納米晶染料敏化太陽(yáng)能電池前景

　?。壅?要］染料敏化太陽(yáng)能電池結(jié)合了染料敏化劑和無(wú)機(jī)半導(dǎo)體的優(yōu)勢(shì)，具有較寬的光譜響應(yīng)范圍，理論光電轉(zhuǎn)換效率高、透明度高、制造工藝簡(jiǎn)單、成本較低、對(duì)原料純度要求不高、壽命長(zhǎng)、對(duì)環(huán)境友好、應(yīng)用前景廣闊等，因而在最近的二十年中引起人們的廣泛興趣。染料光敏化劑是染料敏化太陽(yáng)能電池中一個(gè)關(guān)鍵的組成部分，起吸收太陽(yáng)光并向載體轉(zhuǎn)移電子的作用，它的性能將直接影響電池的光電轉(zhuǎn)換效率。文章以卟啉及其配合物為主線，簡(jiǎn)要介紹了染料敏化太陽(yáng)能電池的基本構(gòu)造和光電原理，重點(diǎn)介紹了各種卟啉類光敏劑在染料敏化納米晶太陽(yáng)能電池中的應(yīng)用。

　　［關(guān)鍵詞］卟啉及其金屬配合物；染料敏化劑；太陽(yáng)能電池；應(yīng)用

　　［中圖分類號(hào)］TQ ［文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼］A ［文章編號(hào)］1007-1865（2011）06-0095-02

　　Research Progress of Porphyrin- Based Dye Sensitized Solar Cells

　　Xu Haiyun， Tian Dong， Xu Jun

　　（Department of Chemistry and Chemical Technology， Huainan Normal College， Huainan 232001， China）

　　Abstract： Dye-sensitized solar cell （DSSC） has attracted extensive interest in the last twenty years， due to its advantages of both photosensitized dyes and inorganic semi-conductor materials such as wider light response range， high theory photoelectric conversion efficiency， high grade of transparence， simple manufacturing process， relatively low cost， no high demand for law materials purity， long working life， environment friendly property and wide perspective in applications. Dye-photosensitizer is a key component of the DSSC and can absorb the sunlight and transfer electron to the carrier， and its performance has decisive effect on the photoelectric conversion efficiency. This paper focuses mainly on the sensitizers based on porphyrin and its corresponding metal complexes. The structure and working principle of DSSC were introduced briefly， and the applications of various porphyrin-based dye sensitizers in the DSSC were emphasized on discussion.

　　Keywords： porphyrin and its metal complexes；dye sensitizer；solar cell；application

　　太陽(yáng)能作為一種可再生能源，具有其它能源所不可比擬的優(yōu)點(diǎn)：取之不盡、用之不竭；不會(huì)造成生態(tài)環(huán)境污染；成本較低、功率巨大；不受地理?xiàng)l件限制等。太陽(yáng)能電池作為一種開(kāi)發(fā)利用太陽(yáng)能的重要方式而備受人們關(guān)注［1］。

　　太陽(yáng)能電池的發(fā)展已有幾十年的歷史，目前技術(shù)最成熟并且已經(jīng)產(chǎn)業(yè)化的是硅系太陽(yáng)能電池。在目前的市場(chǎng)上，硅基太陽(yáng)能電池占絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，但由于無(wú)機(jī)材料制備加工工藝復(fù)雜、材料要求苛刻、價(jià)格昂貴，而且材料缺乏柔性，有些對(duì)生物具有毒性，因而難以大面積制備電池板，大規(guī)模供應(yīng)能源，而無(wú)法從根本上解決或者緩解能源危機(jī)［2］。1991 年瑞士 Gratzel 教授［3］領(lǐng)導(dǎo)的小組首次報(bào)道了一種納米晶染料敏化太陽(yáng)能電池（Dye-Sensitized Solar Cells， DSSCs），實(shí)現(xiàn)了高效、低成本的光電轉(zhuǎn)換，這種電池的出現(xiàn)為太陽(yáng)能電池的發(fā)展帶來(lái)了新方法，從而也掀起了新型太陽(yáng)能電池研究的熱潮。

