摘要：該文簡要介紹了染料敏化納米晶體光電化學(xué)太陽能電池（簡稱NPC電池）的發(fā)展歷程、組成結(jié)構(gòu)、工作原理和性能特點，并著重對納米晶體光電化學(xué)太陽能電池染料敏化劑的技術(shù)特性和研究態(tài)勢進行了探討。在此基礎(chǔ)上，提出了一些值得深入研究的問題，并分析了其解決對策。關(guān)鍵詞：納米晶體；太陽能電池；染料敏化劑　　光電化學(xué)太陽能電池是根據(jù)光生伏特原理，將太陽能直接轉(zhuǎn)換成電能的一種半導(dǎo)體光電器件，是伴隨著半導(dǎo)體電化學(xué)發(fā)展起來的一個嶄新的科學(xué)研究領(lǐng)域。從1839年Becquerel發(fā)現(xiàn)氧化銅或鹵化銀涂在金屬電極上會產(chǎn)生光電現(xiàn)象以來，光電化學(xué)研究倍受關(guān)注。20世紀60年代，德國Tributsch發(fā)現(xiàn)染料吸附在半導(dǎo)體上并在一定條件下產(chǎn)生電流的機理，成為光電化學(xué)電池的重要基礎(chǔ)。1971年Hond''s和Fujishima用TiO2電極光電解水獲得成功，這才開始了具有實際意義的光電化學(xué)電池的研究。在光電池研究中，大多數(shù)染料敏化劑的光電轉(zhuǎn)換效率比較低（<1％），直到最近的幾項突破性研究才使染料敏化光電池的光電能量轉(zhuǎn)換率有了很大提高。1991年，以瑞士洛桑高等工業(yè)學(xué)院M.Gratzel教授為首的研究小組采用高比表面積的納米多孔TiO2膜作半導(dǎo)體電極，以過渡金屬Ru以及Os等有機化合物作染料，并選用適當(dāng)?shù)难趸€原電解質(zhì)研制出一種納米晶體光電化學(xué)太陽能電池（NanocrystallinePhotoelectrochemicalCells，簡稱NPC電池）。　　這種電池的出現(xiàn)為光電化學(xué)電池的發(fā)展帶來了革命性的創(chuàng)新，其光電能量轉(zhuǎn)換率（light-to-electricenergyconversionyield）在AM1.5模擬日光照射下可達7.1，入射光子-電流轉(zhuǎn)換效率（incidentmonochromaticphoton-to-currentconversionefficiency，IPCE）大于80％。此后，半導(dǎo)體光電化學(xué)電池再次成為研究熱點。1993年，Gratzel等人再次報道了光電能量轉(zhuǎn)換率達10％的染料敏化納米太陽能電池，1997年其轉(zhuǎn)換效率達到了10～11％，短路電流為18×10-3A/cm2，開路電壓為720mV。　　Gratzel研究小組首先使用聯(lián)吡啶釕-TiO2體系使得光電轉(zhuǎn)換率達10％。雖然它具備穩(wěn)定性好、激發(fā)態(tài)反應(yīng)活性高、激發(fā)態(tài)壽命長等優(yōu)點，但在近紅外區(qū)的吸收很弱，其譜吸收光譜與太陽光譜還不能很好地匹配。因此，尋找新的染料敏化體系，使其吸收范圍擴展至近紅外區(qū)，以盡可能地利用太陽光能仍是研究方向之一。NPC電池的組成結(jié)構(gòu)、工作原理及性能特點　　NPC電池主要由透明導(dǎo)電基片、多孔納米晶二氧化鈦薄膜、染料光敏化劑、電解質(zhì)溶液（含超敏化劑）和透明電極組成，如其工作原理是，染料分子吸收太陽光能后躍遷到激發(fā)態(tài)，但激發(fā)態(tài)不穩(wěn)定，電子快速注入到緊鄰的TiO2導(dǎo)帶，染料中失去的電子則很快從電解質(zhì)中得到補償，進入TiO2導(dǎo)帶中的電子最終進入導(dǎo)電膜，然后通過外回路產(chǎn)生光電流。　　