染料敏化电池.doc

染料敏化太阳能电池

小组成员：王万峰、尹锴、张靖濠、廖承云

目 录
一、 前言……………………………………………………………3
二、 结构与机理……………………………………………………4
三、 TiO2薄膜………………………………………………………6
1、TiO2的催化原理…………………………………… 8
2、TiO2的制备…………………………………………10
3、TiO2的掺杂…………………………………………10
4、膜的表面修饰………………………………………13
5、膜的耦合……………………………………………16
四、 染料敏化剂…………………………………………………16
五、 电解质………………………………………………………18
六、 DSSCs的特点与发展前景…………………………………19
1、DSSCs的优势…………………………………… 19
2、DSSCs的应用前景……………………………… 20
3、存在的问题和发展趋势………………………… 20
4、各组成部分的进展……………………………… 21
5、技术动态………………………………………… 22
6应用产品………………………………………… 23
七、结语………………………………………………………… 25

摘要：染料敏化太阳能电池（Namo-Crystallion Dye-Sensitized Solar Cells，简称DSSCs）是新一代的太阳能电池，其成本相较于传统太阳能电池要低很多，因此有着巨大的应用前景。本文简述了染料敏化电池的发展历程，介绍了其结构和基本原理。对染料敏化电池中的几个重要部分：纳米TIO2半导体薄膜，染料敏化剂、电解质体系等进行了简述，并总结了其各项进展和应用。
关键词：染料敏化太阳能电池 TiO2薄膜 染料敏化剂 电解质

一、 前言

能源是世界经济发展的首要问题，当前，许多国家都把发展新能源作为应对金融危机、加快经济复苏的重要举措。我国改善能源结构也必须积极发展可再生能源和新能源，不断提高清洁能源在能源结构中的比重。
作为一种“取之不尽、用之不竭”的洁净的天然能源，太阳能成为最有希望的能源之一。目前研究和应用最广泛的太阳能电池主要是硅系太阳能电池，但硅系电池原料成本高、生产工艺复杂、效率提高潜力有限，其光电转换效率的理论极限值为30%，因此其民用化受到技术性限制，急需开发低成本的太阳能电池。
染料敏化太阳能电池价格相对低廉，制作工艺简单，拥有潜在的高光电转换效率，所以极有可能取代传统硅系太阳能电池，成为未来太阳能电池的主导。
上个世纪90年代初，染料敏化太阳能电池初露峥嵘，其光电转换效率达7.1%—7.9%，开创了太阳能电池研究和发展的全新领域。随后Gatzel和同伴开发出了光电能量转换效率达10%—11%的DSSCs。目前，在标准条件下，染料敏化太阳能电池的能量转化效率已达到11. 2%。

二、结构与原理

染料敏化太阳能电池由镀有透明导电膜的导电基片、多孔纳米晶二氧化钛薄膜、染料光敏化剂、电解质溶液及透明对电极等几部分构成(图1), 其工作原理如图2所示。

当能量低于二氧化钛禁带宽度( E= 3。2eV)、且大于染料分子特征吸收波长的入射光照射到电极上时,吸附在电极表面的染料分子中的电子受激跃迁至激发态, 然后注入到二氧化钛导带, 此时染料分子自身转变为氧化态。 注入到二氧化钛导带的电子富集到导电基片上, 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中的电子给体, 自身恢复为还原态, 使染料分子得到再生。 被氧化的电子给体扩散至对电极, 在电极表面被还原, 从而完成一个光电化学反应循环。
具体过程可用下面式子表示