　　1 基本結(jié)構(gòu)與原理

　　DSSC 主要由：透明導(dǎo)電玻璃基板、TiO2 或其它半導(dǎo)體氧化

　　物多孔納米晶薄膜、染料敏化劑、電解質(zhì)溶液（或固體電解質(zhì)）和透明對(duì)電極（一般涂有 Pt）組成的“三明治”式結(jié)構(gòu)［4］（圖 1）。

　　圖 1 液態(tài)電解質(zhì)染料敏化太陽(yáng)能電池的結(jié)構(gòu)

　　Fig.1 Liquid electrolyte dye-sensitized solar cell structure

　　DSSC 的工作原理如圖 2 所示［5］：首先太陽(yáng)光照射到敏化電極上，染料分子吸收光子，由基態(tài)（S）受激躍遷到激發(fā)態(tài)（S*），完成光電轉(zhuǎn)化。激發(fā)態(tài)電子被注入半導(dǎo)體 TiO2 薄膜的導(dǎo)帶中，從而產(chǎn)生電荷分離，導(dǎo)帶電子被瞬間傳導(dǎo)至導(dǎo)電玻璃，并通過(guò)導(dǎo)線流向外電路，輸出電能；與此同時(shí)，處于氧化態(tài)的染料分子（S*）由電解質(zhì)（I3-/ I-：Red/Ox）溶液中的電子供體（I-）提供電子而回到基態(tài)，使染料得以再生，電解質(zhì)溶液中的電子供體（I-）在提供電子以后（I3-），擴(kuò)散到對(duì)電極，得到電子而還原。從而，完成一個(gè)光電化學(xué)反應(yīng)循環(huán)，也使電池各組分都回到初始狀態(tài)。

　　圖 2 液態(tài)電解質(zhì)染料敏化太陽(yáng)能電池的工作原理

　　Fig.2 Work reason of liquid electrolyte dye-sensitized solar cell

　　2 常見(jiàn)染料敏化劑

　　染料敏化太陽(yáng)能電池的關(guān)鍵問(wèn)題之一就在于敏化材料的選擇，其中染料敏化劑性能的優(yōu)劣對(duì)整個(gè)裝置的光電轉(zhuǎn)化效率起著決定性作用。

　　作為理想的染料敏化劑，應(yīng)當(dāng)滿足以下幾個(gè)條件［6］：（1）染料電子吸收光譜盡量覆蓋整個(gè)太陽(yáng)光譜，即為全吸收染料；（2）染料的光量子產(chǎn)率高；（3）激發(fā)態(tài)壽命足夠長(zhǎng)，且具有很高的電荷傳輸效率；（4）能與金屬氧化物半導(dǎo)體以化學(xué)鍵形式吸附，降低電子轉(zhuǎn)移過(guò)程的能量損失；（5）染料的激發(fā)態(tài)能級(jí)與半導(dǎo)體導(dǎo)帶匹配，有利于染料的激發(fā)態(tài)電子向半導(dǎo)體轉(zhuǎn)移；（6）染料應(yīng)有比電解質(zhì)更正的氧化還原電位；（7）化學(xué)穩(wěn)定性強(qiáng)，在自然光照射下可進(jìn)行 108 次氧化還原反應(yīng)，即 20 年的太陽(yáng)光照。

　　目前人們研究較多的染料敏化劑主要有聯(lián)吡啶金屬絡(luò)合物系列、酞菁系列、卟啉系列、純有機(jī)染料系列等，其中聯(lián)吡啶金屬配合物是最早被應(yīng)用到 DSSC 領(lǐng)域并且迄今為止仍然是性能最好，應(yīng)用最多的一類光敏染料，尤以 N3［7］、N71［7］、Z907［8］及“黑染料”（Black dye）［9］為代表。這些以釕基多吡啶配合物為染料敏化劑的 DSSC 一直保持著能量轉(zhuǎn)化效率（η）》 10 %的最高記錄，并有著良好的長(zhǎng)期穩(wěn)定性。

　　純有機(jī)染料節(jié)約稀貴金屬，消光系數(shù)比金屬配合物高得多，環(huán)境友好，成本較低，分子結(jié)構(gòu)靈活多樣，可通過(guò)引入不同取代