國際納米太陽能電源研制技術(shù)新動向
光電化學(xué)太陽能電池是根據(jù)光生伏特原理,將太陽能直接轉(zhuǎn)換成電能的一種半導(dǎo)體光電器件,是伴隨著半導(dǎo)體電化學(xué)發(fā)展起來的一個嶄新的科學(xué)研究領(lǐng)域。從1839年Becquerel發(fā)現(xiàn)氧化銅或鹵化銀涂在金屬電極上會產(chǎn)生光電現(xiàn)象以來,光電化學(xué)研究倍受關(guān)注。20世紀(jì)60年代,德國Tributsch發(fā)現(xiàn)染料吸附在半導(dǎo)體上并在一定條件下產(chǎn)生電流的機(jī)理,成為光電化學(xué)電池的重要基礎(chǔ)。1971年Hond''s 和Fujishima用TiO2電極光電解水獲得成功,這才開始了具有實(shí)際意義的光電化學(xué)電池的研究。在光電池研究中,大多數(shù)染料敏化劑的光電轉(zhuǎn)換效率比較低（<1％）,直到最近的幾項(xiàng)突破性研究才使染料敏化光電池的光電能量轉(zhuǎn)換率有了很大提高。1991年,以瑞士洛桑高等工業(yè)學(xué)院M.Gratzel教授為首的研究小組采用高比表面積的納米多孔TiO2膜作半導(dǎo)體電極,以過渡金屬Ru以及Os等有機(jī)化合物作染料,并選用適當(dāng)?shù)难趸�原電解質(zhì)研制出一種納米晶體光電化學(xué)太陽能電池（Nanocrystalline Photoelectrochemical Cells,簡稱NPC電池）。
這種電池的出現(xiàn)為光電化學(xué)電池的發(fā)展帶來了革命性的創(chuàng)新,其光電能量轉(zhuǎn)換率（light-to-electric energy conversion yield）在AM 1.5模擬日光照射下可達(dá)7.1%,入射光子-電流轉(zhuǎn)換效率（incident monochromatic photon-to-current conversion efficiency,IPCE）大于80％。此后,半導(dǎo)體光電化學(xué)電池再次成為研究熱點(diǎn)。1993年,Gratzel等人再次報道了光電能量轉(zhuǎn)換率達(dá)10％的染料敏化納米太陽能電池,1997年其轉(zhuǎn)換效率達(dá)到了10%～11％,短路電流為18×10-3A/cm2,開路電壓為720mV。
Gratzel研究小組首先使用聯(lián)吡啶釕-TiO2體系使得光電轉(zhuǎn)換率達(dá)10％。雖然它具備穩(wěn)定性好、激發(fā)態(tài)反應(yīng)活性高、激發(fā)態(tài)壽命長等優(yōu)點(diǎn),但在近紅外區(qū)的吸收很弱,其譜吸收光譜與太陽光譜還不能很好地匹配。因此,尋找新的染料敏化體系,使其吸收范圍擴(kuò)展至近紅外區(qū),以盡可能地利用太陽光能仍是研究方向之一。
NPC電池的組成結(jié)構(gòu)、工作原理及性能特點(diǎn)
NPC電池主要由透明導(dǎo)電基片、多孔納米晶二氧化鈦薄膜、染料光敏化劑、電解質(zhì)溶液（含超敏化劑）和透明電極組成,如圖1所示。其工作原理是,染料分子吸收太陽光能后躍遷到激發(fā)態(tài),但激發(fā)態(tài)不穩(wěn)定,電子快速注入到緊鄰的TiO2導(dǎo)帶,染料中失去的電子則很快從電解質(zhì)中得到補(bǔ)償,進(jìn)入TiO2導(dǎo)帶中的電子最終進(jìn)入導(dǎo)電膜,然后通過外回路產(chǎn)生光電流。