其中, D 代表基态染料分子, D!为激发态染料分子, D+ 为氧化态染料分子, X 为卤素分子, X- 代表卤素阴离子。

图 液态电解质敏化二氧化钛电池的光电转换原理图

在整个过程中, 各反应物种总状态不变, 光能转化为电能。 电池的开路电压取决于二氧化钛的费米能级和电解质中氧化还原可逆电对的能斯特电势之差。由于液态电解质存在的不足, 最近出现了用空穴传输材料作为电解质的全固态光电池, 其构成如图3所示。 与液态光电池相比, 其光电转换原理基本相同, 如图4所示, 式( 5)~( 7)为光电转换表示式, 其中h+ 代表空穴。 所不同的只是处于氧化态的染料分子通过使自身的空穴注入到空穴传输材料中而恢复为还原态。 同样, 在整个过程中各种物质表观上没有发生变化, 光能转化为电能。 电池的开路电压取决于二氧化钛的费米能级和空穴传输材料的HOMO能级之差。

染料敏化太阳能电池的光电转化效率可通过提高电池的短路电流和开路电压来实现, 其中纳米二氧化钛膜的性质、敏化剂的性质、电解质的组成等对此类电池的性能也有较为显著的影响。
DSCCs的工作原理类似于自然界的光合作用, 与传统硅电池不同。它对光的吸收主要通过染料来实现,而电荷的分离传输则是通过动力学反应速率来控制。电荷在半导体中的运输由多数载流子完成, 所以这种电池对材料纯度和制备工艺的要求并不十分苛刻, 使得制作成本大幅下降。此外, 由于染料的高吸光系数, 只需几到十几个微米厚的半导体薄膜就可以满足对光的吸收,使DSC电池成为真正的薄膜电池。DSCCs是光阳极、染料、电解质和对电极的有机结合体, 缺一不可。

三、 TiO2薄膜

染料敏化电池以具有较好热稳定性和光化学稳定性的宽禁带半导体TiO2 作为基体半导体材料,在其上吸附适当的敏化染料,借助染料在可见光的强吸收,可将TiO2 光谱响应范围从紫外区拓展到可见光区。 其工作是由染料敏化的二氧化钛薄膜电极、电解质、镀铂的对电极构成的“三明治”结构来完成。 在染料敏化电池中多孔二氧化钛薄膜是连接染料和导电膜的中间桥梁,起到固定染料,接受染料中的光生电子并传递到导电玻璃表面的作用,并尽可能多的吸收染料,能够有效的使电子空穴对发生分离。 伴随着纳米技术的诞生,使得在平板电极上可获得具有很高比表面积的TiO2 膜,可以吸附足够的染料,平板染料敏化TiO2 电极的光捕获效率大大提高。 从而能够利用宽禁带半导体实现太阳能的转换。
TiO2 是一种价廉、无毒、稳定且抗腐蚀性能良好的半导体材料,它的吸收范围在紫外区,因此须进行敏化处理。为了提高光捕获效率和量子效率,可以将半导体二氧化钛纳米化、多孔化、薄膜化。这样的结构使TiO2 具有高比表面积,使其能吸附更多的单层染料分子,只有紧密吸附在半导体表面的单层染料分子才能产生有效的敏化效率。另外,这种结构的电极,其表面粗糙度大,太阳光在粗糙表面内多次反射,可被染料分子反复吸收,从而大大提高太阳光的利用率。围绕光电转化效率的提高,研究者从二氧化钛膜的制备、表面修饰、掺杂、复合等方面做了大量工作。
1、TiO2的催化原理

1） 光催化反应过程
半导体粒子具有能带结构，一般由填满电子的低能价带(valence band, VB)和空的高能导带(conduction band, CB)构成，价带和导带之间存在禁带。当用能量等于或大于禁带宽度(也称带隙, Eg)的光照射半导体时，价带上的电子(e-)被激发跃迁至导带，在价带上产生相应的空穴(h+)，并在电场作用下分离并迁移到粒子表面。光生空穴有很强的得电子能力，具有强氧化性，可夺取半导体颗粒表面被吸附物质或溶剂中的电子，使原本不吸收光的物质被活化氧化，电子受体通过接受表面的电子而被还原。 光催化机理可用下式说明：
TiO2＋H2O→e-＋h+
h+＋H2O→*OH＋H+
h+＋OH-→*OH
O2＋e-→*O2-，*O2-＋H+→HO2*
2HO2*→O2＋H2O2
H2O2＋O2-→*OH＋OH-＋O2

