王海亮

摘 要：太阳能是一种最具潜力成为将来人们使用的能源，而太阳能电池正是实现这一梦想的有效手段，其价格便宜、制作简单、污染较少是其他电池无可比拟的。而解决DSC电池电解质、电极材料、光敏染料等技术核心问题依然需要我们化学工作者为之付出孜孜不倦的努力，将清洁的、高效的、方便的能源带到千家万户是我们共同的理想，也是新世纪全面、协调、可持续发展的必然结果！

關键词：染料敏化；结构；原理；因素；优势

1 染料敏化太阳能电池（DSSC）的结构与原理

1.1结构

DSSC的结构是典型的“三明治”结构，光敏染料太阳能电池的构造和原理，一般是由光阳极、敏化染料、氧化还原电解质以及对电极（通常为铂电极）组成。其中光阳极包括：透明导电基底（这里为导电玻璃）、纳米多孔半导体。

1.2工作原理

当太阳光照射在染料敏化太阳能电池上，染料分子中基态电子被激发，激发态染料分子将电子注入到纳米多孔半导体的导带中，注入到导带中的电子迅速富集到导电玻璃面上，传向外电路，并终回到对电极上。而由于染料的氧化还原电 位高于氧化还原电解质电对的电位，这时处于氧化态的染料分子随即被还原态的电解质还原。然后氧化态的电解质扩散到对电极.上得到电子再生，如此循环，即产生电流。电池的大电压由氧化物半导体的费米能级和氧化还原电解质电对的电位决定。

2 影响染料敏化太阳能电池转换效率的因素

2.1敏化染料

敏化染料直接影响到对光子的吸收和整个电池的光电转化效率，因此敏化染料应该具有以下条件：（l）与TiO2纳米晶半导体电极表面有良好的结合性能，能够快速达到吸附平衡，而且不易脱落；（2）在可见光区有较强的、尽可能宽的吸收带以吸收更多的太阳光，可以捕获多的能量，提高光电转换效率；（3）染料的氧化态和激发态的稳定性较高，且具有尽可能高的可逆转换能力；（4）激发态寿命足够长，且具有很高的电荷传输效率；（5）有适当的氧化还原电势以保证染料激发态电子注入到TiO2导带中；（6）敏化染料分子应含有大二键、高度共扼、并且有强的给电子基团。

2.2 TiO2纳米多孔膜

TiO2纳米多孔膜具有孔隙率高，比表面积大的优点，应用于DSC，一方面可吸收更多的染料分子；另一方面薄膜内部晶粒间的互相多次反射，使太阳光的吸收加强。纳米TiO2电极是太阳能电池的关键，其性能直接关系到太阳能电池的效率。此外，TiO2膜晶粒的大小和有序程度，对电池的性能也有很大影响。

2.3电解质

DSC电解质对整个电池的性能有很大影响，电解质的关键作用是将电子传翰给光氧化染料分子，并将空穴传翰到对电极。液态电解质是透明的液体，不会阻碍染料对光的吸收，而且能完全覆盖涂有染料的纳米多孔TiO2膜，充分利用了纳米膜的高比表面，有利于电荷的传输，但也存在一些缺点：（1）液态电解质的存在易导致吸附在TiO2薄膜表面的染料解吸，影响电池的稳定性；（2）溶剂会挥发，可能与敏化染料作用导致染料发生光降解；（3）密封工艺复杂，密封剂也可能与电解质反应，因此所制得的太阳能电池不能存放很久，一般不超过7d；（4）电解质本身不稳定，易发生化学变化，从而导致太阳能电池失效。因此要使DSC走向实用，须首先解决电解质问题.固体电解质是解决上述问题的有效途径之一。

3 DSC太阳能电池存在的优势

DSC与传统的太阳电池相比有以下一些优势：⑴寿命长：使用寿命可达15-20年；⑵结构简单、易于制造，生产工艺简单，易于大规模工业化生产；⑶制备电池耗能较少，能源回收周期短；⑷生产成本较低，仅为硅太阳能电池的1/5～1/10，预计每蜂瓦的电池的成本在10元以内。⑸生产过程中无毒无污染；经过短短十几年时间，染料敏化太阳电池研究在染料、电极、电解质等各方面取得了很大进展。同时在高效率、稳定性、耐久性、等方面还有很大的发展空间。但真正使之走向产业化，服务于人类，还需要全世界各国科研工作者的共同努力。这一新型太阳电池有着比硅电池更为广泛的用途：如可用塑料或金属薄板使之轻量化，薄膜化；可使用各种色彩鲜艳的染料使之多彩化；另外，还可设计成各种形状的太阳能电池使之多样化。总之染料敏化纳米晶太阳能电池有着十分广阔的产业化前景，是具有相当广泛应用前景的新型太阳电池。相信在不久的将来，染料敏化太阳电池将会走进我们的生活。

4 国内对于染料敏太阳能电池的未来研究趋势

目前针对染料敏化太阳能电池的研究还处于进步阶段，虽然有了一定的成果，但离成熟还距离很远。北京大学稀土材料化学实验室的多位专家在对染料的研究已经相当深入，对电极材料的优化也有很好的效果。另外，中科院孟波等人对染料敏化太阳能电池组件以及封装技术都进行了系统化的研究，为染料敏化太阳能电池产业化发展提供了基础保障。在未来一个阶段，针对纳米TiO2的制备与敏化染料的研究将会进一步深入，在固态电解质方面，研究其代替液态电解质将是今后的研究重点，固态将是未来的趋势，适应社会的不断发展，同时它也是染料敏化太阳能电池实用化的前提条件。最后，需要对电子的导入与传输的内部运转进行深入研究，通过一定的方法使得电池进一步优化，设计出更有利于光吸收的太阳能电池，实现实用化与产业化。

5 结语

染料敏化太阳能电池是一种新型的太阳能电池，由于其制作工艺简单，制造成本低廉，有着广泛的应用前景，是太阳能电池的重要发展方向。

参考文献

[1]梅翠玉，王小平，王丽军，等.染料敏化太阳能电池的研究进展[J].材料导报，2011（13）：148-152.

[2]孙旭辉，包塔娜，张凌云，等.染料敏化太阳能电池的研究进展[J].化工进展，2012（1）：47-52，111.

[3]胡滨，刘国军，张桂霞，等.染料敏化太阳能电池中电解质的研究进展[J].化工新型材料，2009（9）：14-17.

（作者单位：英利能源（中国）有限公司）