染料敏化太陽能電池光陽極研究現狀

李勇

（西藏大學理學院，西藏拉薩　850000）

染料敏化太陽能電池光陽極研究現狀

李勇

（西藏大學理學院，西藏拉薩850000）

染料敏化太陽能電池作為一種新型的太陽能電池，具有制作工藝簡單、生產成本低的天然優勢，而且其理論光電轉化效率高，是當前最具有開發潛力的太陽能電池之一。但是，就目前來說，相比硅太陽能電池、薄膜太陽能電池，該種電池的光電轉化效率依然不高，因此當前需要著力提升染料敏化太陽能電池的光電轉化效率，而發展光陽極是提高該種電池光電轉化效率的關鍵?；诖?，就染料敏化太陽能電池光陽極的研究現狀進行總結。

染料敏化太陽能電池；光陽極；研究現狀

由于傳統化石能源接近枯竭以及他們的使用給環境帶來的巨大污染，人類有了尋求可再生能源的強大動力。太陽能電池是新能源中最重要的一類，雖然在過去20a中，其發展迅猛并取得了巨大的成功，但與火力、水力等常規發電方式相比，當前太陽能電池發電成本依然太高，難以實現大規模開發應用。因此，當前需要提高太陽能電池的光電轉換效率，降低太陽能電池的生產成本。染料敏化太陽能電池作為一種新型的太陽能電池，具有制作工藝簡單、生產成本低的天然優勢，而且其理論光電轉化效率高，是當前最具有開發潛力的太陽能電池之一。但是，就目前來說，相比硅太陽能電池、薄膜太陽能電池，該種電池的光電轉化效率依然不高。因此，當前需要著力提升染料敏化太陽能電池的光電轉化效率，而發展光陽極是提高該種電池光電轉化效率的關鍵。

1　染料敏化太陽能電池的組成

染料敏化太陽能電池主要由三部分組成：染料敏化的納米晶多孔光陽極，載有催化劑的對電極和氧化還原電解液。光陽極材料一般采用金屬氧化物半導體材料，其中銳鈦礦型TiO2是最常用、性能最優異的光陽極薄膜半導體材料，當前最高能量轉換效率的染料敏化太陽能電池與量子點敏化太陽能電池都是基于銳鈦礦型TiO2光陽極薄膜得到的。

2　染料敏化太陽能電池光陽極發展歷程

在染料敏化太陽能電池研究早期，大部分工作都是利用單晶半導體氧化物作為光陽極，為了確保染料分子激發后獲得最佳的電子轉移效果，電極表面只能吸附單層染料分子，對于這類電極由于表面積小，因而其表面積單分子層的光捕獲能力非常低。單層染料分子敏化的太陽能電池光電轉化效率大都在1%以下，且一直無法提高。1991年Gr&tzel研究小組采用納米晶TiO2薄膜作為光陽極，將染料敏化太陽能電池的轉化效率提高到7.1%，在染料敏化太陽能電池領域取得了突破性進展。介孔TiO2納米晶薄膜提供了巨大的表面積供染料分子吸附，這使得染料敏化納米晶半導體電極具有高光捕獲率。同時，由于單分子層染料吸附到納米晶介孔半導體薄膜上有利于電子的注入，保證了高的光電轉化量子效率。1993年利用介孔納米晶薄膜作為光陽極，Gr&tzel小組將染料敏化太陽能電池光電轉化效率提高到了10%，在電池效率上再次取得重大進展。

