Chap5有机太阳能电池.pptx

太阳能电池归类及效率Sorts of Solar CellMaterialsCell(%)module(%)硅硅結晶硅单晶硅(晶圆)1523%1418%多晶硅(晶圆、薄膜)1217%1016%非晶硅A-Si,a-SiC,a-SiGe813%69%半导体半导体化合物化合物III-V族GaAs(晶圆、薄膜)1835%II-VI族CdS,CdTe1014%多元化合物CuInSe21216%有机化合物有机化合物染料敏化型nMO(TiO2)/Dye/电解质12%48%有机D/A型高分子/小分子/纳米粉体8.3%太阳能电池应用技术归类技术归类基本特性基本特性应用领域应用领域III-V族超高效率,超高稳定度但成本极高太空应用单晶硅、多晶硅高效率,高穩定度,具成本竞争力发电应用(取代传统发电)，电力供应源有机化合物效率及穩定度依產品訂定,極具成本竞争優勢民生產品应用行动生活应用以有机分子作为光作用材料的太阳能电池主要可区分为四大类：(1)染料敏化太阳能电池(dye-sensitized solar cell,DSSC)；(2)全有机半导体材质的太阳能电池；(3)高分子掺混碳六十及其衍生物的太阳能电池；(4)高分子掺混无机纳米粒子的太阳能电池全称：染料敏化纳米薄膜太阳能电池，是近年发展起来的一种太阳能电池，是由瑞士的Graktzel教授领导的研究小组首次提出的，是基于自然界中的光合作用原理 而发明的这种电池以廉价的TiO2 纳米多孔膜作为半导体电极，以Ru及Os等有机金属化合物作为光敏化染料，选用适当的氧化一还原电解质做介质，组装成染料敏化TiO 2纳米晶太阳能电池 (简称DSSC电池)5.1染料敏化太阳能电池及材料染料敏化太阳能电池及材料DSSC 电池简介电池简介 1991年，瑞士Grtzel M.以较低的成本得到了7%的光电转化效率。1998年，采用固体有机空穴传输材料的全固态DSSCs电池研制成功，其单色光电转换效率达到33%，从而引 起了全世界的关注。目前，DSSCs的光电转化效率已能稳定在10以上，寿命能达 1520年，且其制造成本仅为硅太阳能电池的1/51/10。5.1染料敏化太阳能电池及材料染料敏化太阳能电池及材料DSSC 电池简介电池简介 1998,Sommeling et al 1998,M,Gratzel,Black-dye,10.4%(AM1.5)2001,A.Hagfektt et al 6.2%(AM1.5)2002,W.Kubo et al,6.0%(AM1.5)2003,1993,M,Gratzel,N719-dye,10.58%(AM1.5)2004,M,Gratzel,11.04%(AM1.5)1976,H.Tsubomura,et al,ZnO,2.5%(at 563nm)1991,M.Gratzel,N3-dye,7.1-7.9%(AM1.5)1998.K.Tennakone,CuI,4.5%(simulated sunlight)2003,M.Gratzel,6.6%(AM1.5)1993,M.Gratzel,Red-dye,10.0%(AM1.5)图1.12 TiO2染料敏化太阳电池发展简况5.1染料敏化太阳能电池及材料染料敏化太阳能电池及材料DSSC 电池简介电池简介 从经济角度来讲：若批量生产，电池的成本在510元/(峰瓦)左右3，而普通的硅电池在20-40元/(峰瓦)，因而染料敏化纳米薄膜太阳电池电池非常适合批量生产，满足城市居民以及广大农村的需要，特别是对我国近七千万边远地区人口的用电具有实际的意义。染料敏化太阳电池的优点：染料敏化太阳电池的优点：5.1染料敏化太阳能电池及材料染料敏化太阳能电池及材料DSSC 电池简介电池简介 战略角度来讲 我国是一个能源的消耗大国，特别是电力的短缺严重影响我国的经济持续稳定发展。但是无论是核电还是火电所需要的燃料都是非常有限的，发电的同时也给环境造成了严重的污染。因此我国尤其应当注重太阳能这种可再生绿色能源的开发与利用。为经济、环境、社会的协调发展奠定良好的基础。染料敏化太阳电池的优点：染料敏化太阳电池的优点：5.1染料敏化太阳能电池及材料染料敏化太阳能电池及材料DSSC 电池简介电池简介 从实用性角度来讲：从染料敏化纳米薄膜太阳电池的结构可以看出，电池是由双块透明导电玻璃及有一定颜色的染料和电解质构成，而整个电池是透明的，且带一定颜色，所以可以通过适当选择染料和电解质的颜色及TiO2膜的厚度来控制整个电池的透光率，这样可以把电池用作窗户玻璃，即透光又可当电池用。