2）能带位置
半导体的光吸收阈值λg与带隙Eg有关，其关系式为：
λg(nm)＝ 1240／Eg(eV)
常用宽带隙半导体吸收波长阈值大都在紫外光区，应用最多的锐钛矿型TiO2在pH为1时的带隙为3.2eV，光催化所需入射光最大波长为387nm。
半导体的能带位置及被吸附物质的还原电势，决定了半导体光催化反应的能力。热力学允许的光催化氧化还原反应要求受体电势比半导体导带电势低(更正)；给体电势比半导体价带电势高(更负)，才能供电子给空穴。

3）电子、空穴的捕获
光激发产生的电子和空穴可经历多种变化途径，其中最主要的是捕获和复合两个相互竞争的过程。对光催化反应来说，光生空穴的捕获并与给体或受体发生作用才是有效的。如果没有适当的电子或空穴捕获剂，分离的电子和空穴可在半导体粒子内部或表面复合并放出热能。选用适当的表面空位或捕获剂捕获空位或电子可使复合过程受抑制。如果将有关电子受体或给体(捕获剂)预先吸附在催化剂表面，界面电子传递和被捕获过程就会更有效，更具竞争力。由电子、空穴的电荷分离机理可知，为提高TiO2的光催化效率需着重考虑以下两点：提高光生电子、空穴电荷的分离效率及提高光生活性物种，特别是电子的消耗速率。

2、TiO2的制备
目前多孔纳米TiO2薄膜的制备方法主要有两种:溶胶凝胶法和由二氧化钛超细粉制得这两种方法都使用高分子表面活性剂(如聚乙二醇)来防止TiO2纳米颗粒的团聚以提高TiO2颗粒的孔洞率和表面粗糙度。 高分子表面活性剂的分子质量、用量、薄膜退火工艺等都与纳米二氧化钛膜性质密切相关。一般沉积到导电玻璃上的TiO2 薄膜厚约10m, TiO2 粒子粒径约20nm。 薄膜厚度过小, 太阳光能量吸收不完全, 光电转化效率不高,厚度过大, 深层的染料敏化剂没有光照激发, 不能产生电子, 膜也容易发生脱落; TiO2 粒子尺寸过小, 导带中的电子可能会发生隧道效应而降低光电转化效率; 尺寸过大, 比表面积降低, 吸附的染料分子减少, 也会降低光电转化效率。

3、TiO2的掺杂
用掺杂的方法改变TiO2：禁带宽度和减少电子一空穴的复合。前面两种方法是从形貌、晶体类型的改变来提高光催化性能有一定的局限性，得到的Ti02只能吸收紫外光，不能吸收可见光，而太阳光中只有3％～5％的紫外光，可见光占了40％左右，如何提高其对可见光的吸收是一个需要解决的问题。掺杂是一种改变Ti02光吸收范围行之有效的方法，目前对于Ti02掺杂方法很多，大体可分为非金属掺杂，金属掺杂有两种方式的非金属掺杂，一是非金属原子取代二氧化钛中的氧原子，二是非金属原子进入二氧化钛晶格与晶格缝隙之间。掺杂的非金属一般是N、c、F、s等，其中研究最多的是N掺杂。金属掺杂的方式有三种，(1)金属原子取代Ti02中的钛原子，(2)金属氧化物堆积在Ti02晶粒周围，(3)金属原子沉积在Ti02的表面。掺杂用的金属一般有过渡金属、贵金属及稀土金属。掺杂后的Ti02光催化性能、光电性都有改变。
半导体光催化机理是:它们在一定波长的光激发后,价带上的电子( e-)被激发,越过禁带进入导带,同时在价带上产生相应的空穴( h+)。这些光生电子和空穴带有一定能量可以自由迁移,当它们迁移到催化剂表面时就可以和吸附在催化剂表面的化学物质发生化学反应,并产生大量的高活性自由基(·OH) ,这些自由基就能将有机化合物氧化分解。光催化原理图如图1和图2。

