郝安林

（安阳工学院，河南 安阳 455000）

第三代染料敏化太阳能电池（DSSC）由于其生产简单，原料丰富，无污染、成本低等特点受到人们的广泛关注，也成为科技人员研究的热点。染料敏化太阳能电池主要由光阳极、对电极、电解质、敏化染料等组成。目前，染料敏化太阳能电池的光电转换效率还达不到人们的期望值，离其理论转换效率还有较大差距，因此，人们对提高染料敏化太阳能电池的光电转换效率从各方面展开了研究。

1光阳极

光阳极是染料敏化太阳能电池非常重要的组成部分，其对太阳能电池的光电转换效率了不可替代的重要作用，作为染料敏化太阳能电池光阳极的材料主要有TiO2、ZnO、SnO2、Cu2O等，很多科研工作者对提高光阳极的转换效率展开了研究，光阳极主要通过溶胶—凝胶法、溶液生长法、水热法、化学浴沉积法、电沉积方法、真空镀膜、等方法制备，为获得较大的比表面积，增加对染料吸附，提高对光捕获能力，人们通过制备不同表面和空间形态的纳米粒、纳米棒、纳米管、纳米线、纳米花等并将不同的微结构复合[1-10]，或者从界面修饰、纳米结构调控、离子掺杂[11-14]以及不同材料复合[15-19]等方法获得较大的比表面积，增加对染料吸附，提高对光捕获能力，提高染料敏化太阳能电池的光电转换效率。

李海超[1]对不同形态的TiO2作为光阳极材料的DSSC研究得出水热法制备的TiO2纳米粉体作为光阳极并在表面添加大颗粒散射层时，电池的光电转化效率达7.56%，表面修饰使光电转化效率达到7.16%。刘正浩[4]等研究了不同退火温度对热分解制备多孔ZnO纳米晶的形貌和晶化结构的影响以及光吸收和光电转化性能，研究结果表明退火温度升高比表面积降低，孔容降低，界面电阻增大，纳米ZnO光阳极在300℃退火表现出较佳的光电性能。林丽萍[6]对不同形貌（菜花状、红花状、龙船花状、纳米颗粒）的ZnO材料作为光阳极材料的光电性能进行了研究，发现在此几种形貌的ZnO材料中菜花状更适合做光阳极材料。康小辉[7]以两步法生长的ZnO纳米线作为底层，以直接沉淀法制备的ZnO纳米片组装的分级结构微球作为中间层（S-ZnO HMSs），以水热法制备的ZnO纳米片组装的分级结构微球为上层（L-ZnO HMSs），构成三层ZnO光阳极结构，用其组装成的染料敏化太阳能电池获得了3.21%光电转换效率。王艳香[10]等研究了固相研磨法制备了ZnO光阳极中水的用量、反应温度和锻烧温度等对ZnO光阳极和DSSC电池性能的影响，得出在水和氢氧化钠的质量比为1∶1、反应温度为75℃，光阳极锻烧温度450℃时所制备的电池性能最佳，其光电转化效率为5.51%。