染料敏化太阳电池的优点：染料敏化太阳电池的优点：5.1染料敏化太阳能电池及材料染料敏化太阳能电池及材料DSSC 电池简介电池简介 染料敏化纳米薄膜太阳电池电池主要由以下几部分组成：透明导电玻璃、纳米多孔TiO2膜、染料光敏化剂、电解质和反电极 5.1染料敏化太阳能电池及材料染料敏化太阳能电池及材料DSSC 电池结构电池结构 阳极：染料敏化半导体薄膜染料敏化半导体薄膜阴极：镀铂的导电玻璃镀铂的导电玻璃 电解质：I3-/I-TiO2膜:520um,14mg/cm2导电玻璃：810/5.1染料敏化太阳能电池及材料染料敏化太阳能电池及材料DSSC 电池结构电池结构导电玻璃二氧化钛染料电解液碳电极导电玻璃5.1染料敏化太阳能电池及材料染料敏化太阳能电池及材料DSSC 电池原理电池原理5.1染料敏化太阳能电池及材料染料敏化太阳能电池及材料DSSC 电池原理电池原理电子注入染料电解液TiO2（20纳米左右）光5.1染料敏化太阳能电池及材料染料敏化太阳能电池及材料DSSC 电池原理电池原理导电基底材料导电基底材料5.1染料敏化太阳能电池及材料染料敏化太阳能电池及材料DSSC 电池结构和组成电池结构和组成导电基底材料又称为导电电极材料,分为光阳极材料和光阴极材料(或称反电极).目前作为导电基底材料的有透明导电玻璃、金属箔片、聚合物导电基底材料等。要求导电基底材料的方块电阻越小越好；光阳极和光阴极基底中至少要有一种是透明的，透光率一般要在85%以上。用于制备光阳极和光阴极衬底的作用是收集和传输从光阳极传输过来的电子，并通过外回路传输到光阴极并将电子提供给电解质中的电子受体。导电基底材料导电基底材料5.1染料敏化太阳能电池及材料染料敏化太阳能电池及材料DSSC 电池结构和组成电池结构和组成导电基底材料主要是透明导电玻璃，是在厚度为1-3mm的普通玻璃表面镀上导电膜制成的。主要成份是掺F的透明SnO2膜（FTO），在SnO2和玻璃之间有一层几个纳米厚度的纯SiO2膜，目的是防止高温烧结过程中普通玻璃中Na+和K+等离子扩散到SnO2导电膜中。ITO也可作为该电池的导电衬底材料。半导体薄膜主要是纳米TiO2多孔薄膜。它是染料敏化太阳电池的核心之一，作用是吸附染料光敏化剂，并将激发态染料注入到电子传输到导电基底。主要有TiO2，ZnO，Nb2O5，WO3，Ta2O5，CdS，Fe2O3和SnO2等。5.1染料敏化太阳能电池及材料染料敏化太阳能电池及材料DSSC 电池结构和组成电池结构和组成TiO2光电阴极光电阴极纳米半导体薄膜的特征:u具有大的比表面积，使其能够有效地吸附单分子层染料，更好地利用太阳光；u纳米颗粒和导电基底以及纳米半导体颗粒之间应有很好的电学接触，使载流子在其中能有效地传输，保证大面积薄膜的导电性；u电解质中的氧化还原电对（一般为I3-/I-)能够渗透到纳米半导体薄膜内部，使氧化态染料能有效地再生。5.1染料敏化太阳能电池及材料染料敏化太阳能电池及材料DSSC 电池结构和组成电池结构和组成TiO2光电阴极光电阴极纳纳米米材材料料指在三维空间中至少有一维处于纳米尺度范围或由它们作为基本结构单元构成的材料。基本单元按维数分：零维零维：空间三维均在纳米尺度，如纳米尺度颗粒、原子团簇等 量子点量子点一维一维：空间有两维处在纳米尺度，如纳米丝，纳米棒、纳米管等 量子线量子线二维二维：空间有一维处在纳米尺度，如超薄膜，多层膜，超晶格等 量子阱量子阱纳米材料与纳米结构的定义纳米材料与纳米结构的定义TiO2光电阴极光电阴极5.1染料敏化太阳能电池及材料染料敏化太阳能电池及材料DSSC 电池结构和组成电池结构和组成纳纳米米的的基基本本概概念念人高人高红血球红血球分子及分子及DNA氢原子氢原子针头针头1 纳纳米米0.1 纳纳米米1千千 纳纳米米100万万 纳纳米米20亿亿 纳米纳米TiO2光电阴极光电阴极5.1染料敏化太阳能电池及材料染料敏化太阳能电池及材料DSSC 电池结构和组成电池结构和组成电子能级的不连续性电子能级的不连续性量子尺寸效应量子尺寸效应小尺寸效应小尺寸效应表面效应表面效应宏观量子隧道效应宏观量子隧道效应纳米微粒的基本性质纳米微粒的基本性质TiO2光电阴极光电阴极5.1染料敏化太阳能电池及材料染料敏化太阳能电池及材料DSSC 电池结构和组成电池结构和组成 当粒子尺寸下降到某一值时，金属费米能级附近当粒子尺寸下降到某一值时，金属费米能级附近的电子能级由准连续变为离散能级的现象和纳米半导体的电子能级由准连续变为离散能级的现象和纳米半导体微粒存在不连续的最高被占据分子轨道和最低未被占据微粒存在不连续的最高被占据分子轨道和最低未被占据的分子轨道能级，能隙变宽现象均称为量子尺寸效应。