但是光生电子和空穴都不稳定,极易复合。当没有俘获剂存在的时候,光生电子和空穴便简单地复合并释放热能(见图4)。因此抑制光生载流子的复合,提高界面电子转移速率常数是改善光催化性能的有效方法。利用离子掺杂来提高TiO2的光催化性能,其原因主要有以下几点：

1）引入中间能级，降低TiO2的带隙

一方面由于掺杂的金属元素的d轨道和TiO2 晶格中Ti离子的d轨道的导带重叠,使TiO2导带宽化下移,使禁带的带隙变窄(如图3b) ,而使修饰的TiO2光催化剂能吸收可见光,吸收光谱红移,从而使催化剂在可见光下能起作用。而阴离子的掺杂产生的掺杂能级与TiO2 的价带发生重叠,相当于使TiO2的价带变宽上移,而使其禁带变窄(如图3c) 。或者,一些金属元素掺杂后,和TiO2形成氧化物固溶体,这些金属带隙比TiO2要窄,从而可以吸收可见光。另一方面,掺杂可以形成掺杂能级。
认为掺杂物在价带(VB)和导带(CB)之间形成t2g能级,不同掺杂物形成的t2g能级不同,由于掺杂物的d电子和CB (或VB)之间的电荷转移,使波长较长、能量较小的光子能够激发,吸收光谱红移,提高了光子的利用率,引起光催化剂对可见光的响应。

2）成为电子和空穴的浅势捕获阱,抑制光生电子和空穴复合
在TiO2中引入一些掺杂物能在TiO2 禁带中引入施主和受主等杂质能级,对TiO2本征激发产生的光生载流子起到了俘获阱的作用。适量的浅势俘获阱可以促进受激载流子在TiO2粒子内部的扩散过程,延长受激载流子的寿命,大大减少电子空穴对的表面复合,增强光催化剂的光催化活性(见图4)。
如掺杂金属离子,因为金属离子是电子的有效接收体,可捕获导带中的电子,而金属离子对电子的争夺,使得光生电子和空穴分离,减少了TiO2表面光生电子与光生空穴的复合,从而使TiO2表面在光辐射作用下产生更多的·OH,提高催化活性。但如果掺杂量过大过多的俘获阱易造成受激载流子在迁移程中的失活。

3）造成晶格缺陷,增加氧空位
金属离子进入TiO2的晶格内,取代了原来钛原子的位置,或非金属原子掺杂取代氧原子的位置,从而产生了局部晶格畸变或形成了新的氧空位,这些作用均会对晶型转变产生一定的作用。如Y3 + 、Eu3 +掺杂到TiO2 中取代晶格位置上的Ti4 + ,这样TiO2 晶格中将缺少1个电子,为了平衡电价,必然在近邻位形成氧空位,同时, Ti4 +被还原为Ti3 + 。氟掺入TiO2 后进入晶格并取代氧,产生氧空缺。氧空位和Ti3 +还原中心可以充当反应的活性位置,固体表面氧空位数量的增加将使表面光化学过程红移至可见光区。

4、膜的表面修饰

(1) 贵金属沉积在TiO2表面沉积适量的贵金属有两个作用：有利于光生电子和空穴的有效分离以及降低还原反应(质子的还原、溶解氧的还原)的超电压，从而大大提高了催化剂的活性。研究较多的为Pt的沉积，应用其它贵金属如Ag、Ir 、Au、Ru、Pd等共沉积修饰的也有报道。

