化学敏化

化学敏化（精选7篇）

化学敏化 篇1

太阳能作为可再生资源, 对它的利用研究是最近研究的热点话题。对太阳能的利用目前主要有光解水、光催化降解为污染物及太阳能电池等[1]。在太阳能电池方面已经发展到第三代太阳能电池 (染料敏化太阳能电池) , 但是由于染料的寿命一般较短, 在实际应用中面临极大的风险[2]。

无机半导体量子点具有量子效应, 研究学者认为是代替染料的最佳选择。一般采用的方法是将窄禁带半导体量子点沉积在宽禁带半导体薄膜上, 利用量子点高的吸光特性吸收太阳能, 产生光生载流子, 通过宽禁带半导体薄膜, 与电极等形成回路。例如采用CdS、CdSe、PbS量子点敏化TiO2薄膜制备光阳极[3];CdS、CdSe量子点共同敏化TiO2薄膜作为光阳极[4]。

无机半导体量子点沉积在TiO2的方法目前有化学浴沉积法 (CBD) , 连续离子沉积法 (SILAR) [5], 多层自组装法等[6]。最近, 研究者利用光催化沉积的方法制备了CdS量子点敏化TiO2, 可以通过控制光照时间的来控制生长CdS量子点的大小[7]。

本研究利用光催化沉积的方法制备敏PbS量子点化TiO2纳米棒, 研究光照时间对PbS量子点的影响, 进一步通过生长过程的电化学测试, 研究PbS量子点的生长过程。

1 实验部分

1.1 原料

FTO玻璃 (F∶SnO2玻璃) , 去离子水, 浓盐酸, 无水乙醇, TiCl4, 高氯酸铅 (Pb (ClO4) 2) , 单质硫 (S8) , NaClO4。

1.2 实验设备

PbS量子点的生长光源为高压汞灯;透射电子显微镜 (TEM) 测试材料的微细结构;紫外-可见分光光度计用于测试薄膜光学性质;电化学工作站用于测试材料的电化学性质。

1.3 实验方法

TiO2纳米棒阵列薄膜的制备:采用传统的水热方法在FTO玻璃上大面积生长TiO2纳米棒阵列[6]。简单描述为:将40mL的浓盐酸 (35%~38%) , 40mL去离子水, 分别添加到高压釜中, 用磁力搅拌器缓慢搅拌均匀, 然后加入0.1mL的TiCl4, 搅拌5min后, 将FTO玻璃片竖直放入内衬中, 在180℃条件下, 保持4h, 取出衬底, 干燥。

PbS量子点的沉积:在黑暗环境中分布将0.02mol的S8及0.02mol的Pb (ClO4) 2分散到100mL的酒精溶液里, 冲入氩气10min;将TiO2纳米棒阵列薄膜竖直插入上述酒精溶液中;用高压汞灯 (3.7mWcm-2) 照射溶液的时间分别为0.5h、1h、1.5h和2h。将衬底取出, 用酒精冲洗3次, 并在真空干燥箱内进行干燥处理。

2 结果与讨论

2.1 TEM测试

将光照反应后的衬底用刀刮下一部分在酒精溶液中超声分散, 然后利用透射电子显微镜观察产物的形貌结构。图1为不同光照时间在TiO2纳米棒阵列上沉积PbS量子点的TEM图。从图中可以看出PbS量子点紧密的附和在TiO2纳米棒上, 即使在超声分散过程后, PbS量子点依然和TiO2纳米棒紧密相连。其中图1 (a) 光照时间为0.5h, 图1 (b) 光照时间为1h, 图1 (c) 光照时间为1.5h, 图1 (d) 光照时间为2h。可以发现, 随着光照时间的增加, 量子点的大小不断长大。这可能是因为随着反应时间的增加, 更多的原子组合在一起, 产生更大直径的量子点。

[ (a) 光照时间0.5h; (b) 光照时间1h; (c) 光照时间1.5h; (d) 光照时间2h]

不同光照条件下得到的量子点颗粒大小可以通过在TEM里面取50个量子点计算得到平均值。光照时间为0.5h、1h、1.5h和2h得到的量子点大小分别为3.1nm、5.2nm、8.8nm和11.6nm, 如图2所示。

2.2 光学性质分析

图3 (a) 为PbS/TiO2的紫外-可见光吸收光谱, 可以看出光吸收范围覆盖了可见光区域及部分红外光区域。这是因为PbS是窄禁带半导体材料, 块体材料的禁带宽度为0.42eV, 主要的吸收峰集中在远红外区域, 而由于产生的是PbS量子点, 具有量子效应, 当量子尺寸足够小时, 发生“蓝移”, 吸收边缘移到近红外光区域。但是随着光沉积反应的时间增加, 量子点的尺寸也逐渐长大, 吸收边缘又向远红外偏移, 发生“红移”。

[ (a) 吸收谱; (b) 禁带宽度]

PbS量子点的禁带宽度可以根据公式 (1) 来计算, 其中ΔEg为量子点与块材禁带宽度的差值;R为颗粒的直径。

由公式 (1) 及图2中的量子点直径大小, 可以计算得到量子点的禁带宽度, 如图3 (b) 所示, 随着光沉积时间的增加, 量子点的禁带宽度逐渐变小。

2.3 PbS的光电化学性能分析

PbS量子点的生长过程可能为S8形成硫离子 (S2-) 与铅离子 (Pb2+) 反应生成PbS, 也有可能是铅离子 (Pb2+) 被还原成铅原子 (Pbo) 与单质硫中的硫原子反应, 生长成PbS。为了进一步研究PbS量子点的生长过程, 采用光电化学的方法对其进行研究, 配置0.01mol/L的NaClO4酒精溶液50mL, 将TiO2纳米棒阵列, 用高压汞灯中照射溶液, 电压变化如图4所示。在第10min加入Pb (ClO4) 2, 在第30min加入单质硫, 电压曲线为 (1) ;在第10min加入单质硫, 在第30min加入Pb (ClO4) 2, 电压曲线为 (2) ;在第10min同时加入单质硫和Pb (ClO4) 2, 电压曲线为 (3) 。在曲线 (1) 中, 加入Pb2+后, 电压变为-0.12V, 接近Pb2+/Pb0的电势差 (E0 (Pb2+/Pb0) =-0.13V) , 加入单质硫, 以后, 电压降到-0.11V;在曲线 (2) 中, 第1步加入单质硫, 电压几乎没有变化, 第2步加入Pb2+后, 电压变为-0.11V;在曲线 (3) 中, 同时加入Pb2+和硫单质后, 电压迅速变到-0.11V左右。在PbS量子点形成过程中的电压 (-0.11V) 与E0 (Pb2+/Pb0=的电压-0.13V几乎相同。表明PbS量子点的形成过程为原子结合: (Pbo+S→PbS) 。

3 结论

(1) 采用光沉积的方法在TiO2纳米棒阵列上沉积了PbS量子点, 通过控制光照时间控制生长PbS量子点的直径大小。

(2) 随着光沉积的时间加长, 量子点表现出“红移”现象, 这与量子点的直径增加, 禁带宽度变小等有关系。

(3) 通过光电化学的方法分析PbS量子点的生长过程, 得出结论:是由原子与原子结合的方式形成量子点。

摘要：在酒精溶液中溶于铅前驱体及硫单质, 采用紫外光源在TiO2纳米棒阵列上光催化沉积法生长了PbS量子点。TEM研究表明PbS量子点与TiO2结合非常好。PbS量子点的直径随着光照反应时间的增加而增大, 带隙宽度则逐渐减小。进一步电化学测试结果表明, PbS量子点的光沉积生长过程为原子结合 (Pbo+S→PbS) 。