李晶[11]用沉淀法制备Al3+掺杂ZnO纳米粒，超声辅助沉淀法制备了Al3+ZnO杂ZnO纳米片、醇热回流法制备Al3+ZnO杂ZnO纳米球，研究生长条件及Al3+渗杂改性种子层对所制备的ZnO纳米棒和电池性能的影响；通过在种子层中ZnO入不同比例的Al3+，得出当种子层浓度为0.1M且掺杂9at%Al3+,生长液浓度为0.04M，纳米棒长度为5μm时DSSC的光电性能最好，光电转换效率1.07%；多次重复浸溃种子层工艺，制备出ZnO纳米棒和ZnO纳米粒的复合结构光阳极，其DSSC的光电转换效率达2.36%。刘荣[12]从界面修饰、纳米结构调控、离子掺杂等方面分别对基于ZnO和TiO2纳米结构构筑了量子点敏化太阳能电池和染料敏化太阳能电池电极微结构和电池性能进行有效调控。对ZnO颗粒膜进行Li+掺杂，使染料敏化太阳能电池能量转化效率提高到4.25%。比较了ZnO,TiO2,TiO2/ZnO及TiO2/ZnO/TiO2复合结构纳米颗粒薄膜电池的光电性能，在采用N719染料时TiO2颗粒膜性能最佳，并通过调控TiO2纳米颗粒层的厚度，在TiO2纳米颗粒上引入TiO2亚微米颗粒等方法，电池的能量转换效率最佳达到了10.3%。程厚燕[14]等在钛箔上采用水热合成法制备ZnO纳米片薄膜，随后在ZnO纳米片薄膜表面用化学浴沉积法原位沉积ZnO纳米粒和微球，得到ZnO纳米片/纳米粒/微球复合结构薄膜，通过对钛箔酸抛光处理、ZnO纳米片膜用二水乙酸锌甲醇溶液改性，组装成柔性染料敏化太阳能电池最佳为光电性能为：短路电流密度11.26 mA/cm2、开路电压0.67 V、填充因子0.60、光电转化率4.51%。

高智丹[15]通过研究ZnO/TiO2复合光阳极DSSC得出其光电转换效率均高于单纯ZnO或TiO2的光电转换效率，分别可提高48%、40%。徐炳华[16]对染料敏化太阳能电池光阳极材料SnO2材料进行Bi掺杂SnO2颗粒、A1掺杂SnO2空心微球金属元素掺杂和ZnO包覆SnO2颗粒金属氧化物包覆改性处理进行了研究，其研究结果发现SnO2掺杂Bi前后光电转换效率从1.37%上升到2.03%，掺杂A1前后光电转换效率从0.46%提高到3.04%，ZnO包覆SnO2纳米颗粒后光电转换效率为3.95%。彭臣志[17]针对溶胶凝胶配合旋涂法制备的ZnO薄膜的热处理温度、镀膜层数、热处理时间三个工艺参数进行了研究，并制备了ZnO/SnO2复合光阳极薄膜染料敏化太阳能电池，研究发现，当热处理温度为500℃，镀膜6层，热处理60 min时，薄膜太阳能电池具有最优的光电转化效率。许志远以Zn-Al水滑石、以Zn-Ti类水滑石为前驱物在不同温度下制备了不同Zn/Al比、Zn/Ti比的混合金属氧化物用于DSSCs的光阳极，效率分别达到了1.02%和1.74%。

2 对电极

对电极是染料敏化太阳能电池的另一重要组成部分，Pt是常用的对电极材料，但由于Pt成本昂贵，储量也很少。且Pt容易被电解液腐蚀，因此限制了染料敏化太阳能电池的商业化应用。开发其他高效低成本催化材料具有重要的研究意义。任欣欣[20]用Mg2+离子对ZnO纳米晶电极的表面修饰得到Mg2+修饰ZnO纳米晶电极，使转换效率由未修饰电极的5.16%提升到7.43%。张春阳[21]采用溶胶一凝胶法，制备还原性黑色TiO2并与碳纳米管（CNT）复合作为对电极材料用于ZnO基DSSC，电池效率可达5.71%。探索了Cu2ZnSnS4纳米材料以及 Cu2XSnS4（X2+=Mn2+,Fe2+,Co2+,Ni2+,Zn2+,Cd2+）系列半导体材料作为对电极材料用于DSSC可能性及性能。郜秀荣[22]对透明碳对电极和聚苯胺对电极两种透明非铂对电极组装的染料敏化太阳能电池的双面吸光性能进行了研究，研究结果表明其获得的透明碳对电极和聚苯胺对电极均具有较优异的透光性，透过率分别达到70%、80%以上。袁之敏[23]对制备大比表面积的光阳极以及高效的非Pt对电极CEs材料进行了研究，采用高反应性活性的DPP-Se阴离子作前驱体成功合成了CuGaSe2和Cu（In,Ga）Se2QDs，得到了多孔CoS对电极。显示出明显增强的催化活性和改善的导电性，有更好的QDSC光电转化效率。设计了基于g-C3N4修饰的TiO2异质结纳米片光阳极和Co9Sg纳米管阵列对电极的染料敏化电池。电池的最高的光电转化效率是8.07%。自支撑的镍钴硫（NCS）针状纳米管阵列作为DSSC的对电极组装电池，得到的最显著的光电转化效率为8.95%。程健[24]等以Co-Ni/碳气凝胶材料作为ZnO基染料敏化太阳能电池对电极，使用N719钌染料，I-/I3-的乙腈溶液电解液，其光电转换效率达到5.32%。

