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染料敏化太阳电池及其进展


□ 王孔嘉 戴松元

  摘 要文章介绍了染料敏化太阳电池的研究背景和发展过程,简述了基于纳米TiO2半导体电极材料的染料敏化太阳电池的基本结构和工作机理.详细阐述了该电池国内外各项关键技术的实验和产业化研究最新成果,着重分析了染料敏化太阳电池的未来发展趋势,并对该电池的应用前景进行了展望.
  关键词太阳电池,染料敏化,综述,多孔薄膜
  新型染料敏化太阳电池(Dye\|Sensitized Solar Cell,以下简称DSC)由瑞士洛桑高等理工学院(EPFL)Grtzel教授于1991年取得突破性进展,立即受到国际上广泛的关注和重视.自1991年起,该电池一直是国际研究的热点[1—6].DSC被认为是新型太阳电池中最有力的竞争者之一.DSC以其潜在的低成本、相对简单的制作工艺技术和电池制备的低能耗等优势赢得了人们的广泛重视.传统的硅太阳电池依靠的是光物理效应,而DSC则是通过光化学-物理过程来实现光电转换,从而可以使太阳电池的光电转换材料不再局限于制备过程复杂、价格昂贵的高纯无机半导体材料.采用纳米多孔TiO2薄膜电极替代传统的平板电极,以二价钌(II)的多吡啶配合物作敏化剂,用I-3/I-氧化还原电对电解质体系制备DSC,在1993年光电转换效率达到了10%[2],2005年超过了11%[2],其转换效率可与非晶硅薄膜太阳电池相媲美.DSC廉价的生产成本、易于工业化生产的工艺技术以及广阔的应用前景,吸引了欧、美、澳、日、韩众多科学家与企业大力进行研究和开发.本文简要介绍了DSC的结构和工作原理,重点评述了国内外DSC各项关键技术和产业化的最新进展,同时也展望了染料敏化太阳电池的未来发展趋势及应用前景.
  
  1 DSC的研究背景及发展
  
  随着世界能源危机、温室效应和环境污染等问题日益严重,人们对可再生能源应用和需求的日益渴望,作为可再生能源中的重要组成部分,太阳能具有较大的优势.与化石燃料相比,太阳能取之不尽,用之不竭;与核能相比,太阳能更为安全,其应用不会对环境构成任何污染;与水能、风能相比,太阳能利用的成本较低,且不受地域限制.1954年,美国贝尔实验室成功地制备出第一个效率为6%的单晶硅太阳电池,不久就被首次应用于人造卫星上,为太阳能光伏发电奠定了技术基础,同时也为利用太阳能发电解决能源问题给予人们很大的鼓舞.经过几十年的发展,以单晶硅和砷化镓为基础的太阳电池已经取得了很大的发展,目前的光电转换效率最高已经分别达到了24.7%和25.1%,CuInGaSe2(CIGS)电池的效率也已经于2006年2月达到了18.8%[7].
  然而,由于上述传统太阳电池在成本、稀有金属原材料以及环境污染等方面的缺点,使其生产及应用受到了一定的制约,因此人们对价格低廉、薄膜化的光化学太阳电池产生了浓厚的兴趣.早在19世纪60年代,德国Tributsch教授就制作出了世界上第一个光化学太阳电池.经过一个多世纪的发展,光化学太阳电池的效率仍然很低,不到1%.20世纪90年代以来,由于纳米结构半导体材料研究的兴起,纳米材料在光电转换方面的应用研究也得到了快速的发展.1991年,瑞士洛桑高等工业学院Grtzel教授领导的研究小组,把以前的平板电极改成纳米多孔电极后制作DSC,电池的光电转换效率取得了7.1 %的突破性进展[1],1993年达到了10%[2],2003年达到了10.58%,2004[3]年和2005[5]年,光电转换效率分别达到了11.04% 和11.18%.目前面积约为100 cm2的DSC光电转换效率已超过6.3%[4],效率接近6%的15 cm×20 cm电池组件也已制备成功,并组装成45 cm×80 cm的电池板以及500W小型示范电站[6].这充分显示了DSC成为具有大规模应用前景的低价太阳电池的一个新的选择.
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摘自:物理 2007年第11期  
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