一般用來評價太陽電池的指標有，光電轉(zhuǎn)換效率IPCE、短路電流Isc、開路電壓Voc等。在這里我們主要用光電轉(zhuǎn)換效率IPCE來衡量太陽能電池的優(yōu)劣。　　研究表明，只有緊密吸附在半導(dǎo)體表面的單層染料分子才能產(chǎn)生有效的敏化效率，而多層染料會阻礙電子的傳輸。然而，在一個平滑、致密的半導(dǎo)體表面，單層染料分子僅能得到1％的入射光。因此，染料不能有效地射光是造成以往太陽能電池光電轉(zhuǎn)換效率較低的一個重要原因。光敏染料分子附在半導(dǎo)體TiO2表面，將提高光電陽極吸收太陽光的能力，被TiO2表面吸附的染料分子越多，則光吸收效率越高。　　對于入射單色光的光電轉(zhuǎn)換效率IPCE可定義為：IPCE=（1.25×103×光電流密度）/（波長×光通量）=LHE（λ）Фinjηc（1）　　式中：LHE（λ）為光吸收率；Фinj為注入電子的量子產(chǎn)率；ηc為電荷分離率。光吸收效率可進一步寫成：LHE（λ）=1-10rδ(λ)　　式中：T為每平方厘米膜表面覆蓋染料的摩爾數(shù)；δ(λ)為染料吸收截面積。　　從式中可以看出，TiO2膜的比表面積越大，吸附的染料分子越多，光吸收效率就越高。所以，TiO2膜被制成海綿狀的納米多孔膜。　　注入電子的量子產(chǎn)率為：　　Фinj=Kinj/(τ-1 Kinj)（2）　　式中：Kinj為注入電子的速率常數(shù)；τ為激發(fā)態(tài)壽命。可見電子注入速率常數(shù)越高，激發(fā)態(tài)壽命越長，則量子產(chǎn)率越大。從試驗測得RuL2(H2O)2(L=2,2''-bipyridy-4,4''-dicarboxylate)的r=590ns，Kinj>1.4×1011s-1，Фinj>99.9，由此可知，敏化劑上產(chǎn)生的光生電子幾乎全部傳遞到了TiO2的導(dǎo)帶上，獲得了較高的量子產(chǎn)率。　　ηc為電荷分離率，即注入到TiO2導(dǎo)帶中的電子有可能與膜內(nèi)的雜質(zhì)復(fù)合或以其他方式消耗：(1)激發(fā)態(tài)的染料分子與TiO2導(dǎo)帶中的電子重新復(fù)合；(2)電解液中的I3-在光陽極上就被TiO2導(dǎo)帶中的電子還原；(3)所激發(fā)的染料分子直接與表面敏化劑分子復(fù)合。　　在整個過程中，各反應(yīng)物總狀態(tài)不變，只是光能轉(zhuǎn)化為電能。電池的開路電壓(Voc)取決于二氧化鈦的費米能級(Efermi)TiO2和電解質(zhì)中氧化還原電勢的能斯特電勢差(ER/R-)，用公式可表示為Voc=1/q[Efermi)TiO2-ER/R-]，其中q為完成一個氧化還原過程所需電子數(shù)。染料光敏化劑必備的要素及其研發(fā)動向。[1][2]下一頁相關(guān)文章·利用太陽能的被動蒸發(fā)冷卻技術(shù)2006-4-119:54:00·集群式太陽能供熱制冷裝置的研究及應(yīng)用2006-4-119:51:00·太陽能相變貯能的研究應(yīng)用2006-3-3010:04:00·廣東推廣太陽能在建筑上的應(yīng)用措施探討2006-3-611:50:00·八面玲瓏展威風(fēng)”對我國太陽能光電成本降低的巨大影響2006-2-1315:03:00·智能型太陽能控制器的研制2005-3-2816:47:00·太陽能何時走進千萬家2005-2-1616:47:00·太陽能熱水器與建筑一體化淺談2005-1-2816:47:00·需要國家鼓勵：太陽能發(fā)展呼喚明確價格政策2005-1-2816:47:00·太陽能與建筑一體化在我國進行推廣的幾點思考2005-1-2616:47:00