染料敏化纳米晶太阳能电池

　　染料敏化纳米晶太阳能电池杨术明李富友黄春辉北京大学化学与分子丁程学院北京100871因而可以有效地吸收太阳光，并将其转化为电能。木文介绍了染料敏化纳米晶太阳能电池的基本原理以及电池的结构。从电池各个组成部分分别介绍了染料敏化纳米晶太阳能电池的发展及其研允现状。

　　第块现代太阳能电池是由贝尔实验室在1954年制造成功的。这是种基于单晶硅材料结，结将薄膜硅片中的导电子区和导空穴区分开。由光照所产生的电子和空穴在硅薄膜中以不同的速度扩散，最终在结处复合。随着科学技术的发展，基于多晶硅和非晶硅材料的太阳能电池也己经广泛应用于人们生活中，譬如手高，但其工艺复杂价格昂贵材料要求苛刻，因而难以普及。20世纪90年代发展起来的染料敏半导体的导带边，半导体的价带边0，0分别是染料的化纳米晶太阳能电池，具有许多硅太阳电池所不基态和激发态；厂七足氧化还原电解质。对电极面镀足具有的优点，因而成为该领域里的研究热点。染金属销料敏化纳米晶太阳能电池利用了自然界中光合成以及照相的原理，将太阳能直接转化为电能25.

　　目前染料敏化纳米晶太阳能电池的转化效率在特定条件下可达到1051.1染料敏化纳米晶太阳能电池的工作原理。

　　半导体纳米晶面，几乎所有染料激发态上的电子可以有效地注入到半导体导带中，而空穴则留在杨术明男，37岁，博士牛，现从事光电化学的研究。联系人中国科学院院士服比如，出！。！国家重点基础研究专项经费资助项目沁19980608及国家自然科学基金资助项目20023005染料中。电子随后扩散至导电基底，经外电路转移至对电极氧化态的染料被还原态的电解质还原，氧化态的电解质在对电极接受电子被还原，从而完成了电子的整个输运过程。下面就染料敏化纳米晶太阳能电池的主要结构分别讨论它们各自对光电转化性能的影响。

　　1纳米晶2膜研究明，半导体电极在吸附单分子层染料后具有最佳的电子转移效果。但是由于平板半导体电极的面积很小，其面吸附的单分子层染料对光的吸收较差，最大只有百分之几因此其效率大都在0.1以下。虽然在平板电极上进行多层吸附可以增大光的吸收效率但在外层染料电极之前，人们无法同时提高染料的光吸收率和光电量子效率严重制约了染料敏化太阳能电池的发展。1985年0阊1等首次将高面积纳米晶1！02电极引入到染料敏化电极的研究，推动了该领域研究的发展7.纳米晶膜的多孔性使得它的总面积远大于其几何面积。例如101厚粒度5，2h1m的T1O膜的面积可以，大约20侪2.如，在其U吸附单分子层光敏染剌由f，纳米晶具有非常大的比面积，可以使电极在最大波长附近光的吸收达到100.所以染料敏化纳米品半导体电极既可以吸附大试的染剌从而，肓效的吸收太阳光，同时，可以保证高的光电量子效率。

　　2纳米晶电极微结构对光电性质的影响很大首先，太阳能电池所产生的电流与，2电极所吸附的染料分户数直接相关，般来说，衣面积越大。吸附的染料分子越多，邱而光生电流也就越强。另方面，2粒径越小，它的比面积越大，此时电极的孔径将随之变小。在低光强照射下，传质动力学速度能够满足染料的再生，在此条件下孔径大小对光电性质影响不大；而在强光照射下，传质动力学速度般不再能够满足染料的再生，此时孔径大小对光电性质的影响较大。造成这些结果的主要原因是，小孔吸附染料后，剩余的空间很小，电解质在其中扩散的速度将大大降低，因此电流产生效率也将下降。所以，如何选择合适大小的半导体粒度对电极的光电性质影响很大，制约染料敏化太阳能电池光电转化效率的个因素就是光电压过低。这主要是由电极面存在的电荷复合造成的。因为纳米晶半导体中缺少空间电荷层，同时存在大量的面态，导带中的电子很容易被面态陷讲俘获，大大增加了与氧化态电解质复合的几率。因此，如何降低电荷复合就成为改善光电转换效率的关键。前研究用某些机物质对电极衣面修饰后，光电压明从提高但是有机物在使用中存在着稳定性的问。另方面无机物具有有机物所没有的些优点，如稳定性高操作便利以及成本低。笔者用酸处理电极面424将金属离子加入，2胶体溶液中进掺杂以及用金屈离户对丁队电极进行面修饰。可以大火改善太1能电池的光电转换性质2染料敏化剂染料是染料敏化纳米晶太阳能电池中非常重要的部分。在近20年的研宄中，人们合成了900多种染料并应用于染料敏化太阳能电池，但只有小部分具有良好的光电敏化性能，其中主要是好太阳能电池研究的不同阶段扮演了非常重要的角色。

