鈦酸鋰復(fù)合二氧化鈦染料敏化太陽能電池的性能研究

染料敏化太陽能電池（DSSC）作為一種新型的薄膜電池，主要是模仿光合作用原理，以低成本的納米二氧化鈦和光敏染料為主要原料，模擬自然界中植物利用太陽能進(jìn)行光合作用，將太陽能轉(zhuǎn)化為電能。

典型的DSSC主要由導(dǎo)電基底、半導(dǎo)體薄膜光電極、電解質(zhì)以及對電極組成。當(dāng)光照射在光電極上時，染料受光激發(fā)由基態(tài)躍遷到激發(fā)態(tài)，同時將電子注入到半導(dǎo)體的導(dǎo)帶中，導(dǎo)帶中的電子在納米晶網(wǎng)絡(luò)中傳輸?shù)胶蠼佑|面后而流入到外電路中，失去電子的染料被I-還原，從而完成一個光電循環(huán)。

其中，半導(dǎo)體多孔膜不但要吸附染料，同時還承擔(dān)著轉(zhuǎn)移電子的作用，所以它性能的優(yōu)劣將直接影響著DSSC的光電轉(zhuǎn)換率的大小。而作為主要應(yīng)用材料的TiO2，其禁帶寬度只有3.2eV，不能被可見光激發(fā)，同時激發(fā)后的產(chǎn)生的電子容易和空穴進(jìn)行復(fù)合，從而產(chǎn)生暗電流，進(jìn)而影響DSSC的效率。所以，人們嘗試用復(fù)合和摻雜等方法來改善光陽極的能帶結(jié)構(gòu)，以此來減少暗電流的產(chǎn)生。

將鋰離子電池負(fù)極材料鈦酸鋰作為一個摻雜的材料引入染料敏化太陽能電池中是否會有效果呢？照一下電鏡看看。

圖(a)為Li4Ti5O12薄膜的SEM照片，從圖中可以看出的顆粒很小，大概有400nm左右，但是團(tuán)聚現(xiàn)象很明顯，并且分布很不均勻。圖(b)為TiO2薄膜的SEM照片，從圖中可以看出TiO2顆粒較小，分布較為均勻，團(tuán)聚現(xiàn)象不明顯；圖(c)為復(fù)合薄膜的SEM圖，從圖中可以看出TiO2顆粒和鈦酸鋰顆粒分布均勻，團(tuán)聚現(xiàn)象不明顯，各個顆粒之間的孔隙較大，這樣的結(jié)構(gòu)更有利于染料的吸附，同時也有利于電解液的進(jìn)入，有利于提高DSSC的光電性能。

從圖和表中可以看出，通過Li4Ti5O12薄膜所組裝的DSSC各項評價參數(shù)均很低，這說明Li4Ti5O12并不是一種良好的光敏半導(dǎo)體材料，不能單獨(dú)的作為染料敏化太陽能電池的陽極材料，需要對其進(jìn)行改性或者與其他材料進(jìn)行復(fù)合，才有可能獲得更好的光電性能。而復(fù)合涂層的開路電壓明顯大于TiO2單層膜的開路電壓，提高幅度達(dá)到了18.9%，并且其他評價參數(shù)并沒有因此下降。由此可見，TiO2經(jīng)Li4Ti5O12復(fù)合后，可以顯著的提高以此作為光陽極組裝的DSSC的開路電壓。

TiO2薄膜的禁帶寬度為3.23eV。Li4Ti5O12薄膜的禁帶寬度為3.54eV，復(fù)合薄膜的禁帶寬度為3.36eV。相比較而言，復(fù)合薄膜的總體光電轉(zhuǎn)換效率高于純的TiO2電極組裝的電池。原因可能有以下幾點(diǎn)：首先，復(fù)合一層鈦酸鋰薄膜，改變了TiO2薄膜的表面狀態(tài)，同時，Li4Ti5O12顆粒引入可以讓入射光在TiO2薄膜內(nèi)發(fā)生多次散射，從而增加了入射光的利用效率；

其次，Li4Ti5O12的帶隙比二氧化鈦的帶隙略寬，當(dāng)有足夠激發(fā)能量的光對薄膜進(jìn)行照射時，TiO2和Li4Ti5O12同時發(fā)生帶間躍遷，如果Li4Ti5O12的導(dǎo)帶位置高于TiO2的導(dǎo)帶位置，則光電子聚集在TiO2的導(dǎo)帶，空穴聚集在Li4Ti5O12的價帶，從而使載流子可以有效地進(jìn)行分離，光激發(fā)到二氧化鈦孔隙中的電子就很容易注入到Li4Ti5O12中，進(jìn)而增加了整個體系中的電流密度；

如果Li4Ti5O12的導(dǎo)帶位置低于TiO2的導(dǎo)帶位置，所以它們之間可能會形成的勢壘，可以有效地阻止光電子向溶液中移動的趨勢，這就大大提高了載流子的壽命，從而減小了暗電流，提高了開路電壓。雖然Li4Ti5O12本身不具有很好的光電性能， 但與TiO2的復(fù)合改善了單一TiO2薄膜的性能，提高了電池的光電轉(zhuǎn)換效率。由于Li4Ti5O12的導(dǎo)帶位置暫時沒有進(jìn)行相關(guān)的測試，所以還需進(jìn)一步的探索和研究。

小結(jié)：隨著技術(shù)工作的不斷深入，太陽能電池也有和鋰電結(jié)合的可能性，但目前基礎(chǔ)研發(fā)工作偏多，相信隨著技術(shù)的發(fā)展，鋰離子電池和太陽能電池能有機(jī)的結(jié)合在一起，創(chuàng)造出更加美好的未來。