染料敏化太阳能电池

纳晶太阳能材料的制备与光电器件的组装，实现太阳能到电能转换。——染料敏化太阳能电池

染料敏化纳米晶太阳能电池（DSCs）是上世纪九十年代发展起来的一种新型光伏发电器件。其工作过程集物理化学为一体，包括了光吸收产生载流子、电荷的传输和电化学反应，具体来说，就是吸附在光阳极上的染料分子吸收太阳光后，电子从基态跃迁到激发态，然后注入到光阳极，通过光阳极材料传输到外电路，失去电子的染料分子被电解液中的还原电对还原，电解液中的氧化电对扩散至对电极在对电极材料的催化作用下被还原（图1）。这种新型光伏电池环境友好、制备工艺简单、材料便宜，特别是在低成本、低价格方面具有突出优势，成本估算表明只要电池的光电转换效率达到5%就具有应用价值。目前世界上液态染料敏化纳米晶太阳能电池的光电转换效率已达到13%（50 mW/cm², AM 1.5）。

我们对染料敏化纳米晶太阳能电池的各个组成部分（包括吸光材料、光阳极、电解质及对电极等）都进行了全面的研究、分析和优化：（1）合成了宽光谱响应的有机染料。（2）制备了大比表面、高孔隙率的纳晶TiO₂薄膜以及基于TiO₂纳米管阵列的光阳极。（3）电解液方面，研发了无腐蚀性&无吸收的有机氧化还原电对、离子液体、LiI/乙酰胺相转变电解质以及凝胶电解质等；针对液体电解质的渗漏和挥发问题，我们也在固体纳米晶太阳能电池方面进行了大量研究，开发了高离子传导和电导率的固态或准固态电解质，组装的小面积固态纳晶电池的效率达到5.48%的国际先进水平。（4）制备低载铂量高活性的对电极、NiS对电极等。（5）开发新型的电池结构，如丝状电池、光电/热电复合叠层电池。（6）柔性化是纳米晶太阳能电池另一个重要发展方向，关于这方面我们制备了室温ZnO多孔电极、FTO/PET柔性电极、柔性碳对电极以及低成本、柔性聚苯胺/碳复合对电极等多种适合低温制备的柔性电极。此外，我们对电池的制备组装工艺也进行了全面的研究，为大面积电池的制备和工业化生产打下了良好的基础。在理论计算和大量实验的基础上，已在实验室成功地制备了10×15 cm²的大面积电池（图2），目前正在试验更大尺寸电池制备以及新封装工艺的可行性。

图1  DSCs结构示意图

图2  大面积电池实物图

电池的每一个部分都蕴含着丰富的内容：合成新型染料或采用不同的敏化方式来提高电池的光谱响应范围；提高纳米晶薄膜的制作工艺来优化电子注入与电荷传输过程；解决液态电解质电池的封装问题或继续提高固态电解质电池的效率；开发低成本、高催化活性的对电极材料。一块小小的太阳能电池很大程度上能够解决现在面临的能源问题，在这个体系里仍然有非常多的有趣的未解科学难题，欢迎各位感兴趣的有志青年参与到我们的团队中来。

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