染料电池资料.doc

(严峰）染料敏化电池 染料敏化纳米晶太阳能电池染料敏化太阳电池主要是模仿光合作用原理，研制出来的一种新型太阳电池，其主要优势是：原材料丰富、成本低、工艺技术相对简单，在大面积工业化生产中具有较大的优势，同时所有原材料和生产工艺都是无毒、无污染的，部分材料可以得到充分的回收，对保护人类环境具有重要的意义。自从1991年瑞士洛桑高工（EPFL）M. Grtzel教授领导的研究小组在该技术上去的突破以来，欧、美、日等发达国家投入大量资金研发。目录 染料敏化太阳能电池研究历史染料敏化太阳能电池结构组成及原理染料敏化太阳能电池目前情况展开染料敏化太阳能电池研究历史染料敏化太阳能电池结构组成及原理染料敏化太阳能电池目前情况染料敏化太阳能电池研究历史染料敏化太阳能电池的研究历史可以追溯到19世纪早期的照相术。1837年，Daguerre制出了世界上第一张照片。两年后，Fox Talbot将卤化银用于照片制作，但是由于卤化银的禁带宽度较大，无法响应长波可见光，所以相片质量并没有得到很大的提高。1883年，德国光电化学专家Vogel发现有机染料能使卤化银乳状液对更长的波长敏感，这是对染料敏化效应的最早报导。使用有机染料分子可以扩展卤化银照相软片对可见光的响应范围到红光甚至红外波段，这使得“全色”宽谱黑白胶片乃至现在的彩色胶片成为可能。1887年，Moser将这种染料敏化效应用到卤化银电极上，从而将染料敏化的概念从照相术领域延伸到光电化学领域。1964年，Namba和Hishiki发现同一种染料对照相术和光电化学都很有效。这是染料敏化领域的重要事件，只是当时不能确定其机理，即不确定敏化到底是通过电子的转移还是通过能量的转移来实现的。直到20世纪60年代，德国的Tributsch发现了染料吸附在半导体上并在一定条件下产生电流的机理，才使人们认识到光照下电子从染料的基态跃迁到激发态后继而注入半导体的导带的光电子转移是造成上述现象的根本原因。这为光电化学电池的研究奠定了基础。但是由于当时的光电化学电池采用的是致密半导体膜，染料只能在膜的表面单层吸附，而单层染料只能吸收很少的太阳光，多层染料又阻碍了电子的传输，因此光电转换效率很低，达不到应用水平。后来人们制备了分散的颗粒或表面积很大的电极来增加染料的吸附量，但一直没有取得非常理想的效果。1988年，Grätzel小组用基于Ru的染料敏化粗糙因子为200的多晶二氧化钛薄膜，用Br2/Br-氧化还原电对制备了太阳能电池，在单色光下取得了12 %的转化效率，这在当时是最好的结果了。直到1991年，Grätzel在ORegan的启发下，应用了ORegan制备的比表面积很大的纳米TiO2颗粒，使电池的效率一举达到7.1 %，取得了染料敏化太阳能电池领域的重大突破。应当说，纳米技术促进了染料敏化太阳能电池的发展。染料敏化太阳能电池结构组成及原理结构组成主要由纳米多孔半导体薄膜、染料敏化剂、氧化还原电解质、对电极和导电基底等几部分组成。纳米多孔半导体薄膜通常为金属氧化物（TiO2、SnO2、ZnO等），聚集在有透明导电膜的玻璃板上作为DSC的负极。对电极作为还原催化剂，通常在带有透明导电膜的玻璃上镀上铂。敏化染料吸附在纳米多孔二氧化钛膜面上。正负极间填充的是含有氧化还原电对的电解质，最常用的是I3/I-。工作原理 DSSC工作原理染料敏化太阳电池结构示意图 染料分子受太阳光照射后由基态跃迁至激发态； 处于激发态的染料分子将电子注入到半导体的导带中； 电子扩散至导电基底，后流入外电路中； 处于氧化态的染料被还原态的电解质还原再生； 氧化态的电解质在对电极接受电子后被还原，从而完成一个循环； 和 分别为注入到TiO2 导带中的电子和氧化态染料间的复合及导带上的电子和氧化态的电解质间的复合研究结果表明：只有非常靠近TiO2表面的敏化剂分子才能顺利把电子注入到TiO2导带中去，多层敏化剂的吸附反而会阻碍电子运输；染料色激发态寿命很短，必须与电极紧密结合，最好能化学吸附到电极上；染料分子的光谱响应范围和量子产率是影响DSC的光子俘获量的关键因素。