的分子轨道能级，能隙变宽现象均称为量子尺寸效应。量量子子尺尺寸寸效效应应TiO2光电阴极光电阴极5.1染料敏化太阳能电池及材料染料敏化太阳能电池及材料DSSC 电池结构和组成电池结构和组成导电的金属在超微颗粒时可以变成绝缘体导电的金属在超微颗粒时可以变成绝缘体d d,，电子移动困难，电阻率增大，从而使能隙变宽，电子移动困难，电阻率增大，从而使能隙变宽，磁矩的大小和颗粒中电子是奇数还是偶数有关磁矩的大小和颗粒中电子是奇数还是偶数有关光谱线会产生向短波长方向的移动光谱线会产生向短波长方向的移动 催化活性与原子数目有奇妙的联系催化活性与原子数目有奇妙的联系量量子子尺尺寸寸效效应应TiO2光电阴极光电阴极5.1染料敏化太阳能电池及材料染料敏化太阳能电池及材料DSSC 电池结构和组成电池结构和组成当纳米微粒的尺寸与光波的波长、德布罗意波长、当纳米微粒的尺寸与光波的波长、德布罗意波长、超导态的相干长度或透射深度等物理特征尺寸相当或更超导态的相干长度或透射深度等物理特征尺寸相当或更小时，晶体周期性边界条件被破坏；非晶态纳米微粒的小时，晶体周期性边界条件被破坏；非晶态纳米微粒的颗粒表面附近的原子密度减小，导致声、光、电、磁、颗粒表面附近的原子密度减小，导致声、光、电、磁、热、力学等特性呈现新的小尺寸效应。热、力学等特性呈现新的小尺寸效应。小小 尺尺 寸寸 效效 应应TiO2光电阴极光电阴极5.1染料敏化太阳能电池及材料染料敏化太阳能电池及材料DSSC 电池结构和组成电池结构和组成v光吸收显著增加，并产生吸收峰的等离子共光吸收显著增加，并产生吸收峰的等离子共 振频移振频移v磁有序态向磁无序态、超导相向正常相转变磁有序态向磁无序态、超导相向正常相转变v声子谱发生改变声子谱发生改变v纳米颗粒的熔点降低纳米颗粒的熔点降低 块状 1337K2nm 600K金金小小 尺尺 寸寸 效效 应应TiO2光电阴极光电阴极5.1染料敏化太阳能电池及材料染料敏化太阳能电池及材料DSSC 电池结构和组成电池结构和组成表面效应是指纳米粒子的表面原子数与总原子数表面效应是指纳米粒子的表面原子数与总原子数之比随纳米粒子尺寸的减小而大幅度地增加，粒子的之比随纳米粒子尺寸的减小而大幅度地增加，粒子的表面能和表面张力也随着增加，从而引起纳米粒子性表面能和表面张力也随着增加，从而引起纳米粒子性质的变化。质的变化。表表 面面 效效 应应TiO2光电阴极光电阴极5.1染料敏化太阳能电池及材料染料敏化太阳能电池及材料DSSC 电池结构和组成电池结构和组成纳米微粒尺寸与表面原子数的关系表表 面面 效效 应应TiO2光电阴极光电阴极5.1染料敏化太阳能电池及材料染料敏化太阳能电池及材料DSSC 电池结构和组成电池结构和组成表面原子所处的晶体场环境及结合能与内部原子有所不同，表面原子所处的晶体场环境及结合能与内部原子有所不同，存在大量的表面缺陷和悬空键，具有不饱和性质，因而极易与存在大量的表面缺陷和悬空键，具有不饱和性质，因而极易与其他原子反应，具有很高的化学反应活性。其他原子反应，具有很高的化学反应活性。表表 面面 效效 应应TiO2光电阴极光电阴极5.1染料敏化太阳能电池及材料染料敏化太阳能电池及材料DSSC 电池结构和组成电池结构和组成金属铜或铝的纳米颗粒一遇空气就会燃烧，发生爆炸金属铜或铝的纳米颗粒一遇空气就会燃烧，发生爆炸 (炸药、火箭）炸药、火箭）一些无机纳米微粒暴露在大气中会吸附气体，并与气体一些无机纳米微粒暴露在大气中会吸附气体，并与气体进行反应（储氢材料）进行反应（储氢材料）很大的比表面，加快化学反应过程很大的比表面，加快化学反应过程 （高效催化剂）（高效催化剂）表表 面面 效效 应应TiO2光电阴极光电阴极5.1染料敏化太阳能电池及材料染料敏化太阳能电池及材料DSSC 电池结构和组成电池结构和组成TiO2光电阴极光电阴极5.1染料敏化太阳能电池及材料染料敏化太阳能电池及材料DSSC 电池结构和组成电池结构和组成隧道效应：微观粒子具有贯穿势垒的能力隧道效应：微观粒子具有贯穿势垒的能力电子具有粒子性又具有波动性，存在隧道效应。一些宏观电子具有粒子性又具有波动性，存在隧道效应。