　　1囔年。等街奴晋化剂迅砰广敏化到纳米品2电极上。获以，1沾因子约为200的纳米晶2电极，用1作为还原剂，得到73的光电量子效率470，1单色光下的能量转化效率达到12，白光照射下获得了1.2的总转化效率输出功率与输入功率之比，使人们看到了染料敏化宽带隙半导体电极的应用前景。人等121在1990年合成了种新颖的核钌联吡啶配合物如3士砂2出1叩722，但当时并没有将其敏化到纳米晶电极上，所以光电量子效率较低，约为3.同年，0扭脱1等也合成出了配合物如32此，0平722，将其敏化到1厚的02纳米晶电极上，最大的光电量子效率接近1并且在模拟太阳光照射下，短路光电流高达121！2，模拟太阳光下的能量转化效率超过7，在漫反射日光下的能量转化效率高达1221.1993年服61等研究了系列配合物敏化剂冰1压，界2，2，=，8，0以及30的光电转化性质其中治，压8必砂2132敏化的了，2纳米晶电极在480，60，1的波长范围内产生超过80的光电量子效率，并在模拟太阳光照射下产生了1712的短路光电流720的开路光电压以及10的能量转化效率。冰出2，1奶232是目前应用的最广泛的个染料。如他印73是近期合成的种优良以非常牢固的吸附在102面。敏化剂与半导体面的化学键合不仅可以使敏化剂牢固的吸附到面上，而且还可以增强电子耦合及改变面态能量，有利于电荷的转移。

　　有机染料由于分子小消光系数大成本低，具有很好的实用性。笔者所在研究小组在分子基功能材料的研究中将阶非线性光学材料分子设计的原理引入到光电转化材料的设计中，1996年首次对具有阶光学非线性的染料的1膜的光电行为进行了研究141.结果明，具有阶光学非线性的染料体系同时具有荆揠碎荷岔离是产生这特殊徼的原因。瓜此后，在这方面又开展了大量的工作1通过改变电子给体共辄桥电子受体和心烷基链部分，合成了系列，71半菁染料，系统地研宄了它们的阶非线性光学性质和光电转换性以前纯有机染料敏化太阳能电池的光电转化效率不到所以限制了它们在染料敏化太阳能电池中的应用13.在具有阶光学非线性同时具有好的光电转换性质的系列，1半菁染料上加上连接基团，并且将其用来敏化，2纳米晶电极。发现用上述电极组装的太阳能电池具有优良的光电转化效率。2001年笔者所在研宄小组和人1业3等几乎同时独立地报道了具有高光电转化效率的有机染料敏化太阳电池，有机染料在2纳米晶电极上的光电转化效率分别达到5.2和4.24这是前有机染料敏化太阳能屯池的最。

　　3电解质染料敏化太阳能电池的电解质溶液中的氧化还原电对般为其作用是还原被氧化的染料。溶剂和金属离子的种类变化能够对电池的电流输出产生较大的影响。这是因为纳米粒子吸附1离子后。半导体的导带能级会发生变化。这种变化随溶剂和金属离产的+同而不同。从而改变了激发态染料分子向半导体中注入电子的能力。金属离子吸附到，2纳米晶面后不仅可以改变导带能级，而且还可以抑制电子的反向转移以及电荷的夂合反应。也，以加速厂离子付，化态染料的还原反应，后两个结果有利于光电流的产生14.

　　4对电极电解质中的1需要在对电极上得到电子再生成1.该反应越快，光电响应越好。但由于在导电玻璃上还原的过电压较大，反应较慢。为了解决这个问，可以在导电玻璃上镀上层金属拍，这既可以降低17还原的电位，又可以充当反光镜将染料没有吸收的光反射回去而再次被染料吸收5.纳米离子的光散射结合反光镜的光反射可以使入射光在纳米晶网络中进行无规行走，造成红光1的吸收，加4倍为染料敏化纳米品脱在相应波长域内的折射率。所以红光的光电量子效率大大改善。但是钼的成本太高，不利于电池的应用。不过，由于碳既具有高导电性，又具有对还原的高效催化性能，因此，可以用低廉的碳来代替钼。利用多孔碳电极作为对电极，同样可以达到理想的效果1471.

　　能源直是人们所关注的问。矿物燃料的资源逐渐耗尽以及对环境的影响，促使人们寻找开发新的能源。占地球总能源99以上的太阳能，具有取之不尽没有污染等特点而成为新能源开发的重要研究领域。与基于桂材料的固态太阳能电池相比，染料敏化纳米晶太阳能电池具有独特的优越性，如何进步提高屯池的光屯转化效中开发高效的固态电解质以及寻找更好的光敏感染料都是染料敏化纳米晶太阳能电池研宄领域里有待解决的问。

　　13北京大学博士论文。1996会议征文。

　　第届全国毛细管电泳及相关微分离分析学术报告会02002征文由中国科学院大连化学物理研究所和化学研宄所主办上海第军医大学承办的012002将于今年月810日在上海举行。会议涉及毛细管电泳芯片毛细管电泳及相关微分离分析方法与技术等。会议征求有关理论。方法技术应用仪器和附件等方面的未公开发的论文。征文应于8月1日前寄交大连化学物会后将于同月14日举行第届亚太国际微分离分析学术报告会处02002，有发此5议加干总古上查你网址从得。1.1.；031；5.，1