李定海

武汉工业学院 电气与电子工程学院,武汉

有关天然染料敏化纳米晶太阳能电池的探究

李定海

武汉工业学院 电气与电子工程学院,武汉

文章以天然染料敏化纳米晶太阳能电池为研究对象，从染料敏化电池原理以及天然染料敏化纳米晶太阳能电池制备中的关键问题分析这两个方面入手，围绕这一中心问题展开了较为详细的分析与阐述，并据此论证了天然染料在提高染料敏化纳米晶太阳能电池运行质量与运行效率过程中所发挥的重要作用与意义。

天然染料；太阳能电池；制备；应用；分析

引言

我们必须明确一个方面的问题：在地球矿物资源不断减少，各行业领域对能源需求持续增加的背景作用之下，有关太阳能电池的研究开始受到整个社会的特别关注与重视。现阶段应用较为广泛的单晶硅、多晶硅以及非晶硅类型太阳能电池尽管制备技术较为成熟，但因其制造价格较高，此类太阳能电池的制备及其应用有着一定的局限性。为此，人们开始针对新型染料敏化纳米晶太阳能电池制备及其应用展开了深入研究，与之相对应的天然染料也日益广受关注。文章试针对以上问题做详细分析与说明。

1 染料敏化电池原理分析

从染料敏化电池的运行原理角度上来说，其属于一种由吸附染料纳米晶半导体多孔薄膜、电解质溶液（电解质溶液当中含有氧化—还原组队）以及对电极（对电极制备材料主要为镀铂或是石墨）所构成的夹心式电池。在太阳光照射充分的反应环境作用下，敏化剂分子将得到较为充分的激发反应，进而将电子注入半导体纳米粒子导带。受到此反应因素影响，电子在导带基底上发生富集反应，以外电路为载体流向对电机位置。在此基础之上，失去电子后的敏化剂能够借助于电解质发生还原反应进而返回机台，与此同时，处于氧化态表现形式的电解质同样能够在对电机位置发生电子被还原反应。整个过程并没有净的化学变化伴随产生，制备优势较为显著。

2 天然染料敏化纳米晶太阳能电池制备中的关键问题分析

2.1 在电极面积参数出现增大的情况下，受到电流参数瞬时性加大这一问题的影响，电子在整个纳米晶网络系统传输过程当中与电子受体所发生的复合反应会较为显著，与此同时，由此种复合反应所导致的整个纳米晶网络电流损失问题是极为突出的。更为关键的一点在于：染料分子电子受到激跃迁影响并转变为激发态，处于激发态状态下的电子由此势必会在半导体导带的注入过程当中发生同等趋势的电子负荷反应。换句话来说，半导体导带所注入的电子能够在充分注入的状态下与半导体下处于氧化态状态的染料分子以及电解质当中大量存在的电子同时产生显著的受体反应。这最终将导致染料敏化太阳能电池在运行状态下下所产生光电流强度受到复合反应影响而出现明显削弱问题。从这一角度上来说，以叶绿素为代表的天然染料能够有效解决这一问题。在叶绿素a吸附至TiO2电极表面的过程当中，叶绿素a能够以多聚体的形式存在。在此种反应过程当中，其紫外可见光区吸收峰将呈现出较为显著的红移性趋势。经测定：在波长参数为670nm情况下，叶绿素a单色光电转化效率表现为3.5%。从这一角度上来说，相关研究学者针对叶绿素a进行了化学改性处理，重点实现了S-Au键与金纳米粒子之间的有效连接，此种化学改性处理方式能够形成独立自组的单层结构。从实践数据角度上来说，改性处理之后的叶绿素a在420nm以及675nm波长参数位置同样表现出了较为显著的吸收峰特性。

与此同时，考虑到晶型的完整性程度同样会对电荷负荷中心复合反应的多少造成一定的影响，未避免太阳能电池在后期应用过程当中出现较多的电荷复合中心，应当尽量删选掉不完整、较小以及缺陷较为明显的晶体，在此基础之上利用金纳米粒子发挥其对于叶绿素分子结构的修饰特性，进而对电池性质产生相应的影响。发挥金纳米粒子在应用于叶绿素分子结构修饰的过程当中充当着纳米半导体与染料分子之间的连接载体的性能，它使得叶绿素分子当中大量的激发电子能够高质量的向半导体纳米粒子进行转移，以此种方式确保纳米晶及太阳能制备性能的有效性。

2.2 在敏化纳米晶太阳能电池的实践运行过程当中，针对电极进行一定的化学处理还能够达到提高太阳能电池光电性能的关键目的。在处理过程当中有以下几个方面的问题需要特别重视：首先，化学处理应当以改善电极表面运行状态为基础，最大限度的优化纳晶多孔网络微结构下的电子传输与扩散性能；其次，针对太阳能电池薄膜表面运行状态予以改善，改善的关键在于确保薄膜能够更好的适应电子的传输与扩散需求；最后，化学处理还应当以提高电极表面态密度予以有效改善。

基于以上三个方面的需求，借助于类胡萝卜素这种天然染料能够发挥以下三个方面的优势：

①类胡萝卜素作为天线分子发挥对太阳光的吸收作用，在此过程当中将单重态能量传递至叶绿素分子结构当中；

②类胡萝卜素在强光条件下淬灭叶绿素的荧光能够直接与反应中心发生电子转移反应；

③类胡萝卜素作为光保护色素实现对三重态叶绿素过剩能量的传递作业。通过现阶段相关工作人员对此类化合物元素在敏化纳米晶太阳能电池制备过程当中的实践数据不难得之：类胡萝卜素在太阳能电池制备过程中的重点应当关注与对共敏化性能的研究作业。

3 结语

在国民经济建设各行业领域持续发展的背景作用之下，在现代经济社会发展与生态环境可持续发展兼顾的推动作用之下，矿物资源有限性与能源需求持续发展之间的矛盾日益加剧，新型太阳能制备问题开始受到社会大众的广泛关注与重视。总而言之，文章针对有关天然染料敏化纳米晶太阳能电池及其应用相关问题做出了简要分析与说明，希望能够为今后相关研究与实践工作的开展提供一定的参考与帮助。

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10.3969/j.issn.1001-8972.2012.20.062

AbstractBased on the natural dye sensitized nanocrystalline solar cell as the research object, from the dye sensitized solar cell and the principle of natural dye sensitized nanocrystalline solar cell preparation analysis of key problems in these two aspects, around this one center issues a detailed analysis and elaboration, and accordingly the proved natural dyes in improving dye sensitized nanocrystalline solar cell operating quality and operating efficiency of the important role and significance.

Keywords

natural dye；sensitized solar cell；preparation；application analysis