一些宏观物理量，如微颗粒的磁化强度、量子相干器件中的磁通量物理量，如微颗粒的磁化强度、量子相干器件中的磁通量等亦显示出隧道效应，称为宏观的量子隧道效应。等亦显示出隧道效应，称为宏观的量子隧道效应。宏宏 观观 量量 子子 隧隧 道道 效效 应应TiO2光电阴极光电阴极5.1染料敏化太阳能电池及材料染料敏化太阳能电池及材料DSSC 电池结构和组成电池结构和组成宏观量子隧道效应、量子尺寸效应将会是未来微电宏观量子隧道效应、量子尺寸效应将会是未来微电子、光电子器件的基础，它确立了现存微电子器件进一子、光电子器件的基础，它确立了现存微电子器件进一步微型化的极限。当微电子器件进一步微型化时必须要步微型化的极限。当微电子器件进一步微型化时必须要考虑上述的量子效应。考虑上述的量子效应。宏宏 观观 量量 子子 隧隧 道道 效效 应应TiO2光电阴极光电阴极5.1染料敏化太阳能电池及材料染料敏化太阳能电池及材料DSSC 电池结构和组成电池结构和组成量子尺寸效应、小尺寸效应、表面效应及量子隧道量子尺寸效应、小尺寸效应、表面效应及量子隧道效应效应是纳米微粒与纳米固体的基本特性。它使纳米是纳米微粒与纳米固体的基本特性。它使纳米微粒和纳米固体呈现许多奇异的物理、化学性质，微粒和纳米固体呈现许多奇异的物理、化学性质，出现一些出现一些“反常反常”现象。现象。TiO2光电阴极光电阴极5.1染料敏化太阳能电池及材料染料敏化太阳能电池及材料DSSC 电池结构和组成电池结构和组成lTiO2 胶体 在 450 500C 下煅烧 l薄膜厚度一般约：10 m l粗糙度 1000，有效表面积大 l50-70%的多孔性，使电解液充分渗入。TiO2的SEMTiO2光电阴极光电阴极5.1染料敏化太阳能电池及材料染料敏化太阳能电池及材料DSSC 电池结构和组成电池结构和组成TiO2光电阴极光电阴极5.1染料敏化太阳能电池及材料染料敏化太阳能电池及材料DSSC 电池结构和组成电池结构和组成锐钛矿和金红石相TiO2TiO2光电阴极光电阴极5.1染料敏化太阳能电池及材料染料敏化太阳能电池及材料DSSC 电池结构和组成电池结构和组成TiO2光电阴极光电阴极5.1染料敏化太阳能电池及材料染料敏化太阳能电池及材料DSSC 电池结构和组成电池结构和组成u纳米TiO2在电池中起着重要作用，其结构性能决定染料吸附的多少。膜厚在10-15um是一个最优化的厚度，光电转换效率能达到最大值。u纳米TiO2对光的吸收、散射、折射产生重要影响，光照下太阳光在薄膜内被染料分子反复吸收，大大提高染料分子的光吸收率。u纳米TiO2薄膜对染料敏化太阳能电池中电子传输和界面复合起着很重要作用，影响光电流的输出。TiO2光电阴极光电阴极5.1染料敏化太阳能电池及材料染料敏化太阳能电池及材料DSSC 电池结构和组成电池结构和组成在高效染料敏化电池中的纳米多孔薄膜特点：u大的比表面积和粗糙因子，能够吸附大量的染料，对于8um的电极来说，粗糙因子可以达到1000；u纳米颗粒之间的相互连接，构成海绵状的电极结构，使纳米晶之间有很好的电接触，电子在薄膜中有较快的传输速度，从而减少薄膜中电子和电解质受主的复合；u氧化还原电对可以渗透到整个纳米晶多孔膜半导体电极，使被氧化的染料分子能够有效再生；u纳米多孔薄膜吸附染料的方式保证电子有效地注入薄膜导带，使得纳米晶半导体和其吸附的染料分子之间的界面电子转移快速有效；u对电极施加偏压，在纳米晶的表面能形成聚集层（厚度在几到几十纳米）。对于本征和低掺杂半导体来说，在正偏压作用下，不能形成耗尽层。TiO2光电阴极光电阴极5.1染料敏化太阳能电池及材料染料敏化太阳能电池及材料DSSC 电池结构和组成电池结构和组成影响光电流输出的因素:u激发态染料分子不能有效地将电子注入到TiO2导带,而是通过内部转换回到基态；u氧化态染料分子不是被电解质中的I-还原，而是与TiO2 导带电子直接复合；u电解质中I3-不是被对电极上的电子还原成I-，而是被TiO2导带电子还原。