关键词：PbS,量子点,电化学,原子结合法

参考文献

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化学敏化 篇2

但是目前,染料敏化太阳能电池离实际商业化应用还有很远距离,主要是生产成本没有得到有效控制,光电转化效率还有待提高,很多生产工艺没有突破。特别是成本控制方面, 由于大量采用有机染料作为光敏化剂,生产成本很高［４－５］。窄禁带无机半导体量子点,对光的吸收主要集中在可见光,而且可以通过调控量子点的直径,来调节对不同波段光的吸收,理论上可以做到对整个光波段的全吸收。目前研究的窄禁带无机半导体量子点主要有CdS、PbS、CdSe等,利用这些量子点敏化TiO２薄膜,可制备量子点敏化太阳能电池,但是得到的光电转化效率均不高［６－８］。Sudhagar等［９］采用CdS、CdSe量子点共敏化TiO２纳米纤维薄膜,得到了2.69%的光电转化效率,但是离染料敏化太阳能电池的光电转化效率(12%)依然有较大差距。

本研究在前人研究成果的基础上,在CdS与CdSe量子点之间插入非晶TiO２薄膜层,研究其光电化学性能。

1实验部分

1.1原料

FTO玻璃,无水乙醇,醋酸乙烯树脂,二甲基甲酰胺,异丙醇钛,Cd(NO３)３溶液,Na２S晶体,CdSO４晶体,Na２SeSO３晶体,醋酸溶液,去离子水。

1.2设备

静电纺织机制备TiO２纳米纤维薄膜,外观形貌采用场发射电子显微镜测试,透射电子显微镜用于观测材料的细微结构。太阳能模拟器提供整个光波段的光谱能量,电化学工作站用于测试电化学性能。

1.3实验方法

TiO２纳米纤维薄膜的制备:将11.5%(wt,质量分数)的醋酸乙烯树脂溶于5g二甲基甲酰胺中,将1g异丙醇钛、0.5g醋酸分别加入到上述溶液中,用磁力搅拌器搅拌30min,得到胶体。将上述胶体注入20mL的注射器中,在静电纺织机中以1.5mL/h的速度注入,加电压17kV,在FTO玻璃上沉积TiO２纳米纤维薄膜,用机械压制法在8MPa的压力下加热到120℃,对TiO２纳米纤维薄膜进行压紧处理15min,得到致密的TiO２纳米纤维薄膜［１０］。

CdS/CdSe量子点共敏化TiO２纤维薄膜电极的制备:配置0.1mol/L的Cd(NO３)３溶液及0.1mol/L的Na２S水溶液, TiO２纤维薄膜衬底插入Cd(NO３)３溶液中(保持5min),取出,用去离子水冲洗3次,然后插入Na２S溶液中(保持3min), 取出,用去离子水冲洗3次,循环5次,自然干燥,得到CdS/ TiO２电极。 分别配置0.1mol/L的CdSO４及0.1mol/L的Na２SeSO３醋酸溶液50mL,将两种溶液混合搅拌,并将温度控制在10℃,将上述电极插入CdSO４溶液中(保持12h),取出再插入Na２SeSO３醋酸溶液(保持12h),取出,用去离子水冲洗, 自然干燥,得到TiO２/CdS/CdSe电极。

CdS与CdSe量子点之间插入非晶TiO２薄膜:将CdS/ TiO２电极插入0.5mol/L的四异丙氧基钛溶液中,用电脉冲沉积法沉积非晶TiO２薄膜,首先用5mA的直流电沉积50s, 然后用0.2mA的直流电沉积300s。取出电极,用去离子水冲洗几次,在真空干燥箱内(80℃)干燥30min,得到TiO２/CdS/ a-TiO２电极,然后采用上述同样的方法在此基础上沉积CdSe量子点,得到TiO２/CdS/a-TiO２/CdSe电极。

2结果与讨论

2.1 XRD分析

图1为TiO２、TiO２/CdS/CdSe、TiO２/CdS/a-TiO２、TiO２/ CdS/a-TiO２/CdSe电极结构的XRD谱图,可以看出TiO２为锐钛矿结构。TiO２/CdS/CdSe的XRD谱图中有较弱的CdS及CdSe特征峰,这表面CdS及CdSe已经沉积在TiO２上。 TiO２/CdS/a-TiO２电极的XRD谱图中只能看到TiO２的特征峰,并且有部分杂峰出现,这是非晶态TiO２的特征峰,TiO２/ CdS/a-TiO２/CdSe电极可以明显看到CdSe的特征峰。

2.2 SEM测试分析

图2(a)为TiO２纳米纤维薄膜的SEM图,可以看出,薄膜为密布的纳米纤维状,纤维直径为100~300nm,这种结构可以极大增加薄膜的比表面积,从而吸附更多的量子点。图2 (b)为沉积的CdS和CdSe量子点的SEM放大图,量子点均匀密布在纳米纤维上,对纤维结构进行紧密包覆,有利于光生载流子在TiO２纳米纤维上的传输。如图2(c)所示。经过电沉积TiO２非晶薄膜以后,薄膜变得致密,沉积CdSe量子点后, 薄膜的外观没有变化。

2.3 TEM测试分析

图3(a)为TiO２纳米纤维薄膜上沉积CdS及CdSe后的TEM图。量子点附着在TiO２纳米纤维上,CdS及CdSe量子点的直径分别为10~20nm及6~10nm,对CdS及CdSe量子点进行元素分析,结果表明,Cd与S的原子比接近1∶1,Cd与Se的原子比接近1∶1。高分辨TEM结果表明,CdS量子点主要沿着(111)面生长,CdSe量子点沿着(220)面生长,如图3 (b)所示。

[(a)低倍TEM图;(b)高倍TEM图]

2.4光电性能分析

电解液采用0.35mol/L的Na２SO３及0.24mol/L的Na２S混合水溶液(用NaOH将溶液的pH调为11.5),TiO２/CdS/CdSe电极、TiO２/CdS/a-TiO２/CdSe电极分别与电解液组装成太阳能电池,镀Pt的FTO作为对电极。采用太阳能模拟器作为光源(AM 1.5G),电化学工作站测试光电化学性能,测试结果如图4所示。结果表明,TiO２/CdS/CdSe电极的开路电压为720mV左右,TiO２/CdS/a-TiO２/CdSe的开路电压为780mV,这可能是因为插入的TiO２非晶薄膜提高了光生载流子在TiO２电极之间的注入效率,降低了电阻。TiO２/CdS/ a-TiO２/CdSe电池的短路电路比TiO２/CdS/CdSe电池高2倍以上,这可能得益于增加的TiO２非晶薄膜可以吸附更多的CdSe量子点,产生更多的载流子,从而提高光电流。经过计算,基于TiO２/CdS/a-TiO２/CdSe太阳能电池的光电转化效率为3.54%,基于TiO２/CdS/CdSe太阳能电池的光电转化效率为1.32%。

