有机太阳能电池ppt课件.ppt
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1、,有机太阳能电池,1 染料敏化太阳能电池及材料2 有机聚合物太阳电池3 有机光伏电池的理论及参数,太阳能电池归类及效率,太阳能电池应用,以有机分子作为光作用材料的太阳能电池主要可区分为四大类:(1)染料敏化太阳能电池(dye-sensitized solar cell,DSSC);(2)全有机半导体材质的太阳能电池;(3)高分子掺混碳六十及其衍生物的太阳能电池;(4)高分子掺混无机纳米粒子的太阳能电池,全称:染料敏化纳米薄膜太阳能电池,是近年发展起来的一种太阳能电池,是由瑞士的Graktzel教授领导的研究小组首次提出的,是基于自然界中的光合作用原理 而发明的这种电池以廉价的TiO2 纳米多孔
2、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,选用适当的氧化一还原电解质做介质,组装成染料敏化TiO 2纳米晶太阳能电池(简称DSSC电池),1 染料敏化太阳能电池及材料,DSSC 电池简介,1991年,瑞士Grtzel M.以较低的成本得到了7%的光电转化效率。1998年,采用固体有机空穴传输材料的全固态DSSCs电池研制成功,其单色光电转换效率达到33%,从而引 起了全世界的关注。目前,DSSCs的光电转化效率已能稳定在10以上,寿命能达 1520年,且其制造成本仅为硅太阳能电池的1/51/10。,1 染料敏化太阳能电池及材料,DSSC 电池简介,1998,Sommelin
3、g et al,1998,M,Gratzel,Black-dye,10.4%(AM1.5),2001,A.Hagfektt et al 6.2%(AM1.5),2002,W.Kubo et al,6.0%(AM1.5),2003,1993,M,Gratzel,N719-dye,10.58%(AM1.5),2004,M,Gratzel,11.04%(AM1.5),1976,H.Tsubomura,et al,ZnO,2.5%(at 563nm),1991,M.Gratzel,N3-dye,7.1-7.9%(AM1.5),1998.K.Tennakone,CuI,4.5%(simulated su
4、nlight),2003,M.Gratzel,6.6%(AM1.5),1993,M.Gratzel,Red-dye,10.0%(AM1.5),图1.12 TiO2染料敏化太阳电池发展简况,1 染料敏化太阳能电池及材料,DSSC 电池简介,从经济角度来讲:若批量生产,电池的成本在510元/(峰瓦)左右3,而普通的硅电池在20-40元/(峰瓦),因而染料敏化纳米薄膜太阳电池电池非常适合批量生产,满足城市居民以及广大农村的需要,特别是对我国近七千万边远地区人口的用电具有实际的意义。,染料敏化太阳电池的优点:,1 染料敏化太阳能电池及材料,DSSC 电池简介,战略角度来讲 我国是一个能源的消耗大国,特
5、别是电力的短缺严重影响我国的经济持续稳定发展。但是无论是核电还是火电所需要的燃料都是非常有限的,发电的同时也给环境造成了严重的污染。因此我国尤其应当注重太阳能这种可再生绿色能源的开发与利用。为经济、环境、社会的协调发展奠定良好的基础。,染料敏化太阳电池的优点:,1 染料敏化太阳能电池及材料,DSSC 电池简介,从实用性角度来讲:从染料敏化纳米薄膜太阳电池的结构可以看出,电池是由双块透明导电玻璃及有一定颜色的染料和电解质构成,而整个电池是透明的,且带一定颜色,所以可以通过适当选择染料和电解质的颜色及TiO2膜的厚度来控制整个电池的透光率,这样可以把电池用作窗户玻璃,即透光又可当电池用。,染料敏化
6、太阳电池的优点:,1 染料敏化太阳能电池及材料,DSSC 电池简介,染料敏化纳米薄膜太阳电池电池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、电解质和反电极,1 染料敏化太阳能电池及材料,DSSC 电池结构,1 染料敏化太阳能电池及材料,DSSC 电池结构,导电玻璃,二氧化钛,染料,电解液,碳电极,导电玻璃,1 染料敏化太阳能电池及材料,DSSC 电池原理,1 染料敏化太阳能电池及材料,DSSC 电池原理,1 染料敏化太阳能电池及材料,DSSC 电池原理,导电基底材料,1 染料敏化太阳能电池及材料,DSSC 电池结构和组成,导电基底材料又称为导电电极材料,分为光阳极材料