TiO2光电阴极光电阴极5.1染料敏化太阳能电池及材料染料敏化太阳能电池及材料DSSC 电池结构和组成电池结构和组成染料目前大致分为3类：有钌吡啶有机金属配合物、酞菁和菁类系列染料 和天然染料经过实验证明，用钌吡啶有机金属配合物敏化TiO2 电极的效果最佳人们通过研究钌吡啶配合物敏化太阳能电池中各个环节的动力学速率常数发现，要要获得较高的光电转换效率：获得较高的光电转换效率：首先使合成出的染料具有稳定的氧化态和激发态，这样不但会使电池具有较高的逆转能力，还会使染料中的电子注入效率提高，从而使染料中的电子更容易注入到TiO2 薄膜的导带中去染料染料5.1染料敏化太阳能电池及材料染料敏化太阳能电池及材料DSSC 电池结构和组成电池结构和组成其次，染料分子应含有大 键、高度共轭、并且有强的给电子基只有这样染料分子的能级轨道才能与纳晶TiO2 薄膜表面的O-离子形成大的共轭体系，使电子从染料转移到TiO 2薄膜更容易，电池的量子产率更高 再次，染料在可见光区有较强的吸收，尽可能宽的吸收带，从而吸收更多的太阳光，捕获更多的能量，提高光电转换效率除了以上三点外，还要求染料能够快速吸附到TiO2 的孔道中，且不易脱附.染料染料5.1染料敏化太阳能电池及材料染料敏化太阳能电池及材料DSSC 电池结构和组成电池结构和组成由 Grtzel研究小组合成的钌（Ru）配合物钌（钌（Ru）配合物染料）配合物染料染料染料5.1染料敏化太阳能电池及材料染料敏化太阳能电池及材料DSSC 电池结构和组成电池结构和组成钌（钌（Ru）配合物染料）配合物染料染料染料5.1染料敏化太阳能电池及材料染料敏化太阳能电池及材料DSSC 电池结构和组成电池结构和组成N3dye 被吸收在TiO2（101）表面上具有羧基的钌具有羧基的钌（Ru）配合物锚定）配合物锚定TiO2表面，表面，TiO2 表表面面N3 dye 的覆盖度的覆盖度为为100%钌（钌（Ru）配合物染料）配合物染料染料染料5.1染料敏化太阳能电池及材料染料敏化太阳能电池及材料DSSC 电池结构和组成电池结构和组成长期以来，染料敏化太阳能电池一直使用液态电解质.关于溶剂和金属离子的选择对太阳能电池的电流输出有很大的影响这是因为薄膜电极吸附阳离子后，半导体的导带能级会发生变化，这种变化导致了激发态染料分子向半导体中注入电子的能力发生改变因此可以通过调节金属离子和溶剂来改善染料分子的注入能力液体电解质种类繁多，电极电势容易控制但同时它也存在不足之处液体电解质的存在容易导致吸附在薄膜上的染料解吸，影响电池的稳定性；密封工艺复杂；电解质本身不稳定，易发生化学变化，从而导致太阳能电池的失效.电解液电解液5.1染料敏化太阳能电池及材料染料敏化太阳能电池及材料DSSC 电池结构和组成电池结构和组成 载流子迁移速度慢，在强光下光电流不稳定速率慢，在强光下光电流不稳定；除了氧化还原循环反应外，电解质还存在不可逆反应这些都导致了电池的不稳定和使用寿命的缩短因此要使染料敏化太阳能电池走向实用化，必须解决电解质的问题为了克服液体电解质的不足，人们开始致力于固体电解质的研究上在染料敏化太阳能电池中，电解液的作用是将电子传输给激发态染料，空穴传输到对电极，从而完成一个光路循环电解液电解液5.1染料敏化太阳能电池及材料染料敏化太阳能电池及材料DSSC 电池结构和组成电池结构和组成包含I-/I3-氧化还原离子的电解液用于调节TiO2电极和相反电极之间的电子电池性能同以下因素有关：-碘化物中电性相反的离子（Li+,Na+,K+)-溶剂电解液电解液5.1染料敏化太阳能电池及材料染料敏化太阳能电池及材料DSSC 电池结构和组成电池结构和组成在相反电极处，I3-离子 再生为 I-离子Pt 覆盖的 TCO(approx.200 nm)或者 碳常用来作为相反电极相反电极相反电极5.1染料敏化太阳能电池及材料染料敏化太阳能电池及材料DSSC 电池结构和组成电池结构和组成5.1染料敏化太阳能电池及材料染料敏化太阳能电池及材料DSSC 的性能的性能5.1染料敏化太阳能电池及材料染料敏化太阳能电池及材料DSSC 的性能的性能电荷转移动力学电荷转移动力学5.1染料敏化太阳能电池及材料染料敏化太阳能电池及材料DSSC 的性能的性能l高能量转换效率l低成本l原料丰富l在颜色的调控、适应消费者方面具有很大的潜力l 无污染l可再生性好5.1染料敏化太阳能电池及材料染料敏化太阳能电池及材料DSSC 的特点的特点 把二氧化钛胶体涂敷在透明导电玻璃上。就象二氧化钛膜一样，透明导电玻璃上已经事先镀有一层透明导电膜（SnO2）111 溶胶的制备1.1.二氧化钛薄膜的制备二氧化钛薄膜的制备112 基片的清洗与成膜基片的清洗与成膜5.1染料敏化太阳能电池及材料染料敏化太阳能电池及材料DSSC 的制备的制备1.1.