染料敏化电池电极材料的制备及性能文献综述
2020-06-08 21:15:05
1.研究背景
在能源危机日益加深的今天，由于化石能源的不可再生；氢能利用中的储氢材料问题依然没有解决；风能、核能利用难以大面积推广；太阳能作为另一种可再生清洁能源足以引起人们的重视。利用太阳能，已经是各相关学科一个很重要的方向。
1991年之前，人们对太阳能的利用停留在利用半导体硅材料太阳能电池[1]上，这种太阳能电池虽然已经达到了超过15%的转化效率，但是它的光电转化机理要求材料达到高纯度且无晶体缺陷，再加之硅的生产价格居高，这种电池在生产应用上遇到了阻力。
1991年，瑞士的Gratzel教授小组做出了染料敏化太阳能电池[2]，他们的电池基于光合作用原理，以羧酸联吡啶钌配合物为敏化染料，以二氧化钛纳米薄膜为电极，利用二氧化钛材料的宽禁带特点，使得吸收太阳光激发电子的区域和传递电荷的区域分开，从而得到了7.1%的高光电转换效率[3]，这种电池目前达到最高的转换效率是10.4%[4]。TiO2球具有大表面积的高度多孔结构，而TiO2棒是单晶体，表现出优异的电子转移和光散射能力。产物材料用于形成掺入染料敏化太阳能电池(DSSC)中的双层结构的光阳极。由于这种电池工艺简单，成本低廉（约为硅电池的1/5~1/10）[5]，并且可选用柔质基材而使得应用范围更广，最重要的是，它具备稳定的性质，有高光电转换效率，这无疑给太阳能电池的发展带来了巨大的变革[6]。
2.研究进展
1991年Gratzel教授以纳米多孔TiO2 为半导体电极，Ru络合物作为敏化染料，选用I-/I3-氧化还原电解质，制作了一种新型的TiO2纳米晶DSSC，在AM 1.5，100 mW#183;cm-2 的照射条件下，得到了7.1％的能量转换效率。常规的颗粒状TiO2多孔膜可以提供大的内表面积，使染料分子的吸收最大化，从而产生高的太阳能转换效率。然而，这种TiO2颗粒光电阳极通常显示出不足的光收集能力，特别是在太阳光谱的较长波长处，并且由于颗粒的小尺寸和大量的晶界，导致较低的电子传输系数，这也是限制DSSCs的太阳能转换效率的重要因素。这促进了对具有受控形态的DSSC构造光阳极的许多研究，以改善入射光吸收，电子传输性质，并因此改善总的太阳能转换效率。
1997年又将该电池的能量转换效率提高到10％-11％，短路电流达18 mA#183;cm-2，开路电压达到720mV2。DSSC的成本为硅太阳能电池的1/5-1/10，其低成本、制作工艺相对简单的优势赢得了广泛的关注。
近来，根据诸如TiO2粒子和中空球的纳米颗粒聚集体，开发出了很多新型材料。由于其特定的结构特征 #8212;#8212; 纳米尺寸的微晶被组装成具有通常在亚微米区域中的直径的团聚体 #8212;#8212; 这些材料具有大的表面积和高的光散射能力。[11-13] 尽管由于增加的光散射，发现太阳能到能量的转化效率增加，但是这种光阳极仍然由于其低的电子传输能力而受到影响，因为它们的颗粒堆叠形成了大量的晶界。通过控制水解和水热过程的组合路线控制TiO2晶体的简易制备。已经成功地获得了TiO2纳米棒和球体，而没有添加任何表面活性剂或聚合物。表征获得的TiO2球体由大量具有高表面积的TiO2纳米颗粒组成；而TiO2纳米棒是具有纯锐钛矿相的单晶性质并且具有高电子传输系数和优异的光散射能力。要结合二氧化钛球和杆的优异性能，双层结构的TiO2构建并用作DSSC中的光阳极。得到的总太阳能转换效率达到 = 9.23％，与来自TiO2球（ = 7.92％）和P25（ = 6.52％）的DSSC相比，效率提高了16％和42％。
