染料敏化材料

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1、染料敏化太阳能电池报告报告题目染料敏化太阳能电池学生姓名学号20131306007学院物理与光电工程学院专业光信息13(1)班指导教0帀徐林华二O—六年五月摘要:随着世界经济的不断发展，对能源的需求越来越多，不可再生能源面临着枯竭。新能源开发成为各国政府首要解决的问题。在各种可再生能源（风能、水能、太阳能等）屮，太阳能由于具右清洁、使用安全、取之不尽、利用成本低且不受地理条件限制等优点，而备受青睞。当前太阳能的利用主要以光热转换、光电转换以及光化学能转换为主。其中光电转换也就是太阳能电池是太阳能利用研究的热点之一。太阳

2、能电池是根据光生伏特效应制成的光电转换器件。到目前为止,基于半导体硅及无机半导体化合物的太阳能电池光电转换效率是最高的。但长期以来，复杂的制作工艺和昂贵的成本限制了它们的发展和应用。所以近年来各国科学家正展开对新型太阳能电池的研究。相对于传统太阳能电池，染料敏化太阳能电池制备工艺相对简单，成本低廉,原材料广，并且无污染，因此，染料敏化太阳能电池是现在研究新型太阳能电池的重点研究方向之一。关键字：太阳能DSSC天然染料新能源目录1染料敏化太阳能电池的概述41.1染料敏化太阳能电池的结构41.2染料敏化太阳能电池工作原理5

3、2染料敏化太阳能电池的性能参数72.1曲线72.2开路电压72.3短路电流72.4填充因子83染料敏化太阳能电池的选材84DSSC制作工艺84.1纳米晶TiO2多孔薄膜电极的制备方法84.2氮掺杂TiO2的制备方法95染料敏化电池的应用96染料敏化太阳能电池的发展107结语11参考文献121染料敏化太阳能电池的概述1.1染料敏化太阳能电池的结构染料敏化太阳能屯池主要由表面吸附了染料敏化剂的半导体电极、电解质、Pt对电极组成，其结构如图1所示：透明孚电脛PtJRPt辭読化正a=>->=>=>电子流问贡敦z§图1•染料敏化

4、太阳能电池结构当有入射光时，染料敏化剂首先被激发，处于激发态的染料敏化剂将电子注入半导体的导带。氧化态的染料敏化剂被中继电解质所还原，中继分子扩散至对电极充电。这样，开路时两极产生光电势，经负载闭路则在外电路产生相应的光电流（如图2）--0-5.0・0.5.1.0—«能级图2染料敏化太阳能电池工作原理图1.2染料敏化太阳能电池工作原理太阳光照在半导体pn结上，当能量不低于半导体的禁带宽度时，电子受激跃迁到激发态，形成电子空穴对，进而在pn结内形成内建电场；在该电场的作用下光生空穴由n区流向p区，光生电子由p区流向n区，

5、在外电路作用下形成电流。这就是传统的太阳能电池的工作原理。而为了避免电子-空穴对的复合，半导体缺陷或者半导体掺杂浓度需要非常严格的控制，这使得这项技术的难度大大增加。不仅如此，传统的太阳能电池只冇不低于半导体材料的禁带宽度的能量才可以被利用，而一些半导休的禁带宽度较大，需要吸收紫外区的能量方能形成电子-空穴对，这就使得太阳能的利用率不高。与传统的太阳能电池不同，染料敏化太阳能电池的原理类似于自然界植物的光合作用，它对光的吸收是通过染料来实现的，它能将低于半导休材料的禁带宽度的能量也利用起来：当能量低于半导体材料的禁带宽

6、度且大于染料分子特征吸收波长的入射光照射到电极上时，吸附在电极表而的染料分子屮的电子受激跃迁至激发态，然后染料分子屮激发态的电子注入到半导休材料的导带屮，此时染料分子由于失去电子转变为氧化态。注入半导体倒带的电子被收集到导电基片，并通过外电路流向对电极，形成电流。处于氧化态的染料分子则通过电解质溶液屮的给体电子，自身恢复回还原态，染料分子得以再生，这使得染料分子能够循环利用；同时，被氧化的电子给体扩散至对电极，在电极表面得到电子而被还原，从而完成一个光电化学反应循环。可见，染料敏化太阳能电池主要是依靠染料分子屮电子跃迁

7、以及电解质的氧化还原过程来实现电荷的分离和传输，从而达到供电的作用。总的说来，在染料敏化太阳能电池屮，光能被直接转换成了电能，电池内部并没冇发生净的化学变化。一般认为，染料敏化太阳能电池的开路电压取决于纳米半导体的费米能级和电解质氧化述原电对能斯特能级Z差。传统的硅光伏电池依靠的是物理光电效应,而染料敏化太阳能电池则是通过光化学过程来实现光电转换，使太阳电池的光电转换材料不再局限于制备过程复杂、价格昂贵的高纯无机半导体材料。与传统PN结太阳电池相比，DSSC的最大特点是其光吸收和电荷分离传输分别由不同的物质完成，光吸收

8、是靠吸附在纳米半导休表面的染料来完成，而半导休仅起电荷分离和传输载体的作用。DSSC的最大优势是电荷传输是靠多数载流子来实现电荷传导，不存在传统PN结太阳电池屮少数载流子和电荷传输材料表而复合等问题，因而其制备过程简单，对环境要求不高。通过超快光谱实验可得出染料敏化太阳能电池各个反应步骤速率常数的数量级：①染料(S)受光激发由基态