 處達到了最大值 70%。對多核聯(lián)吡啶釕配合 物的研究始于 Amadelli 等關(guān)于配合物的報道。多核聯(lián)吡啶釕染料是通過橋鍵把不同種類聯(lián)吡啶釕 的金屬中心連接起來的含有多個金屬原子的配合 物。它的優(yōu)點是可以通過選擇不同的配體，逐漸改 變?nèi)玖系幕鶓B(tài)和激發(fā)態(tài)的性質(zhì)，從而與太陽的光譜更好地匹配，增加對太陽光的吸收效率。人們還廣泛研 究了鄰菲咯啉、吡啶基喹啉、二苯并咪唑基吡啶等配體的釕配合物染料，但由于其光電轉(zhuǎn)化效果較 低，目前在染料敏化太陽能電池領(lǐng)域的應(yīng)用較少。除了釕的配合物染料外，近年來人們還嘗試了其它金屬的配合物作為 DSCs 的染料敏化劑。這些金屬主要有 Fe、、Re Pt Os、等。目前這類工作還很不成熟，以這些染料 作敏化劑的電池的效率都非常低，收益不大。吡啶染料的效率較好, 但釕作 為貴金屬，價格較高且對環(huán)境有一定的污染； 而純 有機染料對環(huán)境的相容性好，易合成，成本較低，摩 爾消光系數(shù)高，種類繁多，便于進行結(jié)構(gòu)設(shè)計且避 免了貴金屬釕的消耗，近年來得到了迅速的發(fā)展。黃春輝課題組合成了一系列不同共軛鏈長度的以及不同空間位族的吡啶鹽類和 卟啉鹽類半花菁染料，取得了較好的效果。

2）無機染料

高效率的光敏化劑不一定限于有機化合物，而且有些有機化合物作為敏化劑常存在穩(wěn)定性不夠等問題，若選擇適當?shù)母吖鈱W吸收率的無機材料，則可解決這一問題。在從事這方面研究時，以往首選的材料是傳統(tǒng)的半導體材料CdS（禁帶寬度分別為2.42eV、CdSe 1.7eV）等。但是，由于此類材料有毒，會破壞環(huán)境，所以以并不是很好的敏化材料。近年來，有研究用 FeS2、RuS2 等作敏化劑，這些材料安全無毒、穩(wěn)定，在自然界儲量豐富，光吸收系數(shù)高。總的說來，對無機光敏化劑制造 DSSC 電池的現(xiàn)有文獻不多，需要研究人員進一步關(guān)注與探索。

3）復(fù)合染料

單一染料敏化容易受到染料吸收光譜范圍的限制，很難將太陽的發(fā)射光譜全部吸收，于是人們 設(shè)計相繼了不同結(jié)構(gòu)的染料進行配合使用，以拓寬設(shè)計復(fù)合染料對太陽光譜的響應(yīng)范圍。張寶文等成了系列方酸菁染料, 它們的吸收光譜與釕配合物有非常好的互補性，利用該類染料與 N3 以一定的 比例協(xié)同敏化的 TiO2 納晶電極的 IPCE 最大值超過 85%，電池總的光電轉(zhuǎn)換效率較 N3 單一敏化提高 了 13%。因此，通過方酸菁和羧酸多吡啶釕染料按照一定比例的協(xié)同敏化，可以有效拓寬染料的光譜響應(yīng)范圍，使吸收光譜紅移，而且提高了光電轉(zhuǎn)換的量子效率，取得較好的光電轉(zhuǎn)化效果。總之，復(fù)合染料的開發(fā)將是提高染料敏化太陽能電池性能的一條重要途徑，但目前的研究工作有待更深入系統(tǒng)的研究。

總之。DSSC 電池已經(jīng)引起了各國科學家的廣 泛關(guān)注，如何提高其光電性能是當前研究的重點。而染料敏化劑的開發(fā)及應(yīng)用是提高染料敏化太陽 能電池的性能重要方向之一。

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