2.5载流子寿命分析

当半导体量子点吸收光能后,产生电子-空穴对,电子通过TiO２电极传导到FTO玻璃,通过负载形成外电路,部分空穴与电解液发生氧化还原反应。也有很大一部分电子与空穴在电池内部直接复合,不参与外部电路循环,这降低了光电转化效率。为了提高电池的光电转化效率,电子-空穴对在内部的复合需要得到抑制。一般通过电池的瞬态光电压衰减趋势来测试电子-空穴对的复合效率,即在光源关掉的瞬间,光电压连续衰减,根据电压的衰减快慢来计算载流子(电子-空穴对)的寿命,见式(1)。

式中,τｎ为电子的寿命,S;T为开尔文温度(室温300K); kＢ为普朗克常数;e为电子电量,C;VＯＣ为开路电压,V;t为电压值从开路电压降低到0V的时间,s。

图5(a)为关掉光源后,电压随着时间的衰减曲线图,通过式(1)计算出载流子的寿命,如图5(b)所示。结果表明,TiO２/CdS/a-TiO２/CdSe电池中载流子的寿命比TiO２/CdS/CdSe长,可能是在CdS与CdSe量子点之间插入多晶TiO２薄膜后, 阻碍了部分电子-空穴对在电池内部的复合,从而提高了光电转化效率。

3结论

(1)采用化学浴沉积法可制得CdS量子点与CdSe量子点共敏化TiO２电极,及两种量子点之间插入非晶TiO２薄膜的电极,制作方法简单,可重复。

(2)光电化学性能结果表明,插入非晶TiO２薄膜后,CdS/ CdSe量子点共敏化TiO２电池比没有插入非晶薄膜电池的转化效率提高了1.68倍(从1.32%提高到3.54%)。

(3)进一步的原因分析结果表明,插入的非晶TiO２薄膜可以有效抑制光生电子-空穴对在电池内部的复合,提高光电转化效率。

摘要：采用化学浴沉积法分别将CdS、CdSe量子点沉积在TiO2纳米纤维薄膜上,得到TiO2/CdS/CdSe电极。采用电脉冲沉积法将非晶结构TiO2薄膜插入CdS与CdSe量子点之间,得到TiO2/CdS/a-TiO2/CdSe电极。将两种电极分别组装成太阳能电池,进行光电化学性质研究,结果表明,TiO2/CdS/a-TiO2/CdSe电池的光电转化效率比TiO2/CdS/CdS电池提高了1.68倍。进一步的原因分析结果表明,在CdS与CdSe量子点之间插入TiO2非晶薄膜后,可以极大提高载流子寿命。

化学敏化 篇3

1 量子点敏化剂

1.1 量子点敏化剂的种类

量子点敏化太阳能电池中常用的半导体量子点敏化剂有二元硫族化物CdS、CdSe、CdTe、PbS、PbSe、Bi2S3、Sb2S3、Cu2S、Ag2S、FeS2、RuS2、SnS和Ⅲ-V族化合物InP、InAs以及三元硫族化物CuInS2等[3]。沉积到纳米结构的宽带隙半导体氧化物(如TiO2、ZnO)上的量子点使宽带隙半导体氧化物的光吸收范围增大,起到光敏化的目的。CdS、CdSe和PbS等量子点常被用来研究量子点敏化太阳能电池的机理。为达到敏化效果,量子点和宽带隙半导体氧化物的能带结构必须满足:量子点的最优带隙范围是1.1~1.4eV,可以吸收大部分可见光。量子点的导带比宽带隙半导体的高,量子点的价带比电解液的氧化还原电势低,宽带隙半导体和量子点导带的相对位置通常是由材料本身决定,同时也受电解液种类的影响。

1.2 量子点敏化剂的沉积方式

量子点敏化太阳能电池中的量子点沉积方式主要分为两类:原位与非原位沉积。原位沉积是指在宽带隙半导体上原位生长量子点,主要包括化学浴沉积法[4]和连续离子层吸附与反应法[5]。这类方法的优点是量子点表面覆盖率高,量子点与半导体氧化物可以直接接触,电子注入速率高,缺点是量子点尺寸不容易控制,量子点尺寸分布宽,内部电荷复合率高。非原位沉积是指先合成尺寸和形貌可调、表面钝化的胶体量子点,然后通过非原位的方式(如直接吸附[6]或连接剂辅助吸附[7]),将量子点沉积到宽带隙半导体材料上。油相合成是量子点常用的合成方法,量子点表面通常都包覆一层长链的有机分子包覆剂(如烷基膦、烷基膦氧化物和烷基胺),这些长链分子形成阻挡层,导致量子点与宽带隙半导体之间较低的电荷转移。这种依靠长链分子直接吸附的缺点是量子点覆盖率低。为克服上述缺点,连接剂辅助吸附得到广泛应用,采用短链的双官能团分子(如巯基乙酸)连接量子点和宽带隙半导体。水相合成的量子点通常表面已经被水溶性双官能团分子连接剂(如巯基乙酸或巯基丙酸)包覆,因此它们可以直接吸附到宽带隙半导体的表面[8]。通常,非原位沉积的量子点在宽带隙半导体表面的覆盖率都比原位沉积低,导致量子点的光吸收低,从而导致量子点敏化太阳能电池的短路电流较小,影响电池性能。

2 量子点敏化剂的改性

2.1 量子点敏化剂的表面钝化

量子点敏化太阳能电池的低效率通常是由量子点表面态复合或背电子转移造成的。宽带隙半导体/量子点和电解液/量子点界面上的电子复合是量子点敏化太阳能电池的重要的背反应过程。表面态又称作缺陷态,干扰电子从量子点向宽带隙半导体的注入。在量子点表面分子改性或沉积另一种半导体材料是常用的表面态钝化方法。例如在CdSe量子点表面沉积一层ZnS可以有效减少CdSe量子点的表面态[4]。同样,在量子点表面沉积一层TiO2致密层也可以起到钝化作用[9]。甚至有机分子也可以表面钝化量子点。

2.2 量子点敏化剂的金属掺杂

常用的量子点敏化剂,如CdS和CdSe量子点,通常只能吸收波长小于650nm的可见光。掺杂是半导体量子点改性的常用方法。掺杂过渡金属离子(如Mn2+)的量子点的电学和光学性能都可能会发生改变。杂质在量子点的禁带中形成新能级从而改变了电荷分离和复合动力学。控制杂质的种类和浓度可以调整量子点的光学和电学性能。在Mn-CdS量子点中,锰杂质在CdS量子点的禁带中产生中间能级,可以捕获量子点激发态的电子,限制了电子与空穴和/或氧化态多硫电解液的电荷复合[10]。事实上,锰掺杂导致工作电极的电子累积增多,使其费米能级更负,从而提高了量子点敏化太阳能电池的开路电压。

2.3 量子点敏化剂的共敏化

寻找合适的可见光全光谱吸收的量子点材料是量子点敏化太阳能电池研究的热点之一。CdS、CdSe量子点是最常用的量子点敏化剂。CdS导带底比TiO2高,有利于电子注入,但是CdS体材料的禁带宽度为2.25eV,只能吸收波长小于550nm的可见光。CdSe可以吸收波长小于720nm的可见光,但是其导带底低于TiO2的导带底,电子注入速率小。目前研究的量子点敏化剂都无法将可见光波长范围完全吸收。为了提高可见光吸收范围和强度,量子点共敏化剂常被用于制备量子点敏化太阳能电池。量子点共敏化可以同时利用两种不同类型的量子点或同种类型不同尺寸的量子点来拓宽可见光吸收范围。李玉郎等将CdS和CdSe量子点依次沉积到TiO2薄膜上形成层级共敏化结构的CdS/CdSe/TiO2量子点敏化太阳能电池。这种结构提高了量子点敏化太阳能电池的性能,电池效率可以达到4.22%[11]。Kamat等则采用不同尺寸的CdSe量子点共敏化TiO2薄膜[12]。量子点的电学性能与其大小有关,通过调整量子点大尺寸可以获得不同能带结构的量子点。利用量子尺寸效应调节量子点与宽带隙半导体的电子转移速率,从而达到提高量子点敏化太阳能电池性能的目的。

