文 献 综 述

1.1 引言

能源是现代社会发展不可或缺的基本条件，由于传统化石能源的日益紧缺，开发绿色可持续能源受到越来越多的关注。太阳能是未来解决能源危机的主要途径，与硅基太阳能电池相比，染料敏化太阳能电池成本更低，工艺简单，是很有发展的太阳能电池。静电纺丝法制备太阳能电池设备简单，可控性强，对半导体薄膜的改性容易，是很有前景的制备染料敏化太阳能电池的途径之一。

1.2 太阳能电池分类

太阳能电池发展至今，从技术上大致分为三代：第一代太阳能电池指硅基太阳能电池，包括单晶硅、多晶硅、非晶硅太阳能电池；第二代太阳能电池指以无机多元化合物或功能高分子材料代替硅基材料的太阳能电池，包括砷化镓、硫化镉、碲化镉、铜铟硒等多种无机物薄膜太阳能电池和聚合物多层修饰电极太阳能电池；第三代太阳能电池纳米晶太阳能电池，量子点敏化太阳能电池是纳米晶太阳能电池其中的一类，开始研究者是用染料作为纳米晶体敏化太阳能电池的光敏剂即染料敏化太阳能电池，目前效率最高的染料为钌配合物，但钌属于稀有金属，其制备成本高，使得染料的成本降低受到限制。1982年Nozik等人^[1]首次提出将量子点用于太阳能电池，并从理论上证明了量子点可产生高效率的多重激发。

1.2.1 量子点敏化太阳能电池结构

量子点敏化纳米晶太阳能电池主要是由吸附了量子点的纳米晶薄膜光阳极、镀有催化剂薄膜的反电极和夹在中间的氧化-还原电解质组成，其结构如图1-2所示：包括起导电作用的两层导电玻璃，在光电转化过程中起主要作用的量子点的多孔二氧化钛薄膜，起催化作用的反电极薄膜以及起离子传输作用的电解质。

图2-1 量子点敏化太阳能电池结构图^[2]

1.2.2 量子点敏化太阳能电池的工作原理

电池中量子点吸收光能发生激发，产生大量的电子-空穴对，量子点将电子注入半导体薄膜的导带中，电子在半导体薄膜中快速的传输，瞬间便到达半导体与基底导电面的接触面，从而进入外电路，再经过负载后到达太阳能电池的反电极。电解质吸收量子点产生的空穴使量子点得到还原再生，被氧化的电解质离子扩散到反电极，在催化剂的作用下得到电子再生，从而完成整个电子传递的主链。

1.3 静电纺丝原理

静电纺丝简称电纺，是一种简单有效并可直接从聚合物或复合材料制备连续超细纤维的方法，其制备的纤维直径在几十纳米到几个微米的范围内^[3]。电纺技术的设备和实验成本较低，它制备的超细纤维膜比表面积大，并且适用于许多不同种类的材料。其装置示意图如图2所示，主要由3部分组成：高压电源、喷丝头和纤维收集装置^[4]。电纺的原理是给聚合物溶液或熔体加上几千至几万伏的高压，在高电压产生的电场力作用下，喷丝头处的纺丝液或熔体表面将聚集电荷，由于同种电荷相互排斥，纺丝溶液或者熔体表面受到了一个与溶液或熔体表面张力相反的静电场力，而随电场力的增大，呈半球状的液滴被拉长为锥状，形成 ”泰勒(Talorcone)”^[5]，当外加电压达到临界值时，聚合物溶液或者熔体所受静电场力会克服液滴的表面张力，使液滴形成一股不稳定的朝接地电极延伸的喷射细流，喷射细流在几十毫秒内被牵伸千万倍，沿着螺旋轨迹弯曲运动即”鞭动”，在喷射细流朝向接收装置运动的过程中，随着溶液中溶剂不断挥发或熔体逐渐固化，最终在接收装置上沉积，形成类似非织造布的纤维薄膜。

图3-1静电纺丝装置示意图

电纺技术制备的纳米纤维膜表面积大和孔隙率高，从而利于吸附更多的染料和电解质的注入，并且纤维状的形态更利于电子的传输，减少了电子与空位的复合几率。此外，电纺技术还具有制备工艺简单、成本低、易规模化生产等优点，因此近几年电纺技术在染料敏化电极(DSSC)的应用受到了越来越多的关注。

1.3.1 电纺准一维TiO₂纳米纤维光阳极薄膜

相较于颗粒膜^[6]光阳极，准一维的纳米纤维材料构成的光阳极具有更大的电子扩散系数，电子与空位的复合几率更低，纤维状的形貌更适合光电领域。电纺制得的TiO₂纳米纤维实际上是由直径约20 nm的小纤维组成的纤维束^[7](如图3)。