(2) 过渡金属掺杂金属离子掺杂可在半导体表面引入缺陷位置或改变结晶度，既可成为电子或空穴的陷阱而延长其寿命，也可成为复合中心而加快复合过程。现在普遍认为Fe3+是很有效的掺杂离子，Litter 等对Fe3+掺杂的TiO2光催化性质作了较为详细的介绍。Choi 研究了21种金属离子对量子化TiO2粒子的掺杂效果，研究结果表明，0.1％—0.5%的Fe3+、Mo5+、Ru3+、Os3+、Re5+、V4+和Rh3+的掺杂能促进光催化反应，而Co3+及Al3+的掺杂有碍反应的进行。掺杂剂浓度对反应活性也有很大的影响，存在一个最佳浓度值。通常，低浓度是有益的，而高浓度则不利于反应的进行，但浓度太低时(低于最佳浓度)，半导体中由于缺少足够的陷阱，不能最大限度提高催化活性。此外，最近的研究表明 ，采用离子注入法对TiO2进行铬、钒等离子的掺杂，可将激发光的波长范围扩大到可见光区(移至600 nm附近)。

(3) 复合半导体复合半导体可分为半导体-绝缘体复合及半导体-半导体复合。绝缘体Al2O3、SiO2、ZrO2 等大都起载体作用。TiO2负载于适当的载体后，可获得较大的表面结构和适合的孔结构，并具有一定的机械强度，以便在各种反应床上应用。另外，载体与活性组分间相互作用也可能产生一些特殊的性质。如由于不同金属离子的配位及电负性不同而产生过剩电荷，增加半导体吸引质子或电子的能力等，从而提高了催化活性。在二元复合半导体中，两种半导体之间的能级差别能使电荷有效分离，例如：TiO2与激发波长较长的CdS复合后，当入射光能量只能使CdS发生带间跃迁但不足以使TiO2发生带间跃迁时，CdS中产生的激发电子能被传输至TiO2导带，而空穴停留于CdS价带，电子-空穴得以有效分离对于TiO2来说，由于CdS的复合，其激发波长延伸到了更大的范围，可达到可见光区。对CdS/TiO2、TiO2/CdSe、 ZnO/TiO2、TiO2/SnO2、TiO2/PbS、TiO2/WO3等体系的研究均表明，复合半导体比单个半导体具有更高的催化活性。

(4) 表面光敏化将光活性化合物化学吸附或物理吸附于光催化剂表面，从而扩大激发波长范围，增加光催化反应的效率，这一过程称为催化剂表面光敏化作用。常用的光敏化剂有赤藓红B、硫堇、Ru(byp)32+、荧光素衍生物等，这些光活性物质在可见光下有较大的激发因子，只要活性物质激发态电势比半导体导带电势更负，就可能将光生电子输送到半导体材料的导带，从而扩大激发波长范围，电荷传输过程如图所示。

图 光敏化过程中电荷的传输过程

(5) 表面螯合及衍生作用表面衍生作用及金属氧化物在表面的螯合作用也能影响光催化的活性。据报道，含硫化合物、OH-、EDTA等螯合剂能影响一些半导体的能带位置，使导带移向更负的位置。在非水溶液中氧化2-甲基苯乙烯过程中，正辛基衍生的TiO2光催化效率比Pt／TiO2体系高2.3倍。

5、膜的耦合
Gratzel型太阳能电池的半导体与电解液界面上没有过渡层, 因此反向电子转移(进入半导体导带的电子与敏化剂氧化态间的电荷复合)是限制太阳能电池效率的另一重要因素。一个简单有效的抑制反向电子转移方法, 是使其处于长距离电荷分离状态, 可通过耦合使电子与空穴相互远离, 即用两个以上具有相当能量级的耦合半导体。

四、染料敏化剂

染料分子被称为电池中的光子马达, 正是它对光子的响应才驱动了整个器件的运作。由于电子在半导体内的复合，且TiO2的禁带宽度为3。2eV，只能吸收波长小于375nm的紫外光，因此光电转换效率低。必须将TiO2表面进行敏化处理才能吸收可见光，增大对太阳光的响应，从而提高光电转换效率。这时我们就需要用到染料敏化剂。