3　染料敏化太陽能電池的當前研究現狀

染料敏化太陽能電池中應用的光陽極TiO2薄膜需要保持較大的比表面積，以吸附較多的染料敏化劑。同時，薄膜需要維持一定的結構以保證電子傳導率。近年來，對TiO2形貌和功能調控的研究較多，主要從薄膜和粒子形貌對電子傳輸和擴散的影響的角度進行分析。一維納米結構，如納米管、納米棒、納米線、納米纖維等結構被應用于TiO2光陽極，近年來引起了研究人員的注意，Frank、Sung、Moser等均開展了相關工作，目前相關研究取得了一定的成效，目前基于單純納米管或納米管復合結構的光陽極染料敏化太陽能電池效率達到了7%～9%，但是納米管很難進行大規模生產限制了其應用［1-3］。綜合來看，一維納米結構的長度目前無法達到所需的厚度，而且他們的比表面積小于納米粒子薄膜，因此導致基于一維納米結構的染料敏化太陽能電池的光電性能整體偏低。納米晶體的聚集體是由納米晶粒組裝形成的球形結構，直徑尺寸在微米級，由于這種聚集體保持了較高的比表面積，且具有光散射效果，可以更好地利用入射光。另外，球體間的孔道有利于電解液的擴散，且在聚集體內每個納米晶體與本體相連，降低了電子的晶界復合，因此該種結構可以具有較高的電子傳導率。Lee、Caruso等對納米晶TiO2聚集體在染料敏化太陽能電池中的應用進行了研究，分別獲得了8.44%、7.22%的轉換效率［4］。

TiO2中的光生電子與電解液中的氧化性離子發生復合是染料敏化太陽能電池能量損失的重要原因。電子復合的位點主要在TiO2存在的表面態和氧空穴處，且氧空穴有可能對光敏染料產生劣化作用，降低電池的穩定性，因此需要設法減小表面態和氧空穴。對TiO2進行摻雜改性是減小表面態和氧空穴的有效途徑。摻雜改性的元素主要分為非金屬元素和金屬元素。非金屬元素摻雜改性主要利用與氧原子大小接近的N、B、C、S等，其中以N元素摻雜改性取得的效果最為明顯，研究最多。Yang等制備了一系列TiO2-xNx光陽極，使染料敏化太陽能電池的性能得到提升［5］。Dai等發現基于TiO2-xNx光陽極染料敏化太陽能電池中電子的復合得到明顯抑制，且電池的穩定性得到提高。除了非金屬摻雜改性外，利用金屬原子替代Ti原子的摻雜改性對電池性能的提高也起到了積極的作用，使用金屬摻雜改性可以調節TiO2的物理性質，進而調控電池的Voc和FF等性質。但是，Voc得到提升的同時會導致Jsc的降低，而且金屬摻雜會引入復合中心，對電池的長期穩定性的影響還需進一步研究。

［1］Kongkanand A，Tvrdy K，Takechi K，et al.Quantum dot so?lar cells.Tuning photoresponse through size and shape control of CdSe-TiO2architecture［J］.Am C hem Soc，2008（12）：4007-4015.

［2］Kang SH，Choi SH，Kang MS，et al.Nanorod-based dyesensitized solar cells with improved charge col-lection efficiency［J］.Adv Mater，2008（20）：54-58.

［3］Ghadiri E，Taghavinia N，Zakeeruddin SM，et al.En?hanced electron collection efficiency in dye-sensitized solar cells based on nanostructured TiO2hollow fibers［J］.Nano Lett，2010（5）：1632-1638.

［4］Kim YJ，Lee MH，Kim HJ，et al.Formation of highly effi?cient dye-sensitized solar cells by hierarchical pore generation with nanoporous TiO2spheres［J］.Adv Mater，2009（21）：3668-3673.

［5］Kang SH，Kim SH，Kim JY，et al.Enhanced photocurrent of nitrogen-doped TiO2Film for dye-sensitized solar cells［J］.Ma?ter.Chem Phy，2010（1）：422-426.

Dye Sensitized Solar Cell Light Anode Current Research Status

Li Yong
（Faculty of Science，Tibet University，Lhasa Tibet 850000）

As a new type of solar cell，dye sensitized solar cell has the advantages of simple production process and low production cost，And its theoretical photoelectric conversion efficiency is high，it is currently one of the most de?velopment potential of solar cells.However，at present，compared to silicon solar cells，thin film solar cells，the photo?voltaic conversion efficiency of the battery is still not high，so it is needed to enhance the photoelectric conversion ef?ficiency of the dye sensitized solar cells，and development of light anode is the key to improve this kind of battery pho?toelectric conversion efficiency.Based on this，the research status quo of dye sensitized solar cell light anode were summarized.

dye-sensitised cells；light anode；research status

TM914.4

A

1003-5168（2016）08-0129-02

2016-07-23

李勇（1981-），男，碩士，講師，研究方向：染料敏化太陽能電池。