TiO2电极膜材料

　　在染料敏化纳米太阳能电池中可以用的纳米半导体材料是多种多样的,如金属硫化物、金属硒化物、钙钛矿以及各种金属的氧化物.在这些半导体材料中,TiO2性能较好:1)作为光电极很稳定;2)TiO2比较便宜,制备简单,并且无毒。

　　纳米TiO2的粒径和膜的微结构对光电性能的影响很大.纳米TiO2的粒径小,比表面积越大,吸附能力越强,吸附染料分子越多,光生电流也就越强.所以人们采用不同方法制备大比表面积的纳米TiO2,包括气相火焰法、液相水解法、TiCl4气相氧化法、水热合成法、溶胶凝胶法等.将得到的TiO2微粒沉积到导电玻璃表面制备TiO2薄膜电极.染料敏化纳米太阳能电池所用的纳米膜包括致密的TiO2薄膜和纳米多孔结构的TiO2薄膜.通常的制备方法有:溶胶凝胶法、水热反应法、溅射法、醇盐水解法、溅射沉积法、等离子喷涂法和丝网印刷法等.纳米TiO2的微观结构,如粒径、气孔率等对太阳能电池的光电转换效率有非常大的影响。

　　对TiO2电极的改造工作主要包括2个方面:1)TiO2的离子掺杂.离子的掺入减少了电子空穴对的复合,促进了电子空穴的分离,延长了电荷的寿命,从而使光电流得到增大,掺杂离子主要是过渡金属离子或者稀土元素;2)复合薄膜.常用的复合半导体化合物有CdS,ZnO,PbS等。

　　敏化染料的开发

　　染料敏化光电化学电池对染料敏化剂和氧化还原对有一定的要求,必须满足下列条件:1)在半导体表面具有良好的吸附性,能够快速达到吸附平衡,且不易脱落,染料分子母体上应有易于纳米半导体表面接合的基团,如-COOH,-SO3H,-PO3H2等;2)足够负的激发态氧化还原电势以使电子注入到半导体导带;3)激发态寿命足够长,且具有高电荷传输效率;4)与太阳光谱相匹配,尽可能将光吸收区扩展到红外区;5)氧化态与激发态稳定性较高,不易分解;6)基态的染料敏化剂不与溶液中的氧化还原对发生作用;7)氧化还原对的电势与半导体的平带电势相差越大越好;8)电子在转移过程中速率常数要大,以使能量损失较小。

　　常见的用作敏化剂的染料主要包括:1)羧酸多吡啶钌.这是用得最多的一类染料,它们具有特殊的化学稳定性、突出的氧化还原性质和良好的激发态反应活性,对能量传输和电子传输都具有很强的光敏化作用.目前,使用效果最好的染料为RuL2(SCN)2(L=4,4'-二羧基2,2'-联吡啶)和K-19染料(见图2).2)有机类染料.包括聚甲川染料、酞菁类染料(见图3)、以及一些天然染料,如类胡萝卜素、花青素、紫檀色素等.纯有机染料种类繁多,吸光系数高,成本低,但电池的IPCE和ηsun(总光电转换效率)比较低.3)复合染料.为了最大限度的吸收可见光-近红外光波段的太阳光能,把两种或多种在不同光谱段有敏化优势的染料嫁接在一起,形成的复合染料.4)透明染料.将DSSC太阳能电池板制备成窗玻璃,这是针对DSSC电池实用化开发的新染料。