2.4 染料和量子点共敏化

染料敏化剂是染料敏化太阳能电池的核心部件之一,与量子点敏化剂相比,染料的光吸收范围更宽,常用的钌染料可以吸收大部分可见光。另一种提高量子点敏化太阳能电池性能的策略是同时使用胶体量子点和钌染料共敏化。染料的使用除了可以提高敏化剂的可见光吸收范围,同时染料/量子点共敏化还减少了量子点的电荷复合损失,从而有效提高电荷分离。有研究表明CdSe量子点和N3染料共敏化可以极大地提高量子点向TiO2的电子注入。

2.5 彩虹结构电池

Kamat等人提出一种彩虹结构的太阳能电池,该结构是在TiO2纳米管阵列中有序组装不同尺寸的量子点,从而吸收不同波长的入射光,增加入射光的有效捕获[12]。结合不同类型的量子点,如CdS和CdSe,CdS和PbS,量子点敏化太阳能电池的光吸收范围将得到大幅提高。这种电池能结合小尺寸量子点的快速电子注入和大尺寸量子点吸收波长范围广的优点,有望进一步提高量子点敏化太阳能电池的效率。

3 量子点敏化剂存在的问题及应用前景

尽管量子点在太阳能电池的应用中存在大量优点,但从目前研究来看,量子点敏化太阳能电池的效率还很低,光照稳定性较差。当前,量子点敏化太阳能电池存在以下几个问题:第一,量子点在宽带隙半导体氧化物薄膜表面的覆盖率低,量子点的光吸收范围窄,从而导致量子点的光捕获效率低。第二,量子点表面缺陷态的存在,降低了电子注入和收集效率。第三,量子点在某些电解液中存在光腐蚀现象,化学稳定性差。第四,宽带隙半导体/电解液和电解液/对电极界面的能级排布没有达到最优化,导致较低的开路电压和填充因子。第五,大部分量子点都具有毒性,对环境有一定的污染性。因此,制备可见光响应范围宽、量子产率高、化学稳定性强的环境友好型半导体量子点敏化剂是今后量子点敏化太阳能电池的主要研究目标。

摘要：综述了半导体量子点在量子点敏化太阳能电池中的应用。将半导体量子点用做敏化太阳能电池的敏化剂,利用量子点的光吸收特性,有望提高电池的光电化学性能。量子点敏化太阳能电池还处于研究阶段,从目前发展趋势上看,量子点敏化太阳能电池将是未来太阳能电池开发的研究方向之一。

关键词：太阳能电池,敏化剂,量子点

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染料敏化纳米晶太阳能电池 篇4

应用范围

从远期看, 光伏发电将以分散式电源进入电力市场, 并部分取代常规能源;从近期看, 光伏发电可以作为常规能源的补充, 解决特殊应用领域, 如通信、信号电源, 和边远无电地区民用生活用电需求, 从环境保护及能源战略上都具有重大的意义。目前, 全世界太阳能电池的生产厂已不下几百家, 已有100万套光伏系统在运转, 2000年全世界太阳能电池的产量达到287.7MW, 累计安装量已超过1300兆瓦, 预计到2030年, 光伏发电在世界的总发电量中将占到5%～20%。光伏发电已经在许多应用领域都被证明在技术上是成熟的, 在经济上是合算的。分析表明, 在目前光伏电站有效系统功率与输电距离的比值小于100瓦/公里时, 建光伏电站较常规电网延伸供电经济。因此, 阳光发电是解决我国边远地区和特殊领域供电的重要途径。

我国是个发展中国家, 地域辽阔, 有许多边远省份和经济不发达地区。据统计, 目前尚有约900万户、2800万人口还没有用上电, 60%的有电县严重缺电。这些地区的农牧民, 居住分散, 远离电网, 而且用电水平很低 (人均年用电仅为120千瓦时) , 在10年甚至20年内都不可能靠常规电力解决他们的用电问题, 光伏发电则是解决分散农牧民用电的理想途径, 市场潜力十分巨大。

主要技术指标

在AM1.5标准模拟太阳光照射下, 液态染料敏化纳米晶太阳能电池转换效率达到8.1%, 固态染料敏化纳米晶太阳能电池光电转换效率达到4.8%。

市场分析及产业化前景

太阳能作为取之不尽同时又是生态学上纯净的和不改变地球上燃料平衡的能源, 有着能源总量大, 又容易实现小型化的优点, 因此对它的开发利用在近几十年越来越受到人们的重视。太阳能利用也将是新世纪经济展望中最具决定性影响的技术领域之一。利用光电转换原理的太阳能光伏发电是可再生能源利用的一个重要方向, 光伏工业是目前发展最快的产业。在过去5年中, 世界光伏电池产业以平均每年超过30%的快速增长, 成为比IT行业发展更快的产业。据欧洲委员会估计, 到2010年, 世界光伏电池总装机容量将达到14, 000MWp, 而2030年其规模将增加10倍, 达到140, 000MWp。按目前的市场价, 到2030年将创造5040亿美元的价值, 这将产生巨大的经济效益。

追求低成本、高光电转换效率是太阳能电池板领域追求的两大目标。为此, 无论是企业还是政府, 都投入了大量的人力物力进行高效低成本的太阳能电池研究开发。太阳能电池属于典型的高科技产品。为大众提供能源, 也是每个太阳能人的理想。染料敏化纳米晶太阳能电池具有比传统太阳能电池成本更低廉 (仅为后者的1/8～1/10) 、工艺更简单的特点。若全固态染料敏化纳米晶太阳能电池大面积制作后, 效率能稳定在3%左右, 完全具有产业化的能力。

投资概算

该项目投资小, 工艺简单, 环境友好。总投资小于500万元。

合作方式

股份制或共同研发。

联系人:赵兴中

单位:武汉大学物理科学与技术学院

地址:湖北武汉武昌珞珈山

邮编:430072

化学敏化 篇5

1. 关注生活, 吸收习作所需的营养

小学语文新课程标准中关于习作与学生生活实际有着这样明确的要求, “写作教学应贴近学生实际, 让学生易于动笔, 乐于表达”。如此要求, 更加直接地向我们阐明这样一个道理———习作源自生活。我认为, 在小学阶段的习作教学中, 我们要有意识地引导学生, 利用多种感官去感知、观察、体验生活中的细枝末节, 并将自己的所见所闻与真实情感, 以质朴、流畅的语言表达出来, 实现生活对学生习作素材的补给作用。