染料敏化一般涉及三个基本过程：
1、染料吸附到半导体表面；
2、吸附态染料分子吸收光子被激发；
3、激发态染料分子将电子注人到半导体导带上。

同时敏化剂应该具有以下特点：
1、能够与TiO2表面形成牢固的化学键合；
2、在可见光区乃至红外光区有强而宽的吸收；
3、激发态寿命足够长, 且LUMO能级与TiO2导带匹配；
4、稳定性高、可逆性好。

敏化染料按其有无金属元素可分为无机染料和有机染料。无机染料一般是指金属有机络合物。其中研究最多的是钌- 多吡啶络合物。直到今天, 以N3、N719和黑染料为敏化剂的电池仍然代表着DSC的最高效率。有机染料有天然与人工之分。天然染料可以直接从植物中提取, 来源广泛, 分离提纯相对容易, 如花青素、香豆素及其衍生物等。还可以通过对这些天然染料进行修饰来提高其吸光强度和范围, 改善其稳定性。

敏化染料的进一步发展将主要面临3个方面的挑战, 即如何降低成本、提高稳定性及如何拓宽光谱响应范围。发展低成本、易制备和高稳定性的高效有机染料是染料发展的趋势。近年来, 以窄禁带无机半导体量子点作为敏化剂的QDSC(量子点敏化太阳能电池)也渐渐受到关注。目前, 效率较高的QDSC多采用CdSe量子点为无机敏化剂, 且很多工作侧重于特殊TiO2阳极形貌的设计。而采用CdS和CdSe共敏化的纳晶太阳电池转换效率已经达到4。22%, 具有很大的发展潜力。

五、电解质

电解质在DSC电池中主要起着还原染料正离子及传输电荷的作用。高效率的电解质应当具有与染料HOMO轨道相匹配的氧化还原能级和快速的空穴传导能力。目前, 最常用、最有效的电解质都含有I3-/I-电对主要得益于其优异的可逆性和动力学性能, 且复合反应较慢。但是也有缺点，如腐蚀能力强, 对可见光有一定的吸收等。
电解质从表观形态上大致可以分为液态电解质、准固态电解质(凝胶电解质)和全固态电解质。
液态电解质一般由氧化还原电对I-3/I- 、溶剂和添加剂组成。它粘度小, 离子扩散快, 对TiO2多孔膜的浸润性好和渗透能力强, 使得液态DSC电池一直保持着最高的效率。而离子液体电解质对DSC电池的长期稳定性得到了很大的改善。
除了离子液体电解质, 准固态电解质和全固态电解质的研究也越来越受到重视。一般来讲, 准固态电解质是在液体电解质中加入凝胶剂而得到的, 根据凝胶机理的不同又分为物理交联和化学交联。物理交联是交联剂之间通过氢键或范德华力形成三维网络结构而使电解液凝胶, 常用的交联剂有高聚物、有机小分子、无机纳米颗粒等。化学交联是通过前驱体之间发生化学反应而形成三维网络来凝胶液体电解质, 常用的有烯烃类单体的聚合反应和含氮杂环前驱体与卤代物之间的季胺化反应等。
总的来说, 离子液体电解质和凝胶电解质是比较有应用前景的(准)固态电解质, 因为它们表现出较高的电转换效率, 电池的稳定性也得到一定保障。当然,发展高效的全固态DSC电池是最终的目标。提高固态DSC电池效率的关键就是解决电解质在光阳极多孔膜中的填充问题, 但就目前来看, 这是一项长期而又艰巨的工作。因此, 发展固态-离子液体复合电解质体系也许是一个更为有效、可行的途径。

六、DSSCs的特点与发展前景

1、DSSCs的优势
⑴寿命长：使用寿命可达15-20年；
⑵结构简单、易于制造，生产工艺简单，易于大规模工业化生产；
⑶制备电池耗能较少，能源回收周期短；
⑷生产成本较低，仅为硅太阳能电池的1/5～1/10，预计每蜂瓦的电池的成本在10元以内；
⑸生产过程中无毒无污染。

