染料敏化電池

　 　 染料敏化太陽(yáng)電池主要是模仿光合作用原理，研制出來(lái)的一種新型太陽(yáng)電池，其主要優(yōu)勢(shì)是：原材料豐富、成本低、工藝技術(shù)相對(duì)簡(jiǎn)單，在大面積工業(yè)化生產(chǎn)中具有較大的優(yōu)勢(shì)，同時(shí)所有原材料和生產(chǎn)工藝都是無(wú)毒、無(wú)污染的，部分材料可以得到充分的回收，對(duì)保護(hù)人類(lèi)環(huán)境具有重要的意義。自從1991年瑞士洛桑高工（EPFL）M. Grtzel教授領(lǐng)導(dǎo)的研究小組在該技術(shù)上去的突破以來(lái)，歐、美、日等發(fā)達(dá)國(guó)家投入大量資金研發(fā)。
　 　 染料敏化太陽(yáng)能電池——研究歷史
　 　 染料敏化太陽(yáng)能電池的研究歷史可以追溯到19世紀(jì)早期的照相術(shù)。1837年，Daguerre制出了世界上第一張照片。兩年后，F(xiàn)ox Talbot將鹵化銀用于照片制作，但是由于鹵化銀的禁帶寬度較大，無(wú)法響應(yīng)長(zhǎng)波可見(jiàn)光，所以相片質(zhì)量并沒(méi)有得到很大的提高。1883年，德國(guó)光電化學(xué)專(zhuān)家Vogel發(fā)現(xiàn)有機(jī)染料能使鹵化銀乳狀液對(duì)更長(zhǎng)的波長(zhǎng)敏感，這是對(duì)染料敏化效應(yīng)的最早報(bào)導(dǎo)。使用有機(jī)染料分子可以擴(kuò)展鹵化銀照相軟片對(duì)可見(jiàn)光的響應(yīng)范圍到紅光甚至紅外波段，這使得“全色”寬譜黑白膠片乃至現(xiàn)在的彩色膠片成為可能。1887年，Moser將這種染料敏化效應(yīng)用到鹵化銀電極上，從而將染料敏化的概念從照相術(shù)領(lǐng)域延伸到光電化學(xué)領(lǐng)域。1964年，Namba和Hishiki發(fā)現(xiàn)同一種染料對(duì)照相術(shù)和光電化學(xué)都很有效。這是染料敏化領(lǐng)域的重要事件，只是當(dāng)時(shí)不能確定其機(jī)理，即不確定敏化到底是通過(guò)電子的轉(zhuǎn)移還是通過(guò)能量的轉(zhuǎn)移來(lái)實(shí)現(xiàn)的。直到20世紀(jì)60年代，德國(guó)的Tributsch發(fā)現(xiàn)了染料吸附在半導(dǎo)體上并在一定條件下產(chǎn)生電流的機(jī)理，才使人們認(rèn)識(shí)到光照下電子從染料的基態(tài)躍遷到激發(fā)態(tài)后繼而注入半導(dǎo)體的導(dǎo)帶的光電子轉(zhuǎn)移是造成上述現(xiàn)象的根本原因。這為光電化學(xué)電池的研究奠定了基礎(chǔ)。但是由于當(dāng)時(shí)的光電化學(xué)電池采用的是致密半導(dǎo)體膜，染料只能在膜的表面單層吸附，而單層染料只能吸收很少的太陽(yáng)光，多層染料又阻礙了電子的傳輸，因此光電轉(zhuǎn)換效率很低，達(dá)不到應(yīng)用水平。后來(lái)人們制備了分散的顆粒或表面積很大的電極來(lái)增加染料的吸附量，但一直沒(méi)有取得非常理想的效果。1988年，Grätzel小組用基于Ru的染料敏化粗糙因子為200的多晶二氧化鈦薄膜，用Br2/Br-氧化還原電對(duì)制備了太陽(yáng)能電池，在單色光下取得了12 %的轉(zhuǎn)化效率，這在當(dāng)時(shí)是最好的結(jié)果了。直到1991年，Grätzel在O’Regan的啟發(fā)下，應(yīng)用了O’Regan制備的比表面積很大的納米TiO2顆粒，使電池的效率一舉達(dá)到7.1 %，取得了染料敏化太陽(yáng)能電池領(lǐng)域的重大突破。應(yīng)當(dāng)說(shuō)，納米技術(shù)促進(jìn)了染料敏化太陽(yáng)能電池的發(fā)展。
　 　 染料敏化太陽(yáng)能電池——結(jié)構(gòu)組成及原理
　 　 結(jié)構(gòu)組成
　 　 主要由納米多孔半導(dǎo)體薄膜、染料敏化劑、氧化還原電解質(zhì)、對(duì)電極和導(dǎo)電基底等幾部分組成。納米多孔半導(dǎo)體薄膜通常為金屬氧化物（TiO2、SnO2、ZnO等），聚集在有透明導(dǎo)電膜的玻璃板上作為DSC的負(fù)極。對(duì)電極作為還原催化劑，通常在帶有透明導(dǎo)電膜的玻璃上鍍上鉑。敏化染料吸附在納米多孔二氧化鈦膜面上。正負(fù)極間填充的是含有氧化還原電對(duì)的電解質(zhì)，最常用的是I3/I-。
　 　 工作原理
　 　 染料敏化太陽(yáng)電池結(jié)構(gòu)示意圖
　 　 ⑴ 染料分子受太陽(yáng)光照射后由基態(tài)躍遷至激發(fā)態(tài)；
　 　 ⑵ 處于激發(fā)態(tài)的染料分子將電子注入到半導(dǎo)體的導(dǎo)帶中；
　 　 ⑶ 電子擴(kuò)散至導(dǎo)電基底，后流入外電路中；
　 　 ⑷ 處于氧化態(tài)的染料被還原態(tài)的電解質(zhì)還原再生；
　 　 ⑸ 氧化態(tài)的電解質(zhì)在對(duì)電極接受電子后被還原，從而完成一個(gè)循環(huán)；
　 　 ⑹ 和 ⑺ 分別為注入到TiO2 導(dǎo)帶中的電子和氧化態(tài)染料間的復(fù)合及導(dǎo)帶上的電子和氧化態(tài)的電解質(zhì)間的復(fù)合
　 　 研究結(jié)果表明：只有非常靠近TiO2表面的敏化劑分子才能順利把電子注入到TiO2導(dǎo)帶中去，多層敏化劑的吸附反而會(huì)阻礙電子運(yùn)輸；染料色激發(fā)態(tài)壽命很短，必須與電極緊密結(jié)合，最好能化學(xué)吸附到電極上；染料分子的光譜響應(yīng)范圍和量子產(chǎn)率是影響DSC的光子俘獲量的關(guān)鍵因素。到目前為止，電子在染料敏化二氧化鈦納米晶電極中的傳輸機(jī)理還不十分清楚，有待于進(jìn)一步研究。
　 　 染料敏化太陽(yáng)能電池——目前情況
　 　 通過(guò)近二十年的研究與優(yōu)化，染料敏化太陽(yáng)能電池的效率已經(jīng)超過(guò)了12 %。這種電池的突出優(yōu)點(diǎn)是高效率、低成本、制備簡(jiǎn)單，因此有望成為傳統(tǒng)硅基太陽(yáng)能電池的有力競(jìng)爭(zhēng)者。