7、和光阴极材料(或称反电极).目前作为导电基底材料的有透明导电玻璃、金属箔片、聚合物导电基底材料等。要求导电基底材料的方块电阻越小越好;光阳极和光阴极基底中至少要有一种是透明的,透光率一般要在85%以上。用于制备光阳极和光阴极衬底的作用是收集和传输从光阳极传输过来的电子,并通过外回路传输到光阴极并将电子提供给电解质中的电子受体。,导电基底材料,1 染料敏化太阳能电池及材料,DSSC 电池结构和组成,导电基底材料主要是透明导电玻璃,是在厚度为1-3mm的普通玻璃表面镀上导电膜制成的。主要成份是掺F的透明SnO2膜(FTO),在SnO2和玻璃之间有一层几个纳米厚度的纯SiO2膜,目的是防止高温烧结过
8、程中普通玻璃中Na+和K+等离子扩散到SnO2导电膜中。ITO也可作为该电池的导电衬底材料。,半导体薄膜主要是纳米TiO2多孔薄膜。它是染料敏化太阳电池的核心之一,作用是吸附染料光敏化剂,并将激发态染料注入到电子传输到导电基底。主要有TiO2,ZnO,Nb2O5,WO3,Ta2O5,CdS,Fe2O3和SnO2等。,1 染料敏化太阳能电池及材料,DSSC 电池结构和组成,TiO2光电阴极,纳米半导体薄膜的特征:具有大的比表面积,使其能够有效地吸附单分子层染料,更好地利用太阳光;纳米颗粒和导电基底以及纳米半导体颗粒之间应有很好的电学接触,使载流子在其中能有效地传输,保证大面积薄膜的导电性;电解质
9、中的氧化还原电对(一般为I3-/I-)能够渗透到纳米半导体薄膜内部,使氧化态染料能有效地再生。,1 染料敏化太阳能电池及材料,DSSC 电池结构和组成,TiO2光电阴极,纳米材料指在三维空间中至少有一维处于纳米尺度范围或由它们作为基本结构单元构成的材料。基本单元按维数分:零维:空间三维均在纳米尺度,如纳米尺度颗粒、原子团簇等 量子点一维:空间有两维处在纳米尺度,如纳米丝,纳米棒、纳米管等 量子线二维:空间有一维处在纳米尺度,如超薄膜,多层膜,超晶格等 量子阱,纳米材料与纳米结构的定义,TiO2光电阴极,1 染料敏化太阳能电池及材料,DSSC 电池结构和组成,纳米的基本概念,人高,红血球,分子及
10、DNA,氢原子,针头,1 纳米,0.1 纳米,1千 纳米,100万 纳米,20亿 纳米,TiO2光电阴极,1 染料敏化太阳能电池及材料,DSSC 电池结构和组成,电子能级的不连续性量子尺寸效应小尺寸效应表面效应宏观量子隧道效应,纳米微粒的基本性质,TiO2光电阴极,1 染料敏化太阳能电池及材料,DSSC 电池结构和组成,当粒子尺寸下降到某一值时,金属费米能级附近的电子能级由准连续变为离散能级的现象和纳米半导体微粒存在不连续的最高被占据分子轨道和最低未被占据的分子轨道能级,能隙变宽现象均称为量子尺寸效应。,量子尺寸效应,TiO2光电阴极,1 染料敏化太阳能电池及材料,DSSC 电池结构和组成,导
11、电的金属在超微颗粒时可以变成绝缘体d,,电子移动困难,电阻率增大,从而使能隙变宽,磁矩的大小和颗粒中电子是奇数还是偶数有关光谱线会产生向短波长方向的移动 催化活性与原子数目有奇妙的联系,量子尺寸效应,TiO2光电阴极,1 染料敏化太阳能电池及材料,DSSC 电池结构和组成,当纳米微粒的尺寸与光波的波长、德布罗意波长、超导态的相干长度或透射深度等物理特征尺寸相当或更小时,晶体周期性边界条件被破坏;非晶态纳米微粒的颗粒表面附近的原子密度减小,导致声、光、电、磁、热、力学等特性呈现新的小尺寸效应。,小尺寸效应,TiO2光电阴极,1 染料敏化太阳能电池及材料,DSSC 电池结构和组成,光吸收显著增加,