到目前为止，电子在染料敏化二氧化钛纳米晶电极中的传输机理还不十分清楚，有待于进一步研究。染料敏化太阳能电池目前情况通过近二十年的研究与优化，染料敏化太阳能电池的效率已经超过了12 %。这种电池的突出优点是高效率、低成本、制备简单，因此有望成为传统硅基太阳能电池的有力竞争者。 距离2013年考研复试时间已经不多，有先见之明的同学已经开始着手准备考研复试问题，但是怎么样才能在2013年考研复试中脱颖而出，最终胜出呢，下面为大家总结一下导师眼中的科研“潜力股”，来帮助同学们指点迷津，最终在不久之后的考研复试中顺利胜出，拿到理想中的入学通知书。潜力股：求知欲强 一般来说导师眼中的科研潜力股通常情况下自我探索能力相对别人要强。尽管能够通过考研初试的同学都称得上学习成绩很优秀，但绝大部分都属于应试能力超强，却缺乏相应的自主能力。自主查资料、自主学习、自主组织所学知识能力这样的素质并非人人都有，由于大二、大三的学生不少专业课都没有学习，再加上要申请的项目具有一定创新性，涉及到很多没有学过的知识。在这种情况下，查阅与项目相关的文献，通过学习相关知识尽快消化，在此基础上写出一个好的项目申请报告，难度是相当大的。能够完成这种任务的学生，并同时体现出良好的自主探索能力的学生就是很好的潜力股。 众所周知，读研之后在项目实施过程中，潜力股的自我探索能力将体现得更加明显。举例来说，有的学生尽管日常学习成绩在班上处于前三名，但一做项目就束手无策，不知道从何下手，不具备自主学习完成项目任务所需要的各种知识，在项目组干了一年也没有做什么具体事情，最后只好退出。潜力股则完全相反，他们能够根据项目目标确定几个关键词，再通过网络搜索工具和图书馆的文献数据库查找相关资料，并对收集的资料自主学习和消化。如果对资料中的相关背景知识没有学习过，他们还能够到图书馆借阅相关书籍进行自主学习。总之，潜力股能够为完成项目任务自主学习他们想学习的知识，并把所学知识应用到项目实施过程中。潜力股：意志力坚定 除了相当的专业素质之外，潜力股还要有坚定的意志力，要不惧困难，有坚定的信念，才能在相对枯燥的科研生活中坚持到最后。很多学生尽管学习成绩优秀，却对承担具有挑战性的科研任务感到畏惧，甚至不少人害怕难以完成任务而选择中途退出。 还有的学生意志力不坚定，往往三心二意，最终一事无成。这样的学生尽管看起来也很努力，但由于没有固定目标，见异思迁，做了无数的无用功，这样是很难把科研做好的。 潜力股则不同，他们通常能够知难而上，对老师分配的任务会想尽办法解决，碰到问题会及时和老师沟通，直到问题得到解决为止。只有不怕困难，面对科研任务积极学习各种专业知识，在困难面前不低头，长时间想办法解决科研中的各种难题的学生，才能够取得成功。好的潜力股能够想办法克服科研中各种困难，对克服科研中的各种障碍具有优秀的自信心。 潜力股：善于发现问题 潜力股通常比较善于发现问题，并喜欢向老师请教。有些学生在一开始碰到难题的时候，感觉自己摸索吃不透，却又不善于向老师提问，最后干脆选择逃避，最终退出。潜力股则不同，碰到问题会及时向老师或其他人请教，喜欢积极思考，这样会在科研道路上越走越顺，进步也越来越大。老师也因为学生经常问问题而对他们有更深层次地了解，愿意热心帮助他们，促进他们的成长。潜力股：自学能力强 潜力股在考研进程中还有一个优点，那就是自学能力极强。书到用时方恨少，本科生要开展科研项目更是如此。由于有若干课程还没有结束，大二、大三的学生做科研时有不少知识需要从头开始自学。能够顺利自学完一门课程或多门课程，并用于科研实践中，这样的学生是好的潜力股。那些在项目中无法有效发挥作用的学生，自学能力与潜力股确实差很多。