吴琪

摘 要：伴随着能源危机的加剧，染料敏化太阳能电池由于具有低成本、制作工艺简单等优点，受到了各国科学家的广泛关注。文章回顾了染料敏化太阳能电池从产生到发展再到逐渐成熟以及现阶段取得的成就。染料敏化太阳能电池虽具有其他太阳能电池无法比拟的众多优点，但其也存在一些问题，如光电转换效率低便是制约染料敏化太阳能电池发展的重要因素之一。文章综述了提高太阳能利用率及太阳能电池各器件光电转换效率的途径，即优化染料敏化剂增强其与半导体薄膜材料表面的键合强度、吸附量及稳定性。

关键词：染料敏化太阳能电池；光电转换效率；途径

中图分类号：TM914.4 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2018）05-0036-02

Abstract： With the aggravation of energy crisis， dye-sensitized solar cells have attracted wide attention from scientists all over the world because of their advantages of low cost and simple fabrication process. This paper reviews the achievements of dye-sensitized solar cells from generation to development to maturity. Dye-sensitized solar cells have many advantages that other solar cells can not compare， but there are some problems， such as low photoelectric conversion efficiency is one of the important factors restricting the development of dye-sensitized solar cells. In this paper， the ways to improve the solar energy utilization rate and the photoelectric conversion efficiency of solar cell devices are reviewed， that is， it intends to optimize the dye sensitizer to enhance the bonding strength， adsorption capacity and stability between the dye sensitizer and the surface of semiconductor thin film.

Keywords： dye-sensitized solar cells； photoelectric conversion efficiency； approach

能源是人類社会赖以生存和发展的重要基础。20世纪中叶以来，随着人类社会的不断进步和全球经济的快速发展，人类面临的环境污染问题和能源短缺问题越来越严重。化石能源是人类使用的主要能源，而化石能源在促进人类社会不断进步和发展的同时，也造成了不可再生的化石燃料，尤其是煤和石油等资源的过渡消耗。因此为了应对日益恶化的生态环境和日益严峻的能源形势，科研工作者开始了对新能源领域的研究和探索。在众多能源中，太阳能作为一种可再生的能源拥有非常广泛的发展前景。在我国太阳能储量丰富，开发利用方便，且无地域限制，是一种环境友好型的能源，因而受到世界范围内研究者们广泛关注。

光伏效应是由法国科学家Becquerel在160多年前发现的。自1839年，Becquerel在试验中发现将卤化物溶液涂在金属电极上会产生光电现象[1]，即发生伏特效应以来，太阳能电池已经经历了160多年漫长的发展历史。至此，人们对光电化学领域开始了深入的研究。1960年代，H.Gerischer，H.Tributsch，Meier及R.Memming发现在一定条件下，当染料吸附在半导体上时会产生电流[2]，这种现象成为光电化学电池的重要基础，从此以后，染料被广泛用于光电化学电池研究中。从上世纪70年代到90年代，R. Memming，H. Gerischer，Hauffe，H. Tributsh等人大量研究了平板电极上的各种染料敏化剂与半导体纳米晶之间的光敏化作用，但其光电转换效率不到百分之一。1991年，Grtzel M.于《Nature》上发表了文章，报道了染料敏化太阳能电池（DSSC）的转化效率从2.5%提高到了7.1%[3]，标志着太阳能电池的发展又进入一个崭新的时代，为更加充分、合理的利用太阳能提供了一条新的途径。1993年，Grtzel M.等人再次报道了光电转换效率达10%的染料电池，就单纯从转化效率而言已十分接近传统的硅基电池的水平。由于诸多科学家以及科研机构的共同努力，染料敏化电池的性能不断得到改善，越来越符合当今世界的要求。染料敏化太阳能电池制备工艺简单，生产成本低廉，其作为一种新型的太阳能电池得到了不断的发展。染料敏化剂是染料敏化太阳能电池的关键组成部分，因而也备受研究人员的关注。

有机染料敏化纳米晶太阳能电池虽具有理论转换效率高、制备工艺简单、透明性高、可半透明、成本低（仅为硅系太阳能电池的1/5以下）等众多优点，但相对于第一代和第二代太阳能电池，仍存在诸多亟待解决的问题，主要有其效率有待提高，原材料及器件制造成本高和器件的长期稳定性等问题。一方面是因为这种新型太阳能电池发展的时间还比较短，另一方面主要是因为常规的思路已经完全不能解决现时代下对染料电池的要求。所以染料电池想要想达到产业化阶段，光电转换效率低和长期稳定性便是制约染料敏化太阳能电池发展的重要因素之一。有机染料敏化纳米晶太阳能电池以半导体TiO2薄膜为光阳极、引入带有发色团的染料分子，借助于染料对可见光的强吸收，提高光电转化效率。其工作原理为：当入射光（特征吸收波长）照射在染料敏化太阳能电池的纳米TiO2的阴极上时，染料分子中的电子吸收光子从而跃迁到高能量的激发态，从而产生电子空穴对。电子和空穴在氧化物半导体与染料之间的界面上发生分离，此后电子将快速注入到二氧化钛导带内，空穴则以相反的方向运动，因而在闭合回路中产生电流，达到光电转换的目的。在反应过程中，激发态电子寿命越长，越有利于电子的注入。若激发态电子寿命太短，则在电子未被注射到导带之前，电子就已经通过非辐射衰减湮灭了。因此降低TiO2的禁带宽度，减少电子与空穴的复合，提高电子注入率，宽化可利用太阳光谱范围以及提高染料敏化剂吸附量已成为提高光电转化效率的关键问题。endprint