教学小学语文第十册“习作六”时, 本单元的习作重点主要是培养学生“写人”的能力, 其关键在于教会学生通过细心观察, 以人物的外貌、动作、语言、神态等特征表现人物特点, 以具体生活事例体现人物品质, 因此, 要想让学生细致地描绘出这样一个“人”, 就要从学生的生活入手, 去寻找这个他们喜欢而又熟悉的人。为此, 在习作指导过程中, 我开设了一个以“寻找我最喜欢的人”为主题的互动栏目。在这个活动中, 引导学生以小组为单位, 以记者采访的形式开展相关活动。采访分为两个环节, 第一个环节:人人都是小记者。在这个环节中, 小组成员需要认真选出自己想要采访的对象, 这个对象应该是自己最喜欢或者崇拜的人, 学生需要自行设计问题, 并利用课余时间对这个人进行采访, 做好记录。第二个环节:你说我听。在这个环节中, 小组成员必须挑选出一个小主持人, 并帮助主持人共同撰写主持稿, 将小记者的采访以主持的方式呈现给同学。在这个过程中, 我有意识地通过采访、主持等互动形式, 让学生从生活中最熟悉、最喜欢的人入手, 启发学生以主动采访的形式更加深入地了解、观察这个人。

2. 扩展阅读, 有效积累优美的词句

在日常教学中, 教师要有意识地培养学生的阅读意识, 引导学生开展有益的阅读活动, 潜移默化地提高他们的语言素养, 扩大他们知识的储备量, 让他们胸中有“墨”, 笔中有情。为此, 我在日常的教学过程中, 常常会开展一些学生喜闻乐见的阅读活动, 如声情并茂的经典作品诵读活动, 使得阅读的方向更加明确, 阅读的内容更加具有能量, 阅读的形式更加具有感染力, 让学生将纯粹的纸上阅读发展为真情流露的诵读表演;优美词句摘抄与分享活动, 以本单元的习作话题为主题, 启发学生利用课余、课后时间开展小组阅读活动, 并摘抄优美词句进行小组分享, 鼓励学生分享摘抄笔记、制作摘抄手抄报;优美词句仿写比赛, 在习作指导课中, 我利用多媒体课件呈现几个优美词句, 如排比句、比喻句和名人名言, 组织学生进行仿写竞赛。通过这样的仿写活动, 激发学生阅读的热情, 调动学生习作的兴趣。通过这些多元出彩的阅读活动, 丰富学生的语言积累, 提高学生的语言运用水平。

3. 强化实践, 熟悉习作基本逻辑

古人云:“纸上得来终觉浅, 绝知此事要躬行。”小学生还不具备抽象、概括知识的思维能力, 因此, 他们对知识的内化往往需要通过反复的训练与实践来完成。因此我认为对学生说再多的习作规则、习作技巧, 分析再多的习作案例, 都不如将说与做结合起来, 让学生亲身地去写一写、亲自去评一评、动手去改一改, 帮助他们在实践的过程中, 寻找灵感, 获得独特体验, 自然而然地解决“写什么”“说什么”的习作难题。

小学语文第十二册“习作三”要求是在阅读已有文章的基础上写一篇具有真情实感的读后感。写读后感, 很多学生往往会就通篇文章进行津津乐道的赞扬, 面太大, 点太小。因此我觉得此次习作的教学重点, 应该让学生学会从具体事例入手, 由点及面地表达自己的感想。在习作导学中, 我并不过分地要求学生要怎样去写好读后感, 而是设计了一个“感想语音室”的实践平台, 在这个实践活动中, 我呈现了多个小片段, 组织学生看片段, 说感想, 在互动的过程中, 循循善诱地教会学生往哪儿想、怎么想、想了怎么说。

乳化炸药中化学敏化技术的探析 篇6

乳化炸药的敏化方法通常有珍珠岩敏化、猛炸药敏化、金属粉末敏化及气泡敏化。其中化学发泡敏化技术成本低、工艺简单、爆炸性能好等优点已为广大厂家所采用。对此, 本文比较了化学敏化中的几种方法的优缺点, 从技术上进行了探析。

2 快速发泡法

2.1 发泡体系的建立

从NH4NO3——H2ONa NO2发泡反映机理出发, 分析并建立合适的发泡剂加入量及发泡体系。

从上述应机理可以得出以下两方面的分析结论:

(1) lmol的Na NO2的反应后产生lmol的N2在标准状态下lmol N2体积为22.4L0Na NO2的分子量为69, 每1g亚硝酸钠完全反应后生成的N2为:

乳胶体密度一般在1.4g·cm-3左右, 设1t乳胶体的密度由1.4g·cm-3降为1.05gcm3后, 它的体积增量为Δv:

如果忽略温度及压力的影响, 乳化炸药敏化发泡过程中所产生的气体就等于胶体的体积增量Δv。

所以产生Δv的气体体积需用的Na NO2为:

由此可推出敏化1t胶体只需700～800g亚硝酸钠。

(2) 反应速率的分析处理。上述反映中 (1) 、 (2) 两式为慢反映, (5) 、 (6) 式为快反应。采用NH4NO3H2O Na NO2发泡体系的敏化工艺, 敏化后的药体须恒温 (65+5℃) 存放12h后方可装药, 在夏季及炎热的地方还会产生“后效”。所以提高反应发泡速率的关键是提高 (1) 、 (2) 两式的反映速率。从 (2) 、 (4) 两式可看出加入H-够显著促进HNO2的产生, 这就找到了根本上提高反应速率的办法。

通过上述分析比较可得出以下两点结论:

(1) 无后效的发泡剂亚硝酸钠的加入量应根据各地区的压力、温度计算, 一般为每吨胶体700～800g。

(2) 选择适当的铵盐及酸, 建立NH3-NO2-H+发泡体系能够达到快速发泡的目的。

2.2 工艺技术途径。

快速化学敏化技术是在吸收了原化学敏化技术的优点, 克服其缺点的基础上发展起来的。其工艺途径是:所选用的发泡材料按一定的比例进行工艺处理, 然后根据工艺参数掺入到乳胶基质中去。可根据要求对发泡材料的比例进行调整, 化学敏化的时间可任意调节。

(1) 加料方式的确定。快速化学敏化技术的敏化机是采用低速、敞开式搅拌机。定量的乳化基质放入敏化机内, 再把发泡剂均匀的加入其中, 然后, 加入催化剂, 并均匀地把气泡含留在基质内, 以达到敏化作用。

(2) 加入时间的确定。加入发泡剂和催化剂的混拌时间, 可根据各生产厂家的工艺与配方要求调节, 以达到敏化最佳密度为标准来确定加入时间。

(3) 敏化发泡温度。敏化温度一般控制在50～60℃能够适于气泡的吸留成长及小药卷的装药包装。胶体质量好坏及粘度大小是保证产品爆炸性能及贮存性能的重要条件。而胶体粘度与温度有密切的关系, 温度越高, 胶体粘度越低, 有利于敏化剂及气泡的分散传质和发泡反应速率的提高, 但不利于吸留气泡, 容易形成大泡, 影响产品的初始性能及贮存性能。温度太低, 胶体粘度大, 反映速率慢, 会造成气泡太小影响爆炸性能, 而且胶体在敏化过程中的搅拌、剪切作用会造成胶体不同程度的破乳, 影响产品的贮存性能。

2.3 NH4+、H+的选定

H+由一般的酸均能提供, 但一些酸 (如硝酸) 的加入, 由于其特殊的氧化性 (还原性) 会不同程度影响乳化剂性能, 贮存过程中药卷易于老化, 性能降低。故选用的是一种有机酸。H+加入后产生了大量的HNO2, 如果NH3不能及时提供就可能产生大量的NO、NO2气体, 这些气体一方面会增加过程的有毒气体含量, 另一方面这些气体不稳定, 产品在贮存过程中性能衰减较快, 所以NH3的及时供给也是产生N2保证贮存性能的重要原因。我们选用了一种离解常数较高的铵盐, 它不但能够及时提供NH3, 而且能产生一种特殊的酸进一步提高反应速率。

