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染料敏化太陽能電池
鎖定
- 中文名
- 染料敏化太陽電池
- 外文名
- Dye Sensitized Solar Cell
- 別 名
- Gratzel電池
- 發明時間
- 1991年
- 發明人
- Michael Gratzel
- 分 類
- 有機太陽電池
染料敏化太陽能電池簡介
其主要優勢是:原材料豐富、成本低、工藝技術相對簡單,在大面積工業化生產中具有較大的優勢,同時所有原材料和生產工藝都是無毒、無污染的,部分材料可以得到充分的回收,對保護人類環境具有重要的意義。自從1991年瑞士洛桑高工(EPFL)M. Gratzel教授領導的研究小組在該技術上取得突破以來,歐、美、日等發達國家投入大量資金研發。
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染料敏化太陽能電池 - 結構組成
主要由納米多孔半導體薄膜、染料敏化劑、氧化還原電解質、對電極和導電基底等幾部分組成。納米多孔半導體薄膜通常為金屬氧化物(TiO2、SnO2、ZnO等),聚集在有透明導電膜的玻璃板上作為DSC的陰極。對電極作為還原催化劑,通常在帶有透明導電膜的玻璃上鍍上鉑。敏化染料吸附在納米多孔二氧化鈦膜面上。正負極間填充的是含有氧化還原電對的電解質,最常用的是KCl(氯化鉀)。
(2) 處於激發態的染料分子將電子注入到半導體的導帶中;
電子擴散至導電基底,後流入外電路中;
(4) 氧化態的電解質在對電極接受電子後被還原,從而完成一個循環;
(5) 和(6) 分別為注入到TiO2 導帶中的電子和氧化態染料間的複合及導帶上的電子和氧化態的電解質間的複合
研究結果表明:只有非常靠近TiO2表面的敏化劑分子才能順利把電子注入到TiO2導帶中去,多層敏化劑的吸附反而會阻礙電子運輸;染料色激發態壽命很短,必須與電極緊密結合,最好能化學吸附到電極上;染料分子的光譜響應範圍和量子產率是影響DSC的光子俘獲量的關鍵因素。電子在染料敏化二氧化鈦納米晶電極中的傳輸機理還不十分清楚,有Weller等的隧穿機理、Lindquist等的擴散模型等,有待於進一步研究。
染料敏化太陽能電池產品特點
DSSC與傳統的太陽電池相比有以下一些優勢:
⑴壽命長:使用壽命可達15-20年;
⑵結構簡單、易於製造,生產工藝簡單,易於大規模工業化生產;
⑶製備電池耗能較少,能源回收週期短;
⑸生產過程中無毒無污染;
經過短短十幾年時間,染料敏化太陽電池研究在染料、電極、電解質等各方面取得了很大進展。同時在高效率、穩定性、耐久性、等方面還有很大的發展空間。但真正使之走向產業化,服務於人類,還需要全世界各國科研工作者的共同努力。
這一新型太陽電池有着比硅電池更為廣泛的用途:如可用塑料或金屬薄板使之輕量化,薄膜化;可使用各種色彩鮮豔的染料使之多彩化;另外,還可設計成各種形狀的太陽能電池使之多樣化。總之染料敏化納米晶太陽能電池有着十分廣闊的產業化前景,是具有相當廣泛應用前景的新型太陽電池。相信在不久的將來,染料敏化太陽電池將會走進我們的生活。
染料敏化太陽能電池發展事記
1839 年,Becquerel發現氧化銅或鹵化銀塗在金屬電極上會產生光電現象,證實了光電轉換的可能。 1960 年代,H.Gerischer,H.Tributsch,Meier及R.Memming發現染料吸附在半導體上並在一定條件下產生電流的現象,成為光電化學電池的重要基礎。
1980年代, 光電轉換研究的重點轉向人工模擬光合作用,美國州立Arizona大學的Gust和Moore研究小組成功模擬了光合作用中光電子轉換過程,並取得了一定的成績。Fujihia等將有機多元分子用L B 膜組裝成光電二極管,開拓了這方面的工作。
1970年代到90年代,R.Memming,H.Gerischer,Hauffe,H.Tributsh等人大量研究了各種染料敏化劑與半導體納米晶間光敏化作用,研究主要集中在平板電極上,這類電極只有表面吸附單層染料,光電轉換效率小於1%。
1991年,Grätzel M.於《Nature》上發表了關於染料敏化納米晶體太陽能電池的文章以較低的成本得到了>7%的光電轉化效率,開闢了太陽能電池發展史上一個嶄新的時代,為利用太陽能提供了一條新的途徑。
1993年, Grätzel M.等人再次研製出光電轉換效率達10 %的染料敏化太陽能電池, 已接近傳統的硅光伏電池的水平。
1998年,採用固體有機空穴傳輸材料替代液體電解質的全固態Grätzel電池研製成功,其單色光電轉換效率達到33%,從而引起了全世界的關注。
2002 年, STA建立了迄今為止獨一無二的面積為200m2 DSC 顯示屋頂,集中 體現了未來工業化的前景。