潜力股：超强的团队认知 最后一点，潜力股还有超强的团队认知。日常考研中他们能够与项目组成员通力合作，大家一起进步，一起学习，一起解决问题。在项目中相互理解、相互支持，是项目能够成功的关键。尽管我刻意培养学生的团队精神，但具有团队精神的学生很难得，项目往往因为项目组的团队精神缺乏而停滞不前。 染料敏化太阳能电池染料敏化太阳电池主要是模仿光合作用原理，研制出来的一种新型太阳电池，其主要优势是：原材料丰富、成本低、工艺技术相对简单，在大面积工业化生产中具有较大的优势，同时所有原材料和生产工艺都是无毒、无污染的，部分材料可以得到充分的回收，对保护人类环境具有重要的意义。自从1991年瑞士洛桑高工(EPFL)M. Grtzel教授领导的研究小组在该技术上去的突破以来，欧、美、日等发达国家投入大量资金研发。染料敏化太阳能电池 - 结构组成主要由纳米多孔半导体薄膜、染料敏化剂、氧化还原电解质、对电极和导电基底等几部分组成。纳米多孔半导体薄膜通常为金属氧化物(TiO2、SnO2、ZnO等)，聚集在有透明导电膜的玻璃板上作为DSC的负极。对电极作为还原催化剂，通常在带有透明导电膜的玻璃上镀上铂。敏化染料吸附在纳米多孔二氧化钛膜面上。正负极间填充的是含有氧化还原电对的电解质，最常用的是I3/I-。 染料分子受太阳光照射后由基态跃迁至激发态; 处于激发态的染料分子将电子注入到半导体的导带中; 电子扩散至导电基底，后流入外电路中; 处于氧化态的染料被还原态的电解质还原再生; 氧化态的电解质在对电极接受电子后被还原，从而完成一个循环; 和 分别为注入到TiO2 导带中的电子和氧化态染料间的复合及导带上的电子和氧化态的电解质间的复合研究结果表明：只有非常靠近TiO2表面的敏化剂分子才能顺利把电子注入到TiO2导带中去，多层敏化剂的吸附反而会阻碍电子运输;染料色激发态寿命很短，必须与电极紧密结合，最好能化学吸附到电极上;染料分子的光谱响应范围和量子产率是影响DSC的光子俘获量的关键因素。到目前为止，电子在染料敏化二氧化钛纳米晶电极中的传输机理还不十分清楚，有Weller等的隧穿机理、Lindquist等的扩散模型等，有待于进一步研究。特点DSC与传统的太阳电池相比有以下一些优势：寿命长：使用寿命可达15-20年;结构简单、易于制造，生产工艺简单，易于大规模工业化生产;制备电池耗能较少，能源回收周期短;生产成本较低，仅为硅太阳能电池的1/51/10，预计每蜂瓦的电池的成本在10元以内。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。发展大事记1839 年，Becquerel发现氧化铜或卤化银涂在金属电极上会产生光电现象，证实了光电转换的可能。 1960 年代，H.Gerischer，H.Tributsch，Meier及R.Memming发现染料吸附在半导体上并在一定条件下产生电流的现象，成为光电化学电池的重要基础。1980年代, 光电转换研究的重点转向人工模拟光合作用，美国州立Arizona大学的Gust和Moore研究小组成功模拟了光合作用中光电子转换过程，并取得了一定的成绩。Fujihia等将有机多元分子用L B 膜组装成光电二极管，开拓了这方面的工作。1970年代到90年代，R.Memming，H.Gerischer，Hauffe，H.Tributsh等人大量研究了各种染料敏化剂与半导体纳米晶间光敏化作用，研究主要集中在平板电极上，这类电极只有表面吸附单层染料，光电转换效率小于1%。1991年，Grätzel M.于Nature上发表了关于染料敏化纳米晶体太阳能电池的文章以较低的成本得到了7%的光电转化效率，开辟了太阳能电池发展史上一个崭新的时代,为利用太阳能提供了一条新的途径。1993年, Grätzel M.等人再次研制出光电转换效率达10 %的染料敏化太阳能电池, 已接近传统的硅光伏电池的水平。