2.4 敏化剂的传质速度

敏化剂的发泡反映速率提高后, 要求敏化剂能够快速反应均匀地分散到胶体中, 一般的和面机、捏合机均能满足使用要求。大多数乳化炸药生产厂家所使用的混拌设备搅拌轴的转数在40r·min-1较为理想。

3 发泡技巧

3.1 发泡膏的使用

为提高乳化基质中气泡分布的均匀性和稳定性, 就要改变发泡剂的物理和化学性质, 选择与乳化基质物理性质相似的发泡剂。经过大量的实验, 在生产中采用了发泡膏替代Na NO2的发泡液。由于发泡膏和乳化基质同属于W/O型胶体, 两者相容性好, 容易混合均匀, 所以加入发泡膏消除了因加入发泡液产生的游离水, 使得敏化气泡在乳化炸药均匀分布, 大大提高了乳化炸药的稳定性。

3.2 泡促进剂的加入

加入发泡促进剂可改变发泡化学反应速度和化学反应条件, 促进发泡膏在温度较低的条件下发泡, 保证较低温度下的化学反应速度, 使乳化基质在短时间内发泡, 解决发泡后效问题, 同时也有利于提高乳化炸药的贮存稳定性。

4 结论

通过对以上两种敏化方法的比较, 可得出以下结论:

4.1 快速发泡法:

(1) 快速化学敏化可以解决亚硝酸钠化学发泡过程中受PH值的影响以及亚硝酸钠发泡的后效问题。敏化后即可装药入库, 无后效现象。而且药态硬度也略有提高并具有较好的弹性, 使用较为方便; (2) 快速化学敏化法工艺简单, 材料易购, 有一整套严格的指标检测手段; (3) 控制发泡温度在50℃时, 有利于气泡的产生和固定, 有利于改善气泡产生的速度及炸药质量; (4) 快速化学敏化法的研制达到了产品系列化, 可以满足矿山爆破、井下回采掘进和光面爆破的要求; (5) 采用NH3-NO2-H-发泡体系, 能够适应于各种气候条件下的乳化炸药生产工艺, 具有敏化成本低廉, 产品密度稳定, 爆炸性能高, 贮存期长的特点。特别适应于小直径商品乳化炸药生产及矿山现场混拌装药。

4.2 发泡膏使用技巧:

(1) 使用发泡膏代替发泡液可以使其很容易与乳化炸药基质混合均匀, 且对乳化炸药胶体的稳定性不产生负面影响; (2) 气泡促进剂的加入, 有利于气泡的产生和稳定。

随着乳化炸药生产技术的日趋成熟, 将会有更加成熟和先进的敏化技术出现, 将会推动乳化炸药生产技术的进一步发展, 创造更好的经济和社会效益。

摘要：本文主要介绍了目前在国内敏化技术中所使用的几种方法及技术。

关键词：快速发泡,发泡技巧,发泡膏,促进剂

参考文献

[1]毛洪庆.乳化炸药生产中的化学发泡技巧[J].煤矿爆破, 1999, 1.

染料敏化太阳能电池研究进展 篇7

19 世纪, 照相行业最先发现现代染料敏化太阳能电池的原理依据。德国光电化学家Hemnan Vogal教授在1873 年, 发现卤化银在经过染料浸染后对色光的反应明显加强, 光谱吸收的范围扩大。20 世纪60 年代, 德国学者Tributsch在验证Zn O的敏化特性时, 发现光电反应发生, 染料中的电子会从基态跃迁到激发态, 然后脱离原先原子核并进入半导体晶格中, 这就是后来染料敏化电池开发的理论原理。20 世纪90 年代, 瑞士洛桑工学院的相关科研人员突破性地利用纳米多孔Ti O2薄膜与联吡啶钌 ( Ⅱ ) 络合物染料设计并制造出染料敏化电池。

目前, 在高能耗、能源资源短缺的世界新格局中, 各国都在进行新型可再生能源的开发与利用方面的研究。在中科院等相关单位的牵头下, 我国也制备出了实验染料敏化纳米薄膜太阳能电池原型 (150mm×200mm) , 其放电反应效率约6%, 这是我国在染料敏化电池研究方面的重要进步。

1 染料敏化太阳能电池结构及其原理

1.1 电池的结构组成

电池结构主要由阳极、电解质、敏化剂、导电玻璃、对电极组成, 具体结构如图1 所示。

染料会聚集在染料电池的阳极半导体膜周边, 阳极与导电基底和电解质密切接触, 由图1 可知, 增大阳极表面积能改善染料吸附性能, 且保证与电解液充分接触, 提高化学反应速率。到目前为止, 已经发现的性能较好的半导体材料为纳米二氧化钦膜, 化学性质稳定且电子通过速率快。此外, 还有ZnO、SnO2、NiO、Nb2O5、In2O3、Ta2O5等材料制成的半导体性能也不错。其中, ZnO半导体由于来源广泛、价格低廉、形貌丰富、导带能级与TiO2接近等优点, 被广泛研究。对ZnO阳极膜的研究集中在对ZnO形貌的控制上, 其他方向的研究也有所发展。

阳极由宽禁带半导体材料制成的染料敏化太阳能电池, 不能吸收大部分可见光, 当光子波长 (频率较高) 小于其带隙的光时, 才会被吸收, 在光谱中, 处于紫外光谱带。染料敏化太阳能电池中染料的作用是将吸收可见光区光线变为现实, 换句话说, 染料在这里充当了催化剂的作用, 实现了以前难以实现的物理化学反应。要达到这一目的, 染料要满足以下条件。

(1) 由使用的特殊性可知, 染料电池中的染料必须要有尽可能宽的吸收光谱带。我们希望有一种染料能吸收所有的可见光, 但实际上这很难实现, 只有不断靠近。

(2) -COOH, -SO3H, -PO3H2等基团往往出现在染料成分组成中, 这些基团可以与半导体表面结合, 从而使半导体与染料的接触更为密切, 有利于电子在跃迁后进入半导体。

(3) 为了使电子顺利进入半导体膜中, 半导体导带能级应比染料的激发态能级底, 这样就能保证电子在跃迁后能以较快的速率进入半导体膜。

(4) 必须保证染料的综合稳定性, 这样才能保证电池使用寿命和太阳能利用率。

1.2 工作原理

当高频率的光线照射在染料上时, 染料中的电子边吸收光子并发生能级跃迁, 由基态跃迁至激发态, 此时电子处于游离状态, 剩下的光子吸收的能量转变为激发电子的动能, 促使电子远离原子核。由于半导体原子能级略低于染料电磁激发电子能级, 因此, 电子朝着能级低的半导体加速运动, 并最终注入半导体, 接着在电场作用下, 电子会向导电基底上汇集, 与外电路共同组成闭合电流电路。染料在电子激发后处于氧化状态, 再与电解质进行氧化还原反应, 从而被还原, 如此往复地工作, 其工作原理如图2 所示。

离子反应方程式如下:

在反应方程式中, S为未激发态的染料, S* 为激发态的染料, CB为表阳极半导体的导带, CE为对电极。

2 研究进展

2.1 ZnO光阳极研究进展

现在通用的染料敏化太阳能电池的光阳极材料为TiO2, ZnO, SnO2, Bb2O5, WO3等宽禁带半导体材料。Ti O2具有较高的光电转换效率, 利用其来制备光阳极极受科研人员的青睐。而ZnO的研究刚刚兴起, ZnO在常温下具有较大的半导体禁带宽度和较高的电子激发结合能, 网状晶格形态的ZnO材料具有其他材料和自身不同形态下均不具备的特性, 即压电与半导体特性, 此外, ZnO对有机生命体无毒且兼容性良好, 未来不会对人类造成生命威胁, 纳米材料晶格形状多变, 具有很高的研究价值。目前, 其研究内容主要有以下几点。

2.1.1 染料敏化太阳能电池的光电性能与ZnO的纳米形貌内在联系研究

竖直排列的ZnO纳米晶格能为电子的快速通过提供畅通的通道, 明显加长电子的有效扩散长度, 正因为如此, 科研人员一直在尝试将竖状ZnO纳米晶格的半导体膜导入太阳能电池中。2005 年, Matt Law研究小组通过媒体向公众自身在ZnO纳米线染料敏化太阳能电池上运用的研究进展, 引发了同行广泛的关注, 自此, 竖直状纳米晶体半导体膜的研究便广泛开展起来。

2.1.2 其他物质渗入对ZnO及其染料敏化太阳能电池的光电性能的影响研究

在纯净物中渗入其他元素物质使之成为混合物, 这样物理化学性能可能会产生很大变化, 在材料研究行业, 我们经常用这一方法来改善现有的材料性能甚至制备新的材料。In渗入ZnO能明显提高ZnO光阳极电池的光捕获能力, 尤其是提高可见光区光子捕获能力。

2.1.3 金属氧化物 (TiO2, MgO, CuO等) 对ZnO表面复合及其染料敏化太阳能电池光电性能的影响

在光电反应进程中, 如果阳极导带中电子和电解质发生复合, 会极大减少电子在导电基底上的汇集量, 降低光电转换效率。行业相关人员提出复合势垒这一概念, 即在阳极上包覆一层宽禁带半导体材料, 这层包覆的半导体材料的导带底要略高于阳极半导体的导带底, 为电子的注入提供“阶梯”状驱动力, 这种逐级的电子传输路线可有效避免电子和电解液的复合, 提高光电转换效率。

2.1.4 “光散射层”对ZnO染料敏化太阳能电池光电性能的影响

光电池对光的吸收能力在很大程度上取决于染料覆盖面积, 吸收越多, 电流越大, 因此, 努力增大阳极表面染料覆盖量是研发人员需要考虑的重点。

2.1.5 阳极膜的质量研究

阳极膜的性能直接影响染料在阳极吸附面积的大小, 从而影响光电反应的效率, 提高导电基底与阳极连接处的结实度, 有效减少电池内阻。Sining Yun研究组攻克了ZnO半导体膜阳极在导电基底上吸附能力差的问题, 创造性地在导电基底上铺设“种子”层, 然后将ZnO纳米丝聚集在在导电基底上, “种子”层有效解决了ZnO阳极膜和导电基底接触不完全的现象, 从而有效降低内阻。

2.2 共敏化研究进展

染料吸收太阳光, 并把激发状态的电子传递给阳极, 由于其特殊使命, 已经成为影响电池性能的首要因素, 染料的研发与创新直接决定染料敏化电池的研究进展。为了实现尽可能地利用太阳能, 科研人员一直在不断论证、开发、试验新型染料, 以试验不同分子结构, 渗入不同化学物质等方式不断尝试找到更为理想的染料 (敏化剂) 。有无金属成分成为染料主要考虑的分类方式, 可将其分为两类:纯有机光敏染料与金属配合物染料。

金属有机配合物染料在光电反应中会使金属原子的电子在接受能量足够强的光子后发生跃迁, 成为自由电子, 然后, 电子再运动到阳极。现阶段用的较多的是部花青染料和半菁染料, 在吲哚啉类染料和多烯染料的研究也有一定成果, 同时, 菁染料及方酸菁染料、香豆素染料和其它一些有机染料, 如齐聚噻吩类咔唑类、卟啉类的敏化作用效果也较好。因为芳香胺集团失电子能力较强 (氧化性强) , 因此, 一般也含有芳香胺集团。有机染料成分复杂, 种类繁多, 效果也良好, 是未来的一个重点发展方向。

2.2.1 无机敏化剂

无机敏化剂与有机敏化剂相比, 其拥有明显的热稳定性。现阶段使用较多的是多吡啶钌配合物类敏化剂, 膦酸多吡啶钌、羧酸多吡啶钌、多核联吡啶钌是多吡啶钌配合物的三大组成部分。使用最多的是羧酸多吡啶钌, 具体代表是N3, N719 和黑染料, 这些染料能保证染料电池拥有相对较高的能量利用率。在国外, Z907 新型两亲型敏化剂和新型K19 高吸光系数的敏化剂成为多吡啶钌类敏化剂开发研究的重心。

虽然上述的敏化剂优点显著, 但在酸碱性大于5 的水溶液中, 很容易与纳米半导体膜发生脱离。如果有磷酸基团存在, 就不容易发生脱离, 但膦酸基团的中心原子磷采用sp3 杂化, 很难与多吡啶平面共平面, 激发状态保持时间不长, 从而导致电子进入半导体膜的效果不好。Gratzel研发小组利用与Z907 相似的带膦类敏化剂Z955, 将其作为染料, 顺利实现了光电转换效率破百分之八的目标。

半导体量子点是一种具有潜力的全色敏化剂, 可以通过改变量子点颗粒尺寸的大小调节吸收光谱的波长范围。改变半导体颗粒的尺寸, 对禁带宽度进行有效控制, 以保障大部分可见光子通过。这样做也是有害处, 光腐蚀作用情况会加重, 从而对染料的光稳定性产生比较较大影响。与其他吸光染料相比, 其消光系数比较高, 能以更薄的形态吸附在阳极表面膜体上。

2.2.2 有机敏化剂

近年来, 有机敏化剂一直是研究的重点, 也是种类最为繁多的一类敏化剂, 目前, 对其的研究还处于初级阶段。有机敏化剂大都拥有类似的敏化功能性基团, 在有机物分类上分布广泛, 同时, 与生命体的可容性也比较高。此类敏化剂是利用电子在供体与受体间的平衡, 从而使能量较弱的光子被吸收成为可能, 有利于可见光区的光被充分吸收, 进而提高电流强度和太阳能利用率。

国外科研机构至少已经制备出2 种包含并噻吩基和噻吩基共轭结构单元的有机敏化剂, 从而使光电转化效率突破百分之六。随着香豆素衍生物系列敏化剂的横空出世, 光电转化效率突破百分之七, 这是一个了不起的进步。最新报道, Uchida所在的实验小组制备出的二氢吲哚类D149敏化剂, 能在特定条件下获得百分之八的转换效率, 在与EPFL合作后, 通过一系列材料上的优化, 顺利实现转化效率突破百分之九。一系列前沿科学研究表明, 有机敏化剂材料在未来充满无限可能性, 再加上有机化合物自身种类繁多, 合成新的有机物也较容易, 是未来研究探索的重点。