3 敏化染料

常用于染料敏化太阳能电池的染料是N3和N719，其电极经敏化后对太阳光的吸收主要集中在可见光区，而紫外光及红外光却很少被吸收，为扩展染料敏化太阳能电池的光谱响应范围，提高其光电转换效率，科研工作者对染料敏化太阳能电池的染料也进行了很多有益探索[25-32]。

李月英[25]对稀土掺杂下/上转换发光材料进行研究，用固相反应法制备的立方结构的SrTiO3∶Ho3+纳米晶制作下转换薄膜光阳极，使光电转换效率提高了近60%，将水热法制备的SrTiO3：Sm3+纳米粉体表面包覆SiO2，制得具有核壳结构的SrTiO3：Sm3+@SiO2纳米粉体。将 SrTiO3：Sm3+和 SrTiO3：Sm3+@SiO2作为下转换剂分别掺杂于纳米TiO2光阳极，DSSC的光电转换效率最大分别达到4.38%和5.07%，将Ho3+掺杂于TiO2纳米线/纳米粒复合粉体作为下转换纳米线光阳极，较TiO2纳米线光阳极光电转换效率提高了一倍。黄金昭[26]等采用ZnO掺杂稀土发光材料RE3+（Eu3+,Tb3+,Er3+,Yb3+）制备了纤锌矿结构的ZnO：RE3+用于染料敏化太阳能电池光阳极中，利用稀土发光材料的光谱转换特性使蓝紫光和红外光经下转换、上转换转换为N719易于吸收的可见光，提高了的电池的光电性能。黄瀛[28]研究了以CdS量子点和玫瑰红B作为敏化剂各自单独敏化和共同敏化时的影响因素及最佳条件，并且得出CdS和玫瑰红B共敏化可提高太阳能电池的短路电流密度和光电转换效率，与单独敏化相比，转换效率分别提高了28%和22%。覃嘉媛[29]对Al掺杂ZnO（AZO）纳米棒作为光阳极的染料敏化太阳能电池进行了研究，得出在化学浴沉积法制备Al掺杂ZnO（AZO）纳米棒时的较佳生长条件。并对ZnO（AZO）纳米棒用钦酸四丁醋（TBOT）和NaZS掺杂，以曙红Y作为敏化剂，分别对Al掺杂ZnO（AZO）纳米棒、AZO钦酸四丁醋（TBOT）掺杂、AZO NaZS掺杂薄膜组装AZO染料敏化太阳能电池,经研究分析发现各掺杂存在最佳浓度，过高或过低都将降低光电转换效率。李国辉[30]以海胆棘壳色素作为敏化剂溶胶凝胶法制备了TiO2薄膜ZnO及Al，Sm掺杂ZnO薄膜，敏化光阳极后组装电池，经以及得出其组成的电池最佳光电转换效率分别为0.28%和0.33%。李亚娇[31]等合成了两种方酸染料，使用曙红（EY）和方酸（SQ）两种染料构成纳晶Ti02/EY/ZnO薄层//S Q结构实现FRET过程，光电转换效率分别达到3.78%和3.84%，效率比单独方酸分别提高了22.7%和18%。周小风[32]对染料敏化太阳电池的光阳极的性质差异进行了研究，首先用不同分级结构的Cu-Bi2O4微球作为光敏剂用于ZnO基太阳电池中，以ZnO/CuBi2O4构成复合光阳极的DSSC太阳电池起效率最高达到4.83%，其次用水浴法结合后处理制备的不同形貌结构和带隙较窄的Cu2O粉末与ZnO制成ZnO/Cu2O复合光阳极，其构成的DSSC太阳电池效率达6.94%。再者制备了ZnO/NiO复合光阳极，用饱和Zn（Ac）2醇溶液对其处理再退火其构成的染料敏化太阳电池效率达7.01%。最后对表面涂层改性的染料敏化ZnO光阳极薄膜制得的ZnO基染料敏化太阳进行了对比研究，得出其较高光电转换率的生成条件。

