染料敏化太阳能 电池(DSSC) 原理介绍 报告人 秦琦

什么是染料敏化太阳能电池？ “染料敏化太阳能电池”全称为“染料敏化纳米薄膜太阳能电池”，是模拟自然界中的光合作用原理，采用吸附染料的纳米多孔TiO2半导体膜作为光阳极，并选用适当的氧化-还原电解质，用镀铂的导电玻璃作为光阴极，这样一个简单的染料敏化太阳能电池就做好了。 只要太阳光一照到电池上，它就会源源不断的开始发电了。

DSSC的工作原理 太阳光照射到电池表面时，吸附在二氧化钛光阳极表面的染料分子受到激发由基态S跃迁到激发态S*,然后将一个电子注入到二氧化钛导带内，此时染料分子自身转变为氧化态S+。 注入到二氧化钛层的电子富集到导电基底，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从电解质溶液中的电子给体得到电子，自身恢复为还原态，使染料分子再生。 被氧化的电子给体扩散至对电极,在对电极表面得到电子，被还原,从而完成一个光电化学反应循环。

Working principle of conducting polymer using in DSSC as HTM A.F.Nogueira,C.Longo,M.A.De Paoli.Polymers in dye sensitized solar cells:overview and perspectives[J]. Coordination Chemistry Reviews, 248 (2004) 1455-1468.

Principle of dye sensitized solar cell kinj ket kb O’Regan B. & Grätzel M. Nature 353 (1991) 737 Grätzel M. Nature 414 (2001) 338

染料敏化太阳能电池的基本反应

电池的光电性能评价 I-V曲线

影响光电流的因素 光子吸收和电子传输分别由染料分子和半导体材料来承担的。因此染料分子和半导体对光电流产生显得尤为重要。 染料分子的激发态能级高于半导体的导带底能级； 染料分子的激发态寿命影响电子注入的效率； 注入导带的电子发生回迁，与染料分子复合； 电子与电解质中I3-复合； 总的来说，电子注入速率越高，电荷复合过程的速率越低，电子在电路传输过程中的损失就越小，光生电流强度就越大，太阳能电池的光电转化效率也就越高。

Principle of dye sensitized solar cell kinj ket kb O’Regan B. & Grätzel M. Nature 353 (1991) 737 Grätzel M. Nature 414 (2001) 338

影响光电压的因素 理论的开路电压Voc值等于光照条件下TiO2半导体的费米能级（Efemi）与电解质中氧化还原电对的能斯特电势（E R/R-）之差。 q表示完成一个氧化还原循环过程需要转移的电子数目，Jdk指的是暗电流的电流密度，k指波尔兹曼常数。

影响填充因子的因素 填充因子可以反映太阳能电池的输出性质，是一个重要参数。太阳能电池的串联电阻越小，并联电阻越大，填充系数就越大，反映到太阳能电池的电流-电压特性曲线上，曲线就越接近矩形，此时太阳能电池的转换效率就越高。 填充因子与电池的内阻有关。内阻越大，填充因子越小。从化学上分析，内阻还受电解质的传质动力学限制，也就是电解质中的氧化还原电偶扩散速率的快慢限制。 填充因子受TiO2光阳极与电解质界面影响较大，导带中的电子在电解质内复合越严重，则FF越小。

电解质 电解质需要满足的条件： （1）电解质氧化还原电对的氧化还原电势应与染料分子的能级匹配； （2）电解质中的离子传输速率较快； （3）在可见光吸收光谱范围内电解质的吸收较弱； （4）电解质的氧化还原过程的可逆性良好。 电解质可分为液态、准固态以及固态电解质。

空穴传输材料（HTM） 被氧化的染料分子通过HTM得到电子，空穴经由HTM层传输到对电极，在对电极上得到电子，完成一个电化学循环。

原位聚合聚苯胺固态电解质 Sample Epa(Vvs.SCE) Epc(Vvs.SCE) EHOMO(eV) Calculated Voc(V) PANI 0.748 0.254 -5. 24 1.033

固态电解质能级结构图

固态DSSC光电性能 样 品 短路电流密度 （mA/cm2） 开路电压 （V） 填充因子 效 率 （%） 固态DSSC 5.49 1.03 0.26 1.47 液态DSSC 14.60 0.64 0.483 4.51

1. TiO2与空穴传输层之间的界面电荷复合率高; 存在问题 1. TiO2与空穴传输层之间的界面电荷复合率高; 电池填充因子较低 2. 空穴传输材料本身的导电率很低； 电池光电流较低 3. 电解质与电极纳米粒子之间的接触性能差； 影响界面上的电荷传质速度，降低填充因子

对电极 对电极的特性和在其表面发生的还原反应速率还会极大地影响着电池的性能和光电转化效率，比如I3-在对电极上的还原反应速度越快，太阳能电池的光电响应越好。 为了提高电极的还原反应速率，提高电池的寿命，减少能量损失，好的DSSC对电极材料必须要具有： 高的导电性、高的电催化活性、高的比表面，电荷迁移电阻较小，氧化还原电势较低，能将未被染料吸收的太阳光反射回光阳极等。

玻璃基体聚苯胺对电极 以LiI+I2+LiClO4的乙腈溶液为电解质，20mv/s的扫速下进行循环伏安测试，得到I3-/I-在对电极上的氧化还原反应。 3I-- 2e→I3- I3-+2e →3I- 样 品 Epa(V) Epc （V） Eredox (V) 理论Voc （V） PANI对电极 0.515 -0.196 -4.880 0.670 Pt对电极 0.378 -0.145 -4.858 0.648

聚苯胺对电极光电性能 样 品 短路电流密度（mA/cm2） 开路电压 （V） 填充因子 效 率 （%） 聚苯胺对电极 15.10 0.668 样 品 短路电流密度（mA/cm2） 开路电压 （V） 填充因子 效 率 （%） 聚苯胺对电极 15.10 0.668 0.47 4.74 镀铂对电极 14.60 0.64 0.483 4.51

不同基体对电极的光电性能 样 品 短路电流密度（mA/cm2） 开路电压 （V） 填充因子 效 率 （%） 聚苯胺/玻璃 15.10 样 品 短路电流密度（mA/cm2） 开路电压 （V） 填充因子 效 率 （%） 聚苯胺/玻璃 15.10 0.668 0.47 4.74 聚苯胺/不锈钢 14.27 0.69 0.617 6.08 聚苯胺/PET 11.30 0.63 0.49 3.53 镀铂对电极 14.60 0.64 0.483 4.51

采用不锈钢基体的聚苯胺DSSC电池具有较高的填充因子，正是由于不锈钢基体的电阻值低，导电性好，有效地降低了电池内阻，提高了填充因子及光电转换效率。 采用柔性导电PET塑料基体的方块电阻较ITO导电玻璃基体的高出许多，相应的聚苯胺对电极的电阻较大，电子传输速率较慢，获得的短路电流较小，导致其光电转换效率减少 。

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