二氧化钛薄膜的制备二氧化钛薄膜的制备111 溶胶的制备 瑞士洛桑高等工学院Gratzel等人提出了一 套TiO2 薄膜的制备方案，他们将钛醇盐逐滴加入水中，通过控制加入的相应醇的量来调节溶胶浓度钛醇盐在水中发生水解，生成沉淀，再将沉淀用去离子水清洗后，溶于硝酸为了控制粒子的大小，还需控制水解的速度和溶胶的浓度方法是将溶胶放人80烘箱烘8 h接下来是热压处理这些溶胶，热压处理可以控制粒子的生长与结晶5.1染料敏化太阳能电池及材料染料敏化太阳能电池及材料DSSC 的制备的制备 111 溶胶的制备 制备溶胶的第二种方法是用二氧化钛粉体来制备瑞士洛桑高等工学院Gritzel 和华侨大学的范乐庆等人都使用过此种方法其过程是称取二氧化钛粉(P25)放入研钵中，一边研磨，一边逐渐加入硝酸或乙酸(pH值为34)，每加入1 mL酸都必须使其研磨得较均匀1.1.二氧化钛薄膜的制备二氧化钛薄膜的制备5.1染料敏化太阳能电池及材料染料敏化太阳能电池及材料DSSC 的制备的制备 111 溶胶的制备 第三种方法是将钛醇盐溶于部分无水乙醇中，然后加入二乙醇胺和浓盐酸，室温下用磁力搅拌器搅拌1 h，混合均匀后再加入水和无水乙醇体积比为1：10的乙醇水溶液，得到稳定、均匀、透明的浅黄色溶胶此法制备溶胶比较简单易行1.1.二氧化钛薄膜的制备二氧化钛薄膜的制备5.1染料敏化太阳能电池及材料染料敏化太阳能电池及材料DSSC 的制备的制备 1 11 12 2 基片的清洗与成膜基片的清洗与成膜 制备完溶胶后，下一步是成膜在成膜之前，先要对导电玻璃进行清洗清洗的方法是将薄膜分别放入水和乙醇中进行超声清洗在制备染料敏化太阳能电池中最常用的成膜方法是浸渍提拉法和胶带涂敷法浸渍提拉法是将清洁的基片浸泡在溶胶中，然后以一定的速率将基片沿与液面垂直方向提拉，这样在基片表面就附着一层溶胶的薄膜1.1.二氧化钛薄膜的制备二氧化钛薄膜的制备5.1染料敏化太阳能电池及材料染料敏化太阳能电池及材料DSSC 的制备的制备 1 11 13 3 薄膜的烧结薄膜的烧结薄膜烧结的过程是钛醇盐发生缩聚反应的过程，在此过程中脱掉薄膜中的水和有机物而生成二氧化钛烧结过程要控制升温速率、保温时间、烧结温度因为它们对薄膜的粒径、孔径和晶型影响非常大1.1.二氧化钛薄膜的制备二氧化钛薄膜的制备5.1染料敏化太阳能电池及材料染料敏化太阳能电池及材料DSSC 的制备的制备2.2.利用天然染料把二氧化钛膜着色利用天然染料把二氧化钛膜着色 在新鲜的或冰冻的黑莓、山莓和石榴籽上滴34滴水，再进行挤压、过滤，即可得到我们所需要的初始染料溶液；也可以把TiO2 膜直接放在已滴过水并挤压过的浆果上，或在室温下把TiO2膜浸泡在红茶(木槿属植物)溶液中。有些水果和叶子也可以用于着色。如果着色后的电极不立即用，必须把它存放在丙酮和脱植基的叶绿素混合溶液中。5.1染料敏化太阳能电池及材料染料敏化太阳能电池及材料DSSC 的制备的制备3.3.制作反电极制作反电极反电极是在导电玻璃镀上白金、镍或者碳范乐庆等人 比较了这几种电极的性能结果表明，白金电极效果最佳，镍电极次之，碳电极活性较弱碳电极的制备采用的是物理涂敷用5B铅笔在导电玻璃的导电面进行涂敷，尽量涂均匀然后放人马弗炉中进行热处理，经过热处理后的碳电极用酒精进行冲洗后凉干即可获得所需要的碳电极5.1染料敏化太阳能电池及材料染料敏化太阳能电池及材料DSSC 的制备的制备4.4.注入电解质注入电解质注入含碘和碘离子的溶液作为太阳电池的电解质，它主要用于还原和再生染料。5.1染料敏化太阳能电池及材料染料敏化太阳能电池及材料DSSC 的制备的制备把着色后的二氧化钛膜面朝上放在桌上，在膜上面滴一到两滴含碘和碘离子的电解质，然后把反电极的导电面朝下压在二氧化钛膜上。把两片玻璃稍微错开，以便利用暴露在外面的部分作为电极的测试用。利用两个夹子把电池夹住，这样，你的太阳能电池就作成了。在室外太阳光下，可以获得开路电压0.43V，短路电流1mA/cm2的自己做的太阳电池。5.5.组装电池组装电池5.1染料敏化太阳能电池及材料染料敏化太阳能电池及材料DSSC 的制备的制备 虽然染料敏化太阳能电池与硅太阳能电池相比具有独特的优越性，但是它距实用阶段还有很大距离如何进一步提高电池的光电转化效率、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究领域里有待解决的问题5.1染料敏化太阳能电池及材料染料敏化太阳能电池及材料DSSC 未来发展未来发展工作原理:有机半导体产生的电子和空穴束缚在激子(excitons)之中,电子和空穴在界面(电极和导电聚合物的结合处)上分离。