4 电解质与衬底

染料敏化太阳电池目前大多数使用的电解质为液态电解质，虽说采用液态电解质的染料敏化太阳电池其转化效率较高，但也存在一些缺点，如易挥发、易泄露、对电极的腐蚀性以及对环境有所危害等。故此准固态和固态电解质成为研究者们关注的热点[33-38]。染料敏化太阳电池一般以硬质平板为基底如导电玻璃等，但存在容易破碎、极高的硬度等一些不足，柔性基底也引起研究者们的关注。

毕世青[33]用聚苯乙烯（PS）作为凝胶剂的凝胶电解质用其构建准固态ZnO-DSC和用石墨烯和聚苯乙烯微球复合的准固态电解质，在室内和户外20天的测试下准固态ZnO-DSC光电转化效率仅仅衰减了7%和12%，但是同条件下的液态电解质的太阳能电池衰减达到了27%和37%。石墨烯和聚苯乙烯构建的ZnO基准固态DSC在1000 h的户外测试后，仍然能够保持其初始效率的90%。用金纳米颗粒与Ti02的复合光阳极应用到DSC中光电转化效率达到了10.02%。张晓英[35]电镀技术和化学镀技术在金属导电纤维铜丝上制备了锰基复合纤维和钛、铁金属丝上镀锰得到的锰复合纤维在不导电聚合物PBT聚合物纤维表面制备了PBT/Cu/Mn复合基底，用于全固态纤维DSSC。所得全固态ZnO基纤维电池性能高于基于传统的Ti纤维丝、不锈钢纤维丝电池的性能。陈增[36]等通过研究发现通过机械压膜方法对柔性导电衬底（ITO/PEN衬底）上的SnO2/ZnO复合薄膜进行机械压膜后处理，可以显著提高SnO2/ZnO复合光阳极的光电性能，组装的染料敏化太阳能电池的光电转换效率达到了3.95%,短路光电流密度为16.43 mA/cm2、开路光电压为0.493 V和填充因子为0.49。成栗[37]采用简单的电沉积方法制备了具有减反射效应的微森林状镍枝晶电极并应用于柔性DSSC，相较传统的平板电极，其光电性能得到大幅度提高而且还具有良好的机械稳定性。鲍允娜[38]对染料敏化电池的基底材料基底材料的选取进行了探索，其通过用金属纤维上沉积出的锌基复合基底上生长的ZnO纳米棒阵列，得到纤维光阳极并组装DSSC电池，光电转换性能超过以Ti丝、不锈钢丝为基底的DSSC电池，扩大了电池的基底选择范围，提高电池的光电转换性能。

5 结束语

随着对染料敏化太阳能电池研究的不断深入，对组成染料敏化太阳能电池的光阳极、对电极、电解质、敏化染料等各部分研究取得长足进展，阶段性成果不断涌现，性能不断提高，一些新的材料和工艺也相继发现被应用于染料敏化太阳能电池中，但现有研究结果与期望性能还有差距，大面积商业应用还需要研究者进一步提高光电转换效率、研发新工艺、新材料，以期达到理想性能。