目前各国的很多研究人员也将他们的研究重点放在了DSSC敏化剂的研究上，这是因为整个电池中的半导体是宽带材料，只对紫外光有良好的吸收，故而对太阳光的利用率极低，难以满足大众的要求，为了解决这一问题，通常选择加入染料进行敏化，改变原有的吸收机制，使电池对光的吸收范围拓宽至可见光区域；染料敏化剂分子的性质对太阳能敏化电池的各项性能有直接的影响，因为寻找一种优良的染料敏化剂分子是提高染料敏化太阳能电池的关键。在太阳能敏化电池中，经特定波長的入射光照射染料，为了将光生电子注入外电路，在有机金属配合物染料中通常将有金属到配体的电子跃迁的发生，随后将电子注入半导体的导带中。对于纯有机染料来说也具有相似的过程，染料分子通过分子内的π-π*跃迁，将受激后产生的电子注入半导体的导带中。而通过对染料分子进行分子结构和组态的改变，进而达到调控材料能级的目的，从而优化器件性能，所以在染料敏化太阳能电池领域里对染料的研究一直是热点和重点。另一个重要的研究出发点是基于液态电解质的染料敏化太阳能电池的转化效率虽然已经超过了12%，但是液态电解质的泄露、不易密封以及电池的稳定性不高却严重束缚着它的发展。因此研究开发不含易挥发有机溶剂的高性能全固态电解质是染料敏化太阳能电池发展的一个重要方向，也是今后电池大规模生产应用的必须满足的硬指标。

因此有两种有效提高太阳能电池光电转化效率技术途径：通过优化染料敏化剂增强其与半导体薄膜材料表面的键合强度、吸附量及稳定性，提高太阳能电池的光电转化效率和使用寿命；研发具有较窄尽带宽度、可利用可见光的纳米级半导体薄膜材料，提高太阳能的利用率的同时，延长光生电子寿命和提高电池光生电子密度，进而提高光电转化效率。目前新型的有机染料分子结构多样，且容易修饰，合成工艺简单。因此，通过巧妙设计纯有机染料进而提高燃料敏化太阳能电池也具有相当的竞争力。近年来，基于纯有机染料的DSSCs 的性能有了显著的提高。Tingli Ma将N-TiO2应用于N719型DSSCs系统中可将光电转化效率提高至8%，并提出若能提高染料敏化剂在电极薄膜表面吸附量，将有利于光电转化效率的进一步提高。在全太阳光照射下，基于二氢吲哚染料的DSSC达到了高于9%的能量转换效率， 仍略低于N3系列染料。而利用三苯胺、香豆素、二烷基苯胺、低（聚）噻吩、二萘嵌苯等染料改善DSSC性能的研究也均有报道。

总之，DSSC依靠其他太阳能电池无法与之比拟的众多优点，逐步发展到向产业化过度的阶段。虽然目前尚存在一些问题（如其效率还有待提高），但随着对DSSC研究的深入，技术水平的不断提高，染料敏化太阳能电池良好的应用前景必将显现，其产业化的趋势也不可阻挡。未来，DSSC必将以其优越的性能得到人们的广泛使用，走向实用化，而且必会依靠其低成本及高性能优势在激烈的太阳能市场竞争中脱颖而出，并在未来能源结构中取得一席之地。最后，DSSC的产业化发展将有效解决人类在发展经济过程中对能源的迫切需求，且不会造成环境污染，可以预见DSSC将成为清洁能源的佼佼者，并带领新能源产业在世界范围内广泛使用。

参考文献：

[1]Becquerel A E . Mémoire sur les effets électriques produits sous l'influence des rayons solaires[J].Comptes Rendus，1839，9（1839）： 561-567.

[2]Katoh R. Quantitative evaluation of electron injection efficiency in dye-sensitized TiO2 films[J].Ambio，2012，41（2）：143-148.

[3]O'reagan B， Gratzel M. A low-cost， high-efficiency solar cell based on dye-sensitized colloidal titanium dioxide films[J].Nature， 1991， 353（6346）： 737-740.

[4]马廷丽.染料敏化太阳能电池-从理论基础到技术应用[M].北京：化学工业出版社，2013：279-283.

[5]苗青青，高玉荣，马廷丽.染料敏化太阳能电池大面积化及产业化研究[J].化学通报，2011，74（9）：1-7.

[6]李宁，王晓兵.浅谈太阳能电池的动态模型和动态特性[J].科技创新与应用，2016（29）：85.

[7]许红波.有机太阳能电池材料研究新进展[J].科技创新与应用，2016（09）：86.endprint