12、并产生吸收峰的等离子共 振频移磁有序态向磁无序态、超导相向正常相转变声子谱发生改变纳米颗粒的熔点降低,块状 1337K2nm 600K,金,小尺寸效应,TiO2光电阴极,1 染料敏化太阳能电池及材料,DSSC 电池结构和组成,表面效应是指纳米粒子的表面原子数与总原子数之比随纳米粒子尺寸的减小而大幅度地增加,粒子的表面能和表面张力也随着增加,从而引起纳米粒子性质的变化。,表面效应,TiO2光电阴极,1 染料敏化太阳能电池及材料,DSSC 电池结构和组成,纳米微粒尺寸与表面原子数的关系,表面效应,TiO2光电阴极,1 染料敏化太阳能电池及材料,DSSC 电池结构和组成,表面原子所处的晶体场环境及结
13、合能与内部原子有所不同,存在大量的表面缺陷和悬空键,具有不饱和性质,因而极易与其他原子反应,具有很高的化学反应活性。,表面效应,TiO2光电阴极,1 染料敏化太阳能电池及材料,DSSC 电池结构和组成,金属铜或铝的纳米颗粒一遇空气就会燃烧,发生爆炸(炸药、火箭)一些无机纳米微粒暴露在大气中会吸附气体,并与气体进行反应(储氢材料)很大的比表面,加快化学反应过程(高效催化剂),表面效应,TiO2光电阴极,1 染料敏化太阳能电池及材料,DSSC 电池结构和组成,TiO2光电阴极,1 染料敏化太阳能电池及材料,DSSC 电池结构和组成,隧道效应:微观粒子具有贯穿势垒的能力电子具有粒子性又具有波动性,存
14、在隧道效应。一些宏观物理量,如微颗粒的磁化强度、量子相干器件中的磁通量等亦显示出隧道效应,称为宏观的量子隧道效应。,宏观量子隧道效应,TiO2光电阴极,1 染料敏化太阳能电池及材料,DSSC 电池结构和组成,宏观量子隧道效应、量子尺寸效应将会是未来微电子、光电子器件的基础,它确立了现存微电子器件进一步微型化的极限。当微电子器件进一步微型化时必须要考虑上述的量子效应。,宏观量子隧道效应,TiO2光电阴极,1 染料敏化太阳能电池及材料,DSSC 电池结构和组成,量子尺寸效应、小尺寸效应、表面效应及量子隧道效应是纳米微粒与纳米固体的基本特性。它使纳米微粒和纳米固体呈现许多奇异的物理、化学性质,出现一
15、些“反常”现象。,TiO2光电阴极,1 染料敏化太阳能电池及材料,DSSC 电池结构和组成,TiO2 胶体 在 450 500C 下煅烧 薄膜厚度一般约:10 m 粗糙度 1000,有效表面积大 50-70%的多孔性,使电解液充分渗入。,TiO2的SEM,TiO2光电阴极,1 染料敏化太阳能电池及材料,DSSC 电池结构和组成,TiO2光电阴极,1 染料敏化太阳能电池及材料,DSSC 电池结构和组成,锐钛矿和金红石相TiO2,TiO2光电阴极,1 染料敏化太阳能电池及材料,DSSC 电池结构和组成,TiO2光电阴极,1 染料敏化太阳能电池及材料,DSSC 电池结构和组成,纳米TiO2在电池中起
16、着重要作用,其结构性能决定染料吸附的多少。膜厚在10-15um是一个最优化的厚度,光电转换效率能达到最大值。纳米TiO2对光的吸收、散射、折射产生重要影响,光照下太阳光在薄膜内被染料分子反复吸收,大大提高染料分子的光吸收率。纳米TiO2薄膜对染料敏化太阳能电池中电子传输和界面复合起着很重要作用,影响光电流的输出。,TiO2光电阴极,1 染料敏化太阳能电池及材料,DSSC 电池结构和组成,在高效染料敏化电池中的纳米多孔薄膜特点:大的比表面积和粗糙因子,能够吸附大量的染料,对于8um的电极来说,粗糙因子可以达到1000;纳米颗粒之间的相互连接,构成海绵状的电极结构,使纳米晶之间有很好的电接触,电子
17、在薄膜中有较快的传输速度,从而减少薄膜中电子和电解质受主的复合;氧化还原电对可以渗透到整个纳米晶多孔膜半导体电极,使被氧化的染料分子能够有效再生;纳米多孔薄膜吸附染料的方式保证电子有效地注入薄膜导带,使得纳米晶半导体和其吸附的染料分子之间的界面电子转移快速有效;对电极施加偏压,在纳米晶的表面能形成聚集层(厚度在几到几十纳米)。对于本征和低掺杂半导体来说,在正偏压作用下,不能形成耗尽层。,TiO2光电阴极,1 染料敏化太阳能电池及材料,DSSC 电池结构和组成,影响光电流输出的因素:激发态染料分子不能有效地将电子注入到TiO2导带,而是通过内部转换回到基态;氧化态染料分子不是被电解质中的I-还原