美国加州伯克利分校科学家在2002年利用塑料纳米技术研制出第一代塑料太阳能电池，可以安装在一系列便携式设备及可穿戴式电子设备上。提供07V的电压。特点：价格低、易成型，通过化学修饰调控性能。5.2有机聚合物太阳电池有机聚合物太阳电池OPV 简介简介柔性质轻器件OPV 简介简介5.2有机聚合物太阳电池有机聚合物太阳电池 1.由少数几种元素组成.C、H、O、N、S、P、X 2.形成.有链和环 3.有机物中同分异构体很多.如 C2H6O（分子式）结构式 CH3CH2OH 乙醇 CH3OCH3 甲醚有机组成上的特点有机组成上的特点5.2有机聚合物太阳电池有机聚合物太阳电池OPV 简介简介总之：（1）.有机物都含有碳，不易形成离子化 合物，易形成共价化合物，且可形成C-C共价键，具有同分异构现象、立体异构现象。有同分异构体、立体异构体。（2）组成复杂.如C63H90N14PCo 维生素B12 叶绿素 牛胰岛素（51肽）等。5.2有机聚合物太阳电池有机聚合物太阳电池OPV 简介简介69van de Waals 力没有自由载流子或者很少，因为材料中的缺陷和杂质离散能级 (但通常也用能带来描述)共价键+离子键具有一定浓度的载流子10101018 cm-3连续能带结构注意:激子结合能 0.3 eV有机材料有机材料无机材料无机材料5.2有机聚合物太阳电池有机聚合物太阳电池OPV 简介简介优点优点成本低成本低质量轻质量轻材料来源广泛材料来源广泛制备工艺简单制备工艺简单可做在柔性衬底上可做在柔性衬底上可大面积生产可大面积生产材料的光及电特性材料的光及电特性可调整可调整缺点缺点 效率低效率低 寿命短寿命短有机太阳能电池优缺点有机太阳能电池优缺点给体给体/受体受体年代年代填充因子填充因子FF(%)能量转换效率能量转换效率 (%)研究小组研究小组CuPc/PV1986651TangMEH-PPV/CN-PPV199560-701Yu/HeegerPOPT/CN-PPV199860-702Hall/FriendMDMO-PPV/PCBM-C60200150-602.5SariciftciP3HT/PCBM-C60200260-702.8BrabecMDMO-PPV/PCBM-C60200370-803.0JanssenCuPc/C60200450-605ForrestP3HT/PCBM200560-805YangP3HT/PCBM-C602007676.5Heeger有机太阳能电池发展有机太阳能电池发展5.4 有机太阳能电池有机太阳能电池有机薄膜制作方法(膜厚由转速、溶剂、组成成分和浓度决定)刮刀刀片丝网印刷旋涂有机太阳能电池制作方法有机太阳能电池制作方法5.4 有机太阳能电池有机太阳能电池图1.9 有机太阳电池结构示意图有机太阳能电池制作方法有机太阳能电池制作方法5.4 有机太阳能电池有机太阳能电池HOMOHOMOLUMOLUMO下电极上电极给体给体受体受体 h真空吸收光子产生激子(电子空穴对)激子在给体受体界面分离自由电子和空穴传输并被两极收集电荷产生，传输和收集有机太阳能电池原理有机太阳能电池原理5.4 有机太阳能电池有机太阳能电池五个关键步骤五个关键步骤1 激子扩散：激子扩散：激子的扩散长度应该至少等于薄膜的厚度，否则激子就会 发生复合，造成吸收光子的浪费。电荷分离：电荷分离：对于单层器件，激子在电极与有机半导体界面处离化，对于 双层器件，激子在施主受主界面形成的p-n结处离化。电荷传输：电荷传输：在有机材料中，电荷的传输是定域态间的跳跃，而不是能带 内的传输，这意味着有机材料和聚合物材料中载流子的迁移率通常都比无机 半导体材料的低。2345 电荷收集：电荷收集：电荷的收集效率也是影响光伏器件功率转换效率的关键因素，金属与半导体接触时会产生一个阻挡层，阻碍电荷顺利地到达金属电极。光子吸收：光子吸收：在大部分有机太阳能电池中，因为材料的带隙过高，只有一小部分入射光被吸收，吸收只能达到30左右。有机太阳能电池原理有机太阳能电池原理5.4 有机太阳能电池有机太阳能电池短路电流Isc 太阳电池在短路条件下的工作电流称为短路光电流(Isc)开路电压Voc 太阳电池在开路条件下的输出电压称为开路光电压(Voc)填充因子FF FF=VmIm/VocIsc有机太阳能电池特性参数有机太阳能电池特性参数5.4 有机太阳能电池有机太阳能电池太阳能电池能量转换效率(PCE)：太阳电池受光面积的最大输出功率（太阳电池受光面积的最大输出功率（PmaxPmax）与入射的太阳光能量密度）与入射的太阳光能量密度（PlightPlight）的百分比。）