染料敏化太阳电池的7.5.2技术优化

染料敏化太阳电池（dye-sensitized solar cell，DSSC）全称染料敏化纳米薄膜太阳电池，是基于自然界中的光合作用原理而发明的。染料敏化太阳电池由瑞士的Graktzel教授领导的研究小组首次提出^[20]，近年得以快速发展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，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^[21]。在介绍染料敏化太阳电池工作原理前，先简单介绍一下半导体和电解质的接触。

1.半导体—电解质接触

与肖特基接触类似，半导体—电解质接触也是一种重要的异质结，光化学电池器件的基本结构便是半导体—电解质结^[22]。在这种异质结构中，电解质一般含有可以在氧化态（oxidation state）和还原态（reduction state）之间变换的离子，形成氧化还原对。例如，I^3-和I^-可以形成氧化还原对，作为氧化态的I^3-和作为还原态的I-之间也可以像半导体材料中的价带电子受激跃迁至导带一样产生电子。电介质中氧化还原电势（E_r0，eV）也具有相当于费米能级的物理意义，它在热平衡状态时是常数。类似地，电解质的功函数（Φ_e，eV）被定义为

Φ_e=E_vac-E_r0 （7.7）

若氧化态相对浓度为RC_{_ox}（%），还原态相对浓度为RC_{_red}（%），电解质的净电荷量由RC_{_ox}和RC_{_red}共同决定，则式（7.7）可以表示为

式中 Φ_ref——参考功函数，一般是氢原子的氧化还原电势；

E⁰_ro——电解质相对于Φ_ref的标准氧化还原电势。

半导体—电解质接触的特性与金属—半导体接触一样，有赖于半导体功函数（Φ_p或Φ_n）和电解质功函数Φ_e的大小。如果Φ_e＜Φ_p，电子从费米能级高的电解质向p型半导体扩散，直到p型半导体的费米能级E_F和电解质的氧化还原电势E_redox相等。在其界面，形成了空间电荷区，其中半导体一侧积累了负电荷，电解质一侧积累了正电荷，从而形成由电解质指向半导体的内建电场；该内建电场又将空穴由p型半导体一侧输出。同样，若Φ_e＞Φ_n，电子从费米能级E_F更高的n型半导体向电解质扩散，直到费米能级E_F和氧化还原电势E_rox相等。在空间电荷区的电解质一侧，累积了负电荷，在n型半导体一侧，累积了正电荷；由n型半导体指向电解质的内建电场F有利于将电子从n型半导体一侧输出^[4]。因此，半导体—电解质接触的特性同肖特基接触一样也具有光伏特性。图7.14所示为p型半导体与电解质接触前后的能带示意图。(www.xing528.com)

图7.14 p型半导体与电解质接触前后能带示意图

a）接触前 b）接触后

2.染料敏化太阳电池的工作原理

染料敏化太阳电池器件的基本结构属于半导体—电解质接触。这种电池以廉价的TiO₂纳米多孔膜作为半导体电极，以Ru及Os等有机金属化合物作为光敏化染料，选用适当的氧化—还原电解质作为介质，组装成染料敏化TiO₂纳米晶太阳电池（简称DSSC电池）。它主要由以下几部分组成：透明导电玻璃、纳米多孔TiO₂膜、染料光敏化剂、电解质和对电极^[6]。

DSSC的工作原理：染料吸收光子后发生电子跃迁，光生电子快速注入半导体的导带并经过集流体进入外电路而流向对电极。失去电子的染料分子成为正离子，被还原态的电解质还原再生。还原态的电解质本身被氧化，扩散到对电极，与外电路流入的电子复合并被还原，这样就完成了一个循环。光能被直接转换成了电能，而电池内部并没有发生净的化学变化。图7.15给出了染料敏化太阳电池工作原理示意图。

图7.15 染料敏化太阳电池工作原理示意图