2002年Peng Wang等人用含有1 - m e t h y l - 3 -propylimidazolium iodide 和 poly (viylidenefloride-cohexafluoropropylene)離子液態聚合物凝膠電解質的準固態染料敏化納米晶太陽能電池,其光電轉換效率可達5.3 % 。
2003年,日本Tamotsu Huriuchi等人開發一種廉價的indoline染料,其光電轉換效率可達6.1 % 。
2003年,台灣工業技術研究院能源研究所應用納米晶體開發出的染料敏化太陽能電池,根據報道,其光電轉換效率可達8 % ~ 1 2 % ,納米晶體太陽能電池技術在海外已開始商品化,初期效率約5 % 。
2004年,中國科學院等離子體物理研究所(IPP)建成了500瓦規模的小型示範電站,光電轉換效率達5 %。
2004年,韓國Jong Hak Kim等使用複合聚合電解質全固態染料敏化納米晶太陽能電池,其光電轉換效率可達4.5% 。
2004年,染料敏化納米晶太陽能電池開發商Peccell Technologies公司(Peccell)宣佈其已開發出電壓高達4 V ( 與鋰離子電池電壓相當) 的染料敏化納米晶太陽能電池,可作為下一代太陽能電池,有可能逐漸取代基於硅元素的太陽能電池產品
2006年,日本桐蔭橫濱大學開發的基於低温TiO2 電極製備技術的全柔性DSC 效率超過了6%。
2009年,中國科學院長春應用化學研究所王鵬課題組研製的電池的效能為9.8%。染料敏化太陽能電池的發明者、瑞士洛桑聯邦理工學院的化學教授邁克爾·格拉特茲勒説:“10年前,我們認為我們不會得到超過1%的結果。現在卻得到了9.8%的高能效。”
DSSCs的光電轉化效率已能穩定在10%以上,據推算壽命能達15~20年,且其製造成本僅為硅太陽能電池的1/5~1/10
染料敏化太陽能電池產業化
繼多晶硅及薄膜太陽能電池之後,第三代太陽能電池產品——染料敏化太陽能電池產業化開發取得突破。上週河北漢光重工有限責任公司透露,該公司承擔的國內首個染料敏化太陽能電池產業化項目攻克了光電材料、單元封裝、組件封裝等難關,把電池從2×2平方釐米、5×5平方釐米、15×15平方釐米,做到了80×72平方釐米。經檢測,這種大面積的染料敏化太陽能電池的技術指標及穩定性均達到了產業化要求。
與傳統太陽能電池相比,它的最大優勢在於其製作工藝簡單、不需昂貴的設備和高潔淨度的廠房設施,製作成本僅為硅太陽能電池的1/10~1/5。該電池使用的納米二氧化鈦、N3染料、電解質等材料價格便宜且環保無污染,同時它對光線的要求相對不那麼嚴格,即使在比較弱的光線照射下也能工作。
據該項目負責人介紹,染料敏化太陽能電池於1991年由瑞士科學家實現了技術上的重大突破,之後美國、日本等發達國家投入大量資金也進入該研發領域。我國染料敏化太陽能電池研究始於1994年,由中國科學院化學研究所發起,目前,該課題已被列為國家“863”、“973”計劃重大科研項目。
2008年初,中科院化學研究所與河北漢光重工有限責任公司簽訂長期合作協議,併成立漢光太陽能研究所。2009年底,邯鄲市政府與河北漢光重工有限責任公司簽訂共同推進染料敏化太陽能電池研發項目合作協議。漢光太陽能研究所已掌握核心材料如:N3染料、電解質、鉑液、保護層、碳層的配方及生產合成工藝,具備了多種規格型號電池單元的製作能力,其光電流、光電壓及光電效率都已滿足小型用電器的電量要求,具備小批量生產能力。
- 參考資料
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- 1. B O'regan, M Gratzel.A low-cost, high-efficiency solar cell based on dye-sensitized:Nature,1991:737-740
- 2. Electrolytes in Dye-Sensitized Solar Cells .美國化學學會網站[引用日期2015-03-24]
- 3. Gratzel太陽能電池光電轉換效率創新高度 .騰訊[引用日期2013-02-08]
- 4. S. Mathew, A. Yella, P. Gao, R. Humphry-Baker, B. F. Curchod, N. Ashari-Astani, I. Tavernelli, U. Rothlisberger, M. K. Nazeeruddin, M. Gratzel, Nature chemistry 2014, 6, 242.
- 5. 我國染料敏化太陽能電池邁向產業化 .中國電池網[引用日期2012-11-13]