的百分比。R(JV)maxJscVocR(0,)5.4 有机太阳能电池有机太阳能电池单层太阳能电池（肖特基型）双层太阳能电池体掺杂太阳能电池有机太阳能电池分类有机太阳能电池分类5.4 有机太阳能电池有机太阳能电池 半透明金属电极层（或ITO）有机层金属电极层光照单层太阳电池结构图单层太阳电池结构图Glass单层太阳电池原理图单层太阳电池原理图:workfunction,:electron affinity,IP:ionisation potential,Eg:optical bandgap.有机太阳能电池分类有机太阳能电池分类1.单层太阳能电池（肖特基型）单层太阳能电池（肖特基型）5.4 有机太阳能电池有机太阳能电池 此种结构在1986年，由柯达公司的C.W.Tang 首先提出提出(ITO/CuPc/PV/Ag)，其电池转换效率约为1%。阴极ADGlass阳极光照双层太阳电池结构图D：给体A：受体双层太阳电池原理图有机太阳能电池分类有机太阳能电池分类2.双层太阳能电池双层太阳能电池5.4 有机太阳能电池有机太阳能电池阴极DAGlass阳极光照体掺杂太阳电池结构图体掺杂太阳电池结构图体掺杂太阳电池原理图体掺杂太阳电池原理图有机太阳能电池分类有机太阳能电池分类3.体掺杂型太阳能电池体掺杂型太阳能电池5.4 有机太阳能电池有机太阳能电池给体材料受体材料PC70BM有机太阳能电池分类有机太阳能电池分类3.体掺杂型太阳能电池常用材料体掺杂型太阳能电池常用材料5.4 有机太阳能电池有机太阳能电池材料的吸收和带宽材料的吸收和带宽材料的吸收和带宽材料的吸收和带宽激活层的表面形貌激活层的表面形貌激活层的表面形貌激活层的表面形貌材料中载流子材料中载流子材料中载流子材料中载流子 (电子和空穴电子和空穴电子和空穴电子和空穴)的迁移率的迁移率的迁移率的迁移率电极的功函数电极的功函数电极的功函数电极的功函数有机太阳能电池效率影响因素有机太阳能电池效率影响因素5.4 有机太阳能电池有机太阳能电池给体和受体材料比例的影响器件的退火影响溶剂的影响结构优化电极接触界面的影响体掺杂型太阳能电池的优化体掺杂型太阳能电池的优化5.4 有机太阳能电池有机太阳能电池1.给体和受体材料比例的影响 研究发现混合层中给体和受体材料的比例直接影响活性层中两相的相分离大小。在P3HTPCBM体异质结太阳能电池中,P3HT链-相互作用一些.当PCBM的浓度低于47%的时候,不能形成有效的电子传输路径;而当PCBM 的浓度高于60%以后,PCBM的聚集形成大尺寸晶粒会降低电子的输运和破坏有机层/电极的界面.P3HTPCBM体系的最佳比例是1:0.81:1。CHIRVASE D,et al.J.Nanotechnology,2004,15:131721323体掺杂型太阳能电池的优化体掺杂型太阳能电池的优化5.4 有机太阳能电池有机太阳能电池2.退火对器件影响Voc=0.65 V,Jsc=3.86 mAcm2 FF=0.34,=1.11%.Voc=0.6 V,Jsc=11.1mAcm2 FF=0.54=4.9%,155,处理处理5min结构：ITO/PEDOT:PSS/P3HT:PCBM/LiF/Al Marisol Reyes-Reyes,Kyungkon Kim,and David L.Carrolla,APPLIED PHYSICS LETTERS 87,083506(2005)体掺杂型太阳能电池的优化体掺杂型太阳能电池的优化5.4 有机太阳能电池有机太阳能电池Solvent annealedFast dryingP3HT:PCBM 的AFM纳米微结构的形成5.4 有机太阳能电池有机太阳能电池Fast drying film20 minutes drying time不同时间后干燥的太阳能电池特性5.4 有机太阳能电池有机太阳能电池注意注意 IPCE 600 nm 的衰退的衰退 在在P3HT 吸收吸收,600 nm 对应链间的相互作用对应链间的相互作用(-堆垛堆垛)PCE=4-5%20 min drying timeFast drying film外量子效率5.4 有机太阳能电池有机太阳能电池3.溶剂的影响1Youngkyoo Kim,et al.APL,86,063502 (2005)2LI G,et al.Nature Materials,2005,4:8