2、DSSCs的应用前景
在硅太阳能电池中， 单晶硅太阳能电池转换效率最高， 多晶硅次之， 非晶硅最低。经过长达10a加速光老化试验的结果表明， 染料敏化太阳能电池的光电转化效率几乎不变， 且高达15%，在一定程度上优于非晶硅太阳能电池，具有广阔的应用前景。
敏化的纳米晶TiO2电极是染料敏化太阳能电池的关键部分，其性能直接关系到太阳能电池的总效率。在制备技术方面，基于传统的刮涂制膜技术和逐层沉积制备技术，由于操作的复杂性和技术掌握的难度，是光阳极制备的瓶颈问题。丝网印刷技术由于其大面积制备的可操作性，是实现未来工业化不错的手段，但同样存在技术操作复杂的缺点，同时其规模制备所需条件依然需要改进和优化。在染料敏化上，寻找低成本、性能良好的染料成为当前研究的一个热点。

3、存在的问题和发展趋势
目前， 染料敏化太阳能电池已引起全世界范围内研究者的广泛兴趣和重视， 但它的发展仍有一些制约因素， 如染料和电解质。
目前染料敏化太阳能电池研究方向主要有以下几个方面。
1） 电极的制备。 寻找简易、适于批量生产的制备工艺， 制备出性能优异的TiO2 纳米晶多孔膜； 其纳米粒子具有合适的尺寸、形状、晶体结构、表面结构和能级。
2） 染料分子的光电化学反应机理和染料的设计合成。 研究和改善分子结构， 提高电荷分离效率；通过染料的设计合成， 使染料具有更优异的吸附性能和光谱吸收范围。
3） 双敏化。 为了使敏化剂具有更好的与太阳光相匹配的吸收光谱， 人们也在探索使用双敏化剂。 两种敏化剂在可见光区有不同的吸收范围， 它们共同修饰可使TiO2 电极在可见光区的光谱吸收和光电流响应具有更宽的范围。
4） 固态空穴传输材料。 寻找合适的固态空穴传输材料来代替液态电解质， 制备全固态的染料敏化太阳能电池也是重要的研究方向。
5） 研究纳米晶多孔电极与染料间能量传递及电子转移的微观本质。

4、各组成部分的进展
光阳极材料：光敏材料敏化的半导体光阳极对该电池的性能起到至关重要的作用，成为目前研究的热点。敏化的TiO2电极是染料敏化太阳能电池的关键部分，可以说其性能直接关系到太阳能电池的总效率。

染料敏化太阳能电池中，TiO2光阳极所用的纳米晶薄膜分为致密TiO2薄层、纳米多孔结构TiO2薄膜，其中致密薄膜是早期染料敏化太阳能电池中TiO2光阳极所采用的，因其吸附染料效率低，后来少被采用，纳米多孔结构TiO2薄膜在目前染料敏化太阳能电池中TiO2光阳极采用极为广泛。
光阴极材料：阴极在染料敏化太阳能电池中也发挥着重要的作用。在实际工作中，染料敏化太阳能电池由于有电流通过阴极，产生极化现象，形成超电势，引起电势的损失，降低了电池的性能。因此，阴极的制备一般用导电玻璃片作为基体，采用不同方法镀上石墨、铂或导电聚合物等不同材料，其中镀铂的效果较好。
电解质：由于液态电解质在封装上的技术困难，人们开发了无机半导体体系的固态电解质、有机空穴传输材料和高分子电解液体系等。与液态电解质相比，固态染料敏化太阳能电池敏化剂的氧化还原电位，可以和空穴导体的工作函数更好的匹配，所以固态染料敏化太阳能电池获得的Uoc值很高，可以达到接近1V。以固态电解质取代液态电解液应用于染料敏化太阳能电池，可以提高和改善电池的长期稳定性。
敏化剂：敏化剂吸收太阳光产生光致分离，它的性能直接决定太阳电池的光电性能。新的敏化剂使吸收长波的能力增加，并且具有很高的光学横断面和吸收近红外光的能力。
按其结构中是否含有金属原子或离子，敏化剂分为有机和无机两大类。无机类敏化剂包括钌、锇类的金属多吡啶配合物、金属卟啉、金属酞菁和无机量子点等；有机敏化剂包括天然染料和合成染料。

