文献综述

自工业革命以来，人们对能源的需求日益增加。目前，能源消耗主要来自于不可再生的化石燃料，由此引发的能源危机和环境恶化成为人类亟待解决的首要问题。为实现可持续发展，太阳能电池作为取之不尽的洁净能源而备受关注。

1.1 光伏电池的发展

自1954年世界上第一块实用单晶硅太阳能电池在美国贝尔实验室诞生以来，各国投入了大量的人力物力致力于该领域的研究。20世纪70年代，用于航天飞机的硅太阳能电池光电转换效率已经超过25%，但是其昂贵的成本和复杂的制备工艺限制了其大规模的实用。为此，人们积极寻找更加低成本的光电转换器件，即此，第二代太阳能电池应运而生，例如砷化镓（GaAs），碲化镉（CdTe）以及铜铟镓锡（CuInGaSe）薄膜太阳能电池等，然而相应的剧毒以及对环境的污染问题也相应而生。基于纳米技术发展起来的染料敏化太阳电池，以其低成本和加工制造过程中的低能耗，备受国内外的广泛关注和研究。

1.2 染料敏化太阳电池

染料敏化太阳能电池（dye-sensitized solar cell，缩写为DSSC、DSC或DYSC），是一种模仿光合作用原理的、廉价的薄膜太阳能电池。它是基于由光敏电极和电解质构成的半导体，是一个电气化学系统。它可以用低廉的材料制成，不需要用精细的仪器制造，其制造过程比以前的电晶体电池更便宜。它可以被制成软片，机械强度大，不需要特别保护来防止树枝的撞击及冰雹。虽然它的能量转换效率比最好的薄膜电池低，但理论上它们的性能比已足够高，在完成市电平价的情况下可以与化石燃料相提并论。

染料敏化太阳电池有原材料丰富、成本低、工艺技术相对简单等优势，在大面积工业化生产中具有较大优势，同时所有原材料和生产工艺都无毒、无污染，部分材料可以得到充分的回收，对保护人类环境具有重要意义。自1991年瑞士洛桑高工M. Gratzel教授领导的研究小组在该技术上取得突破以来，在AM1.5下光电转换效率达到7.1%，欧、美、日等发达国家和地区投入了大量资金进行研发。随后出现的”红染料”和”黑染料”将其效能推向了10%。其后，对钌染料的研究占据了很大的一部分，而相对于钌染料，纯的有机染料又更好的体现出了低成本，无毒性的优势。目前，染料敏化电池的最大转化效率已经超过了12%。

1.2.1 无机染料

与有机染料相比，无机金属配合物染料具有较高的热稳定性和化学稳定性。金属配合物敏化剂通常含有吸附配体和辅助配体。吸附配体能使染料吸附在TiO2表面，同时作为发色基团。辅助配体并不直接吸附在纳米半导体表面，其作用是调节配合物的总体性能。目前应用前景最为看好的是多吡啶钌配合物类染料敏化剂。多吡啶染料具有很高的化学稳定性，突出的氧化还原性质和良好的可见光谱响应特性。多吡啶钌染料按其结构分为羧酸多吡啶钌、膦酸多吡啶钌、多核联吡啶钌三类。羧酸多吡啶钌的吸附基团羧基是平面结构，电子可以迅速地注入到TiO2导带。这类染料是目前应用最为广泛的染料敏化剂，目前开发的高效染料敏化剂多为此类染料。在此类染料中，以N3、N719和黑染料为代表，保持着DSC的最高效率。

1.2.2 有机染料敏化剂

纯有机类染料的种类繁多，成本较低，吸光系数高，便于进行结构设计。近年来，基于纯有机染料的DSC发展较快，其光电转换效率已经与基于多吡啶类的染料相当。有机染料敏化剂一般具有”给体（D）-共轭桥（）-受体（A）结构”。借助电子给体和受体的推拉电子作用，使得染料的可见吸收峰向长波方向移动，有效地利用红光和近红外光，以提高DSC的短路光电流。取得成功较好的有日本的D系列、NKX系列以及韩国的JK系列。

1.3 染料敏化太阳电池结构

染料敏化太阳能电池的结构为”三明治”式，主要由纳米多孔半导体薄膜、染料敏化剂、氧化还原电解质、对电极和导电基底等几部分组成。负极，即纳米多孔半导体薄膜通常为金属氧化物，最常用的是纳米晶TiO2，其他的金属氧化物，礼物ZnO、SnO2、Nb2O5等也被用于广泛地研究。对电极作为还原催化剂，通常在带有透明导电膜的玻璃FTO上镀上铂。敏化染料剂则吸附在多孔二氧化钛薄膜上。在正负电极之间填充的是具有氧化还原电对的电解质，最常用的氧化还原电对是/，目前，电解质有液态、准固态和固态三种。

1.4 染料敏化太阳电池工作原理

染料敏化太阳电池的工作过程可以分为以下几个部分：

（1）在入射光照射条件下，染料分子由基态（S）跃迁到激发态（S*）：

（2）若染料分子的激发态能级高于二氧化钛的导带低能级，且二者能级匹配，那么处于激发态的染料就会将电子注入到二氧化钛导带中，同时自身转化为氧化态形式（S ）：