1997年，该电池的光电转换效率达到了10%-11%，短路电流达到18mA/cm2,开路电压达到720mV。1998年，采用固体有机空穴传输材料替代液体电解质的全固态Grätzel电池研制成功，其单色光电转换效率达到33%，从而引起了全世界的关注。2000年，东芝公司研究人员开发含碘/ 碘化物的有机融盐凝胶电解质的准固态染料敏化纳米晶太阳能电池，其光电能量转换率7.3 % 。2001年, 澳大利亚STA 公司建立了世界上第一个中试规模的DSC 工厂。2002 年, STA建立了迄今为止独一无二的面积为200m2 DSC 显示屋顶,集中 体现了未来工业化的前景。2002年Peng Wang等人用含有1 - m e t h y l - 3 -propylimidazolium iodide 和 poly (viylidenefloride-cohexafluoropropylene)离子液态聚合物凝胶电解质的准固态染料敏化纳米晶太阳能电池，其光电转换效率可达5.3 % 。2003年，日本Kohjiro Hara等人报道了一种多烯染料敏化纳米太阳能电 池，其光电能量转换率达6.8 % 。2003年，日本Tamotsu Huriuchi等人开发一种廉价的indoline染料，其光电转换效率可达6.1 % 。2003年，Akrakawa工作组用香豆素染料做敏化剂的太阳能电池，其光电转换效率可达7.7 % 。2003年，Grätzel小组报道了以两性分子染料与多孔聚合物电解质组装的准固态纳米晶太阳电池，在AM 1.5模拟太阳光下光电转换率高于6%。2003年，台湾工业技术研究院能源研究所应用纳米晶体开发出的染料敏化太阳能电池，根据报道，其光电转换效率可达8 % 1 2 % ，目前纳米晶体太阳能电池技术在海外已开始商品化，初期效率约5 % 。2003年，中国科学院等离子体物理研究所(IPP)成功制备出光电转换效率接近6%的15 20cm2 及40 60cm2 的电池组件。2004年,中国科学院等离子体物理研究所(IPP)建成了500瓦规模的小型示范电站,光电转换效率达5 %。2004年，韩国Jong Hak Kim等使用复合聚合电解质全固态染料敏化纳米晶太阳能电池，其光电转换效率可达4.5% 。2004年，日立制作所试制成功了色素(染料)增感型太阳能电池的大尺寸面板，在实验室内进行的光电转换效率试验中得出的数据为9.3% 。2004年，染料敏化纳米晶太阳能电池开发商Peccell Technologies公司(Peccell)宣布其已开发出电压高达4 V ( 与锂离子电池电压相当) 的染料敏化纳米晶太阳能电池，可作为下一代太阳能电池，有可能逐渐取代基于硅元素的太阳能电池产品2004年，日本足立教授领导的研究组用TiO2纳米管做染料敏化纳米晶太阳能电池电极材料其光电转换效率可达5 % ，随后用TiO2纳米网络做电极其光电转换效率达到9.33% 。2006年，日本岐阜大学(Gifu University)开发的基于二氢吲哚类有机染料敏化的电沉积纳米氧化锌薄膜的塑性彩色电池效率达到了5.6 % 。2006年，日本桐荫横滨大学开发的基于低温TiO2 电极制备技术的全柔性DSC 效率超过了6%。2009年，中国科学院长春应用化学研究所王鹏课题组研制的电池的效能为9.8%。染料敏化太阳能电池的发明者、瑞士洛桑联邦理工学院的化学教授迈克尔格拉特兹勒说：“10年前，我们认为我们不会得到超过1%的结果。现在却得到了9.8%的高能效。”目前，DSSCs的光电转化效率已能稳定在10%以上，据推算寿命能达1520年，且其制造成本仅为硅太阳能电池的1/51/10我国染料敏化太阳能电池迈向产业化继多晶硅及薄膜太阳能电池之后，第三代太阳能电池产品染料敏化太阳能电池产业化开发取得突破。上周河北汉光重工有限责任公司透露，该公司承担的