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洛
阳
理
工
学
院
新能源技术（论
文）
题目
：染料敏化太阳能电池
姓
名
余永潮
系
（部）电气工程与自动化系
专
业
电气工程及其自动化
指导教师
孙南海
2
013
年
12
月
12
日
洛阳理工学院
摘
要
能源短缺与环境污染是目前人类面临的两大问题。传统的能源媒
,<
/p>
石油和木
材按目前的消耗速度只能维持五十至一百年。另外
,
由此所带来的环境污染
,
< br>也正
在威胁着人类赖以生存的地球。而在人类可以预测的未来时间内
,
太阳能作为人
类取之不尽用之不竭的洁净能源
,
不产生任何的环境污染
,
且基本上不受地理条件
的限制
,
因此太阳能利用技术研究引起了各国科学家的广泛重视。
本
论文介绍了染料敏化纳米晶太阳能电池的发展历程、
结构、
工作
、
原理和
影响其光电转换效率的因素，
可以看出，
染料敏化纳米晶太阳能电池已成为研究
的热点，并取
得可喜的成就，其发展潜力不可估量
关键词：
染料敏化电池，薄膜，太阳能，能源
I
洛阳理工学院
第
1
章
太阳能电池的工作原理
当表面蒸发一
层透光金属薄膜的半导体薄片被光照射时，
在它的另一侧和金
属
膜之间将产生一定的电压，这种现象称为光生伏打效应，简称光伏效应。
能将光能转换成电能的光电转换器叫太阳能电池，在半导体
PN
结上，这种
光伏效应更为明显。因此，太阳能电池都是由半导体
PN
结构成的，最简单的太
阳能电池由一个大面积的
PN
结构成。太阳辐射光谱的波长
是从
0.3?
m
的近紫
外线到几微米的红外线
,
对应的光子能量从
4eV~0.3eV
左右。由半导体能带理论
可知
,
只有能量高于半导体带隙宽度
(Eg
)
的光的照射
,
才能激发半导体中杂质
捕获
的电子通过带间跃迁从价带跃迁到导带
,
< br>生成自由电子和空穴对
,
电子和空穴向左
右极化而产生电势差。因此
,
制造太阳能电池的半导体
材料的带隙宽度应在
1.1eV~1.7eV
之间
,
由太阳光谱可知
,
最好是
1.5eV
左右。当光照在半导体上满足
Eg
，在
P
型和
N
型两区内，就会光激发产生电子
—
空穴对。如果在一个扩散长
度的范围内，
< br>这些被激发出来的电子或空穴，
就都有可能在复合之前通过扩散运
动到达
PN
结的强电场区。
半
导体
PN
结的界面附近，
电荷积累形成的阻挡层
（耗
尽层）中有一个强电
场，场强方向由
N
区指向
P
区。这样，在强电场的作用下，
空穴由
N
区漂移到
P
区，而电子则由
P
区漂移到
N
区。这样被激发的自
由电子
和空穴分别向左右漂移
,
将使
P
区带正电，
N
区带负电，从而产生光生电动势
Vph,
接上负载
R
就可产生光生电流
Iph
。
1
洛阳理工学院
第
2
章
DSSC
的结构和基本原理
太阳能发电是太阳能利用的重要领域之一
,
它具
有高效、清洁、低成本的优
势。
1991
年瑞士学者
Gratzel
等在
Nature
上发表文章
,
研制出了以过渡金属<
/p>
Ru
的
配
合
物
作
为
染
料
的
纳
米
晶
膜
TiO2
太
阳
能
电
池
,
其
光
电
< br>转
换
效
率
达
到
7.1%--7.9%,
光电流密度大于
12
mA/cm
2
,
引起了世人的广泛关注
.
目前
,
染料
敏化纳米二氧化钛太阳能电池的光电转换效率已达到了
11.
18%
，且成本比硅太
阳能电池大为降低
,
性能稳定
,
应用前景十分诱人。<
/p>
2.1
DSSC
的结构
染料敏化太阳能电池
是由透明导电玻璃
,TiO2
多孔纳米膜
,
电解质溶液以及
镀铂镜对电极构成的
”
三明治
”
式结构
< br>,
其光电转换在几个界面完成
:
(1)
染料和
TiO2
纳晶多孔膜组成的界面
;
(2)
染料分子和电解质构成的界面
;
(3)
电解质和对电极构成的界面。
2.2 DSSC
的基本原理
在上图的结构中，染料敏化太阳能电池与传统
P-N
< br>太阳能电池不同，它对
光的捕获和电荷的传输是分开的。
TiO2
的禁带较宽，不能直接太阳的可见光，
于是在上面附着
一层对可见光吸收良好的染料作为光敏剂。
其光电转换机理过程
如下：
太阳光
(h?
)
照射到电池上
,
基态染料分
子
(D)
吸收太阳光能量被激发
,
染料分
子中的电子受激跃迁到激发态
,
染料分子因失去电子变成氧化态
(D*)
D+h?
——
D*
(
染料激发
)
(2)
激发态的电子快速注入到
Ti
O2
导带中
D*+TiO2
——
e-
(TiO2
导带
)+
氧化态染料
(
光电流产生
)
(3)
注入到
TiO2
导带中的电子在
TiO2
膜中的传输非常迅速
,
可以瞬间到达膜
与导电玻璃的接触面
,
并在导电基片上富集
,
通过外电路流向对电极
;
同时<
/p>
,
处于氧
化态的染料分子
,
由电解质
(I-/I3-)
溶液中的电子供体
(I-)
提供电子而回到基态
,
染料
分子得以再生
氧化态染料
+
还原态电解质
< br>
——
D +
氧化态电解质
(
染料还原
)
(4)
电解质溶液中的电子供体<
/p>
(I-)
在提供电子以后
(I3-),<
/p>
扩散到
对电极
,
得到电子而还原
氧化态电解质
+e-
(
阴极
)
——
还原态电解质
(
电解质还原
)
(5)
注入到
TiO2
导带中的电子与氧化态的染料发生复合反应
氧化态染料
+e-
(TiO2
导带
)
——
D
(
电子复合
)
(6)
注入到
TiO2
导带中的电子与电解液中的
I3-
发生复合反应
氧化态电解质
+e-
(TiO2
导带
)
——
还原态电解质
(
暗电流
)
其中
,
反应
(5)
的反应速率越小
,
电子复合的机会越小
,
电子注入的效率就越高
;
反应
(6)
是造
成电流损失的主要原因。
2
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