18、,而是与TiO2 导带电子直接复合;电解质中I3-不是被对电极上的电子还原成I-,而是被TiO2导带电子还原。,TiO2光电阴极,1 染料敏化太阳能电池及材料,DSSC 电池结构和组成,染料目前大致分为3类:有钌吡啶有机金属配合物、酞菁和菁类系列染料 和天然染料经过实验证明,用钌吡啶有机金属配合物敏化TiO2 电极的效果最佳人们通过研究钌吡啶配合物敏化太阳能电池中各个环节的动力学速率常数发现,要获得较高的光电转换效率:首先使合成出的染料具有稳定的氧化态和激发态,这样不但会使电池具有较高的逆转能力,还会使染料中的电子注入效率提高,从而使染料中的电子更容易注入到TiO2 薄膜的导带中去,染料,1
19、染料敏化太阳能电池及材料,DSSC 电池结构和组成,其次,染料分子应含有大 键、高度共轭、并且有强的给电子基只有这样染料分子的能级轨道才能与纳晶TiO2 薄膜表面的O-离子形成大的共轭体系,使电子从染料转移到TiO 2薄膜更容易,电池的量子产率更高 再次,染料在可见光区有较强的吸收,尽可能宽的吸收带,从而吸收更多的太阳光,捕获更多的能量,提高光电转换效率除了以上三点外,还要求染料能够快速吸附到TiO2 的孔道中,且不易脱附.,染料,1 染料敏化太阳能电池及材料,DSSC 电池结构和组成,由 Grtzel研究小组合成的钌(Ru)配合物,钌(Ru)配合物染料,染料,1 染料敏化太阳能电池及材料,D
20、SSC 电池结构和组成,钌(Ru)配合物染料,染料,1 染料敏化太阳能电池及材料,DSSC 电池结构和组成,N3dye 被吸收在TiO2(101)表面上,具有羧基的钌(Ru)配合物锚定TiO2表面,TiO2 表面N3 dye 的覆盖度为100%,钌(Ru)配合物染料,染料,1 染料敏化太阳能电池及材料,DSSC 电池结构和组成,长期以来,染料敏化太阳能电池一直使用液态电解质.关于溶剂和金属离子的选择对太阳能电池的电流输出有很大的影响这是因为薄膜电极吸附阳离子后,半导体的导带能级会发生变化,这种变化导致了激发态染料分子向半导体中注入电子的能力发生改变因此可以通过调节金属离子和溶剂来改善染料分子的
21、注入能力液体电解质种类繁多,电极电势容易控制但同时它也存在不足之处液体电解质的存在容易导致吸附在薄膜上的染料解吸,影响电池的稳定性;密封工艺复杂;电解质本身不稳定,易发生化学变化,从而导致太阳能电池的失效.,电解液,1 染料敏化太阳能电池及材料,DSSC 电池结构和组成,载流子迁移速度慢,在强光下光电流不稳定速率慢,在强光下光电流不稳定;除了氧化还原循环反应外,电解质还存在不可逆反应这些都导致了电池的不稳定和使用寿命的缩短因此要使染料敏化太阳能电池走向实用化,必须解决电解质的问题为了克服液体电解质的不足,人们开始致力于固体电解质的研究上在染料敏化太阳能电池中,电解液的作用是将电子传输给激发态染
22、料,空穴传输到对电极,从而完成一个光路循环,电解液,1 染料敏化太阳能电池及材料,DSSC 电池结构和组成,包含I-/I3-氧化还原离子的电解液用于调节TiO2电极和相反电极之间的电子电池性能同以下因素有关:-碘化物中电性相反的离子(Li+,Na+,K+)-溶剂,电解液,1 染料敏化太阳能电池及材料,DSSC 电池结构和组成,在相反电极处,I3-离子 再生为 I-离子Pt 覆盖的 TCO(approx.200 nm)或者 碳常用来作为相反电极,相反电极,1 染料敏化太阳能电池及材料,DSSC 电池结构和组成,1 染料敏化太阳能电池及材料,DSSC 的性能,1 染料敏化太阳能电池及材料,DSSC
23、 的性能,电荷转移动力学,1 染料敏化太阳能电池及材料,DSSC 的性能,高能量转换效率低成本原料丰富在颜色的调控、适应消费者方面具有很大的潜力 无污染可再生性好,1 染料敏化太阳能电池及材料,DSSC 的特点,把二氧化钛胶体涂敷在透明导电玻璃上。就象二氧化钛膜一样,透明导电玻璃上已经事先镀有一层透明导电膜(SnO2),111 溶胶的制备,1.二氧化钛薄膜的制备,112 基片的清洗与成膜,1 染料敏化太阳能电池及材料,DSSC 的制备,1.二氧化钛薄膜的制备,111 溶胶的制备 瑞士洛桑高等工学院Gratzel等人提出了一 套TiO2 薄膜的制备方案,他们将钛醇盐逐滴加入水中,通过控制加入的相
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