2.3 电解质的研究进展

染料中的正离子会在电解质溶液中被还原, 同时还原剂失去电子被氧化, 形成空穴电子, 在电池的正负极上分别发生氧化反应和还原反应, 使空穴电子在导线中传输电荷, 形成电流。理想状态下利用氧化还原反应的太阳能电池的材料要满足以下条件:在正极, 电子与阳极能迅速发生还原反应, 快速消耗阴极产生的大量电子, 避免阴极聚集大量电子;在光阳极, 电解质的还原反应相对较慢, 半导体失去的电子与电解质中的氧化剂反应速度降低。根据物理状态可以将电解质分为液态电解质、准固态电解质和固态电解质。

2.3.1 电解质溶液研究进展

液态电解质在常温下表现为液态。液态电解质按照其成分又可以分为有机溶剂液态电解质和离子液态基电解质。

有机溶剂液态电解质的主要成分为有机溶剂、氧化还原电对和添加剂。目前常用的有机溶剂为腈类和酯类;DSC中氧化还原电对主要采用I3-/I-。在液态电解质中通常还添加Li+ 等小分子阳离子和TBP, 以取得更高的光电转换率。电解质中添加锂离子能降低二氧化钛半导体的导带/ 捕获态的位置, 从而增大DSC的短路电流和转换效率, 但这也会加快电子与染料的复合, 使DSC填充因子下降。而添加TBP的效果与添加锂离子的效果相反。目前有些研究试图同时添加这两种物质, 使其达到一个平衡, 从而最大限度地提升电池性能。

离子液态基电解质完全由离子组成, 也称为低温熔融盐。它由有机阳离子和无极阴离子组成, 相对于有机溶剂电解质, 离子液态基电解质有一系列突出的优点: (1) 几乎没有蒸发, 不挥发;无色、无嗅; (2) 具有较大的稳定温度范围; (3) 通过调整其中的离子, 调节酸度。近年来, 离子液体基电解质在DSC中应用受到重视, 但离子液体粘度大, 影响碘离子的扩散。而使用两种或两种以上的离子液体混合使其性能互补, 将会是今后研究的重点。

液态电解质主要由有机溶剂、氧化还原电对和添加剂三大成分组成。氧化还原的离子转变一般为I3-/I-, 通常采用腈类或碳酸酯类作为有机溶剂, 目前常用4- 叔丁基吡啶或N- 甲基苯并咪唑作为添加剂。液态电解质分析热运动剧烈, 离子的扩散速率也随之加快, 恰好TiO2 多孔膜的浸润性和渗透能力较好, 从而大大提高整个光电转换速率。

2.3.2 准固态电解质

准固态电解质是一种介于液态电解质和固态电解质之间的一种凝胶态电解质。向液态电解质中加入固化剂, 降低电解质的流动性, 但其导电机理与液态电解质一样, 这样就解决了液态电解质封装困难、易挥发和稳定性低的问题。但是, 准固态电解质中的离子不能完全自由地运动, 故其离子电导率有进一步提高的潜力和空间。Kanga采用PEO/PEGDME/TiO2基聚合物电解质组装成DSSC的光电转换效率可达7.2%, 这已经达到液态电解质的光电转换率。为了进一步提高光电转换率以及稳定性, 实验发现:多元复合体系基质的准固态电解质的离子电导率和光电转换率相比, 单一基质的准固态电解质有较大提高。

3 目前仍存在且亟待解决的问题

在众多太阳能电池中, 硅制太阳能电池性能最优, 尤其是是单晶硅太阳能电池。通过采用加速光老化措施的针对性试验可以发现, 染料敏化太阳能电池一直保持百分之十五的光电转换效率, 此时表现出优于单晶硅的性能, 未来的市场行情无法估量。

3.1模块的串联

镀膜的厚度、孔径、敏化剂的选材, 用量等因素都可以用来改变染料敏化电池的光电效应特性和短路光电流, 如果太阳能电池采用串联连接方式, 会具有极大的优势。串联染料敏化太阳能电池能尽可能地吸收不同波段的光子, 从近紫外光到近红外光都会被囊括禁吸收到光谱波段中, 从而提高光电转化效率, 具体如图3 所示。

顶端染料敏化太阳能电池电流密度Jsc=13.66m A/cm2;电压Uoc=0.789V;FF=0.75, η=8.18%, 而底端CIGS电池的Jsc=14.3m A/cm2;Uoc=0.65V;FF=0.77。DSC/CIGS串叠电池电流密度Jsc=14.05m A/cm2; 电压Uoc=1.45V;FF=0.74, 转化效率为15.09%。

3.2 实际应用

在遵照统一变量的实验原则下, 对硅化太阳能电池和染料敏化太阳能电池进行光电转换实验, 可以得出染料敏化太阳能电池比硅化太阳能电池在光电转换效率上高出20到30 个百分点。在材料造价上, 敏化电池也相对低廉, 且其制造环境对真空度要求并不苛刻, 从而使制造成本大大低于硅化太阳能电池。随着建设节约型社会, 强调低碳环保的社会大环境的到来, 这一领域无数的商机也充分显现出来, 如应用于大型建筑物上的可发电的玻璃墙体等建筑材料。澳大利亚STA公司早在2001 年就成功创建出世界上首座染料敏化太阳能电池厂, 并为此修建了200m2太阳能电池展示屋顶, 成为了整个行业内的标杆。欧盟ECN研究所、瑞士EPFL、日本夏普公司和东京科技大学Arakawa, 这些高端科技研究机构都对染料敏化太阳能电池的研发投入了巨大的人力与资金, 本文所用到的很多数据大多都来自日本夏普公司和Arakawa的相关追踪报道。

3.3 现实存在的问题

制造成本是染料敏化太阳能电池的竞争优势, 但也会在一定程度上受稀土矿产价格的影响, 从发展角度看, 纯有机染料是突破制造成本限制的有效途径, 也是今后发展的重点。到目前为止, 还没有在室外对染料敏化电池进行使用寿命的实验统计, 相关数据库也没有建立起来, 实验室测出的模拟环境下的数据与真实情况相差甚远。以目前的理论分析看, 染料敏化太阳能的光电转换效率可以达到约四分之一, 然而, 实际情况下的效果离这一数值还相去甚远。在探索染料敏化太阳能电池的道路上还有很长的路要走。另外, 作为一种户外装置, 必定会受到外界各种复杂因素的影响, 而目前的染料敏化太阳能电池主要基于液态电解质, 其稳定性必然会受到极大挑战, 评估染料敏化电池的户外工作稳定性也是一项重要任务。染料敏化太阳能电池的制备具有传统硅化太阳能电池无法比拟的成本优势, 目前, 自我国需要将光电转换效率提高到百分之五以上, 户外稳定性能保持10a以上, 商业化价值就可以被利用起来。

4 结语

染料敏化太阳能电池一直是太阳能发电领域研究的一个重要方向, 与硅化太阳能电池相比, 无论是在制造成本上, 还是在光电转换效率上, 都拥有很大优势, 且在未来拥有无限的可能性, 科技与商业价值均很高, 同时也符合全世界倡导的低碳环保的主题与国家提倡的建设节约型社会的目标。我国在该领域的研究也早已展开, 并获得一定成果, 但与国外相比, 仍存在一定差距, 这不仅在理论上, 还在实践中, 我们还有更大的提升空间。

摘要：目前, 社会和科学技术的发展对能源的需求度越来越大, 能源短缺与环境保护是当今从事能源事业面临的两个巨大挑战。因此, 发展新型、洁净的可再生能源, 满足当今社会的发展需求, 已成为一个急需解决的问题。

关键词：染料敏化太阳能电池,纳米晶TiO2膜,敏化剂

参考文献

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