二氧化钛空心球的制备及其在染料敏化太阳能中的应用.doc

二氧化钛空心球的制备及其在染料敏化太阳能中的应用摘要:染料敏化太阳电池(DSSC)因具有结构简单、理论光电转换效率高,比非晶硅太阳电池成本更低廉等优点,而成为下一代太阳电池的研究热点。二氧化钛更是DSSC光阳极的主要材料。本文简单介绍了染料敏化太阳能电池的原理,TiO2光阳极对DSSCS效率的影响,以及TiO2空心球在其他方面的应用;主要介绍了TiO2空心球的制备方法和表征方法。关键词:二氧化钛;空心球;染料敏化;太阳能引言:染料敏化太阳电池(DSSC)因具有结构简单、理论光电转换效率高,比非晶硅太阳电池成本更低廉等优点,而成为下一代太阳电池的研究热点[1]。DSSC由三部分组成,即含染料敏化TiO2纳米晶膜的光阳极、电解质和对电极,整个电池呈“三明治”式结构。电解质通常含I/I3氧化还原电对,处于两电极之间,起到联通光阳极和对电极作用,使DSSC光电转换过程顺利进行。在光电转换过程中,二氧化钛纳米材料发挥了非常重要的作用,包括吸附染料、分离激子、传输光生电子等。因此其晶型、晶粒大小、形貌和比表面积等因素对DSSC的光电性能均有直接影响[2,3]。TiO2是一种价廉、无毒、稳定且抗腐蚀性能良好的半导体材料,它的吸收范围在紫外区,因此须进行敏化处理。在染料敏化太阳能中,为了提高光捕获效率和量子效率,可以将半导体二氧化钛纳米化、多孔化、薄膜化。这样的结构使TiO2具有高比表面积,使其能吸附更多的单层染料分子,只有紧密吸附在半导体表面的单层染料分子才能产生有效的敏化效率。另外,这种结构的电极,其表面粗糙度大,太阳光在粗糙表面内多次反射,可被染料分子反复吸收,从而大大提高太阳光的利用率。本文研究的TiO2中空球相对密度小,比表面积较大,而且粒度在几百纳米到一微米之间时捕光效率较高,且在长波长区(大于600nm)具有高反射能力,提高了光的吸收效率。另外,由于由中空球制备的薄膜中球与球之间互穿,紧密排列,有大的内表面积,所以载流子移动速度较大,能有效提高光电转化效率。、纳米多孔氧化物薄膜、染料敏化剂、电解质和对电极等几部分构成。当DSSC的导电基底具有柔性时,所组装的电池就是柔性DSSC。其工作原理[4,5]如图1所示,电池依靠吸附在TiO2纳米晶膜上的染料分子吸收太阳光能量,使染料分子中的电子受激跃迁到激发态,激发态的电子将会快速注入到TiO2导带中,染料分子因失去电子变成氧化态,注入到TiO2导带中的电子在TiO2膜中的传输非常迅速,可以瞬间到达膜与导电基底的接触面,并在导电基片上富集,通过外电路流向对电极。处于氧化态的染料分子,由电解质(电解质的选择随染料敏化剂的不同而不同,主要由I-和I3-组成)溶液中的电子供体(I-)提供电子而回到基态,染料分子得以再生。电解质溶液中的电子供体(还原剂)在提供电子以后,形成I3-并扩散到对电极,得到电子而还原。从而完成一个光电化学反应循环,也使电池各组分都回到初始状态。具体过程可以用以下的式子表示:染料(S)+hv染料*(S*)(染料激发)S*+TiO2e-(TiO2导带)+氧化染料(S+)(产生光电流)S++3I-S+I3-(染料还原)I3-+2e-(阴电极)3I-(电解质还原)I3-+2e-(TiO2