5、技术动态
全球染料敏化太阳能电池的产业先驱者--G24 Innovations（G24i）总部位于美国加州。全球首批商用DSSC由G24i公司研发并上市，其组件可替代传统的硅太阳能电池，且成本更低，更轻便耐用，在地形和光线条件受限的地方均能适用G24i公司采用滚对滚(roll-to-roll）技术在柔性基板上流水线快速制作，而国内企业目前还没有掌握染料敏化太阳能电池生产线技术。
目前已有美国G24i公司、澳大利亚DYESOL公司、德国BOSCH公司、日本SONY公司等多个国际企业与中国长春应化DSSC研究组建立了密切合作关系，致力于使这种新型太阳电池应用于汽车、电动工具、便携电子产品等多个领域。美国G24i公司利用该成果生产的可用于日常生活的太阳电池，仅有10张A4纸重叠在一起那么厚，也像纸一样柔软，且绚丽美观，即使在普通灯光下，这种电池也能发挥作用。

6、应用产品

太阳能键盘
太阳能键盘通过键盘上的太阳能板进行充电，充电可在灯光或太阳光下进行，一次充满后可在完全黑暗环境中至少使用三个月时间（每天平均8小时）。

太阳能背包
太阳能背包是通过太阳能电池板吸收太阳能并将太阳能转变为电能，贮存在内置的蓄电池内，根据不同的接口，给各种不同的手机或电子产品进行充电或供电，适合野外没有电时的应急使用。　　
太阳能背包在外形上看起来就像一个普通的背包，但不同的是，在它的前面有一个太阳能板。这个太阳能板能吸收太阳能，并能把太阳能转换成电荷，同时它把所吸收到的电荷储存在一个发电盒中。这个发电盒就藏在背包的最里面，并和你的手机，MP3，数码相机的充电器直接相连。

七、 结语

染料敏化太阳能电池虽然引起了各国科学家的关注，但是还存在着一些制约因素，比如半导体材料表面的缺陷，能量损失，染料稳定性有待提高，液态电解质的封装问题，固态电解质的电导率低等，导致总的能量转换率低，随着人们对清洁能源的强劲需求，DSSC简单的制作工艺，较低的成本，以及潜在的优越性能，将使其成为未来太阳能电池的主导。

参考文献：
1、张理元，刘钟馨等 掺杂纳米二氧化钛研究进展
2、刘时铸等 金属掺杂二氧化钛的研究进展
3、关鲁雄、李家元、王婷等 掺杂铜和钒的纳米二氧化钦的光催化性能
4、吴遵义、姚兰英等 氮铂共掺杂纳米二氧化钦的制备及表征
5、胡芸菲、徐刚、梁宗等 二氧化钛纳米染料敏化电池研究动态
6、王孔嘉、戴松元等 染料敏化纳米薄膜太阳电池的研究进展
7、刘向阳、孙国锋、尚仲伟等 染料敏化太阳能电池的研究现状及发展趋势
8、方靖淮等 双染料共敏化的纳米晶二氧化钛多孔电极的光伏特性研究
9、林志东等 敏化T iO2 纳米晶多孔膜电极的制备与表征
10、施永明、赵高凌等 染料敏化纳米薄膜太阳能电池的研究进展
11、鲁厚芳、阎康平、涂铭旌等 影响染料敏化二氧化钛纳米晶太阳能电池的因素

24