光電化學電池

隨着人類的工業文明得以迅猛發展，由此引發的能源危機和環境污染成為急待解決的嚴重問題，利用和轉換太陽能是解決世界範圍內的能源危機和環境問題的一條重要途徑。世界上第一個認識到光電化學轉換太陽能為電能可能實現的是Becquere，他在1839年發現塗布了鹵化銀顆粒的金屬電極在電解液中產生了光電流，以後Brattain、Garrett及Gerisher等人先後提出和建立了一系列有關光電化學能量轉換的基本概念和理論，開闢了光電化學研究的新領域。 

光電化學池即通過光陽板吸收太陽能並將光能轉化為電能。光陽板通常為光半導體材料，受光激發可以產生電子——空穴對，光陽極和對極（陰極）組成光電化學池，在電解質存在下光陽極吸光後在半導體帶上產生的電子通過外電路流向對極，水中的質子從對極上接受電子產生氫氣。 

光電化學池中染料敏化納米晶光電化學電池以其低成本和高效率而成為硅太陽能電池的有力競爭者。染料敏化太陽電池主要由透明導電玻璃、TiO2多孔納米膜、電解質溶液以及鍍鉑鏡對電極構成的“三明治”式結構。與p-n結固態太陽能電池不同的是，在染料敏化太陽電池中光的吸收和光生電荷的分離是分開的。染料敏化太陽能電池(DSSC)是由二氧化鈦多孔膜、光敏化劑（染料）、電解質（含氧化還原電對）、鍍鉑對電極及導電基板組成的夾層結構。 

光電化學池中染料敏化納米晶光電化學電池其基本工作原理是：在染料分子的激發態、TiO2導帶、SnO2（導電玻璃）導帶、Pt（對電極）功函之間存在着一個能級梯度差，當染料分子吸收太陽光其中基態的電子受光激發躍遷到染料激發態能級後，在能級差的驅動下，電子將會迅速轉移到TiO2導帶中，經納米晶TiO2膜空間網格的輸運進入到SnO2導帶，後經外路到達對電極，並與氧化還原電對進行電子交換後，依靠氧化還原電對在氧化態染料和對電極間完成電子轉移，從而實現整個光電循環。 

染料敏化太陽能電池的核心部分是納米多孔半導體氧化物薄膜電極。敏化染料中染料分子是染料敏化太陽能電池的光捕獲天線，是染料敏化太陽能電池的一個重要組成部分，它的作用就是吸收太陽光，將基態電子激發到高能態，然後再轉移到外電路，它的性能是決定電池轉換效率的重要因素之一。整個光電轉換的性能決定於染料能級與TiO2能級的匹配情況以及它對太陽光譜的響應性能。最有效的敏化染料是含有4,4-二羧基-2,2-聯吡啶配體的釕有機配合物。電解質也是DSSC一個重要組成部分，它使氧化態的染料分子及時還原再生，以及在對電極獲得電子而使自身得以還原，此外也提供電池內部導通，組成完整迴路。對電極，氧化還原電對通過獲得電子而得以再生。但通常這一反應的電勢較高，但當採用鉑作為對電極時，可以大大降低其反應的活化能 ^[1]  。

光電化學電池起源於法國科學家貝克雷爾(Beequerel)發現在電解質溶液中半導體產生的光電現象。半導體在電解質溶液中表面形成界面勢壘(即液體結)，分離光生的電子空穴對，在電池的兩個電極(即半導體電極和金屬對電極)上進行電化學反應，導致產生電或通過電極、溶液的化學變化生成化學產物 ^[1]  。

光電化學電池一般分為電化學光伏電池、光電解電池和光催化電池三類：

(1)電化學光伏電池：電解液中只含一種氧化還原物質，電池反應為陽、陰極上進行的氧化還原可逆反應，光照後電池向外界負載提供電能，電解液不發生化學變化，其自由能變化等於零。

(2)光電解電池：電解液中存在兩種氧化還原離子，光照後發生化學變化，其淨反應的自由能變化為正，光能有效的轉換為化學能。

(3)光催化電池：光照後電解液發生化學變化.其淨反應的自由能變化為負，光能提供進行化學反應所需的活化能 ^[2]  。

光電化學電池具有液相組分，因此又可製成直接儲能的光電化學蓄電池，成為一種既能轉換太陽光能又能進行能量儲存的多途徑轉換太陽能的光電化學器件，而且半導體在電解液中界面液體結容易形成，可以廣泛應用多晶、薄膜型半導體材料，因而具有製作工藝簡便、價格低廉等特點 ^[3]  。