染料敏化太阳能电池(DSC)主要是由导电基底、纳米晶半导体多孔薄膜、染料敏化剂、氧化还原电解质以及对电极五部分组成,随着科学技术的不断进步,新型染料、电解质和半导体材料的研发将不断推进,这些新材料将具有更高的光电转换效率、更好的稳定性和更低的成本,从而推动DSC行业的进一步发展。
1、多孔半导体薄膜
多孔半导体薄膜作为DSC的阳极部分主要起到衔接作用,薄膜表面吸附着染料敏化剂,会将从染料处接收的电子转移给导电基底,因此,纳米多孔半导体薄膜的性能直接影响染料的吸附量和电子传输效率。影响纳米多孔半导体薄膜性能的因素主要包括半导体材料的晶型、比表面积、晶体粒径、薄膜的厚度以及薄膜表面的粗糙程度等。目前,对于光阳极的研究主要在加快电子在薄膜中的传输速率,增大薄膜的染料吸附量以及提高薄膜半导体材料的光催化活性三个方面。常用作DSC光阳极的半导体材料有ZnO、TiO2、SnO2等,其中n型半导体材料TiO2具有较大的带隙宽度(3.2EV),且化学性能稳定,无毒无污染,耐腐蚀性良好,被广泛地用作DSC光阳极的材料。TiO2常态下有三种晶型,即金红石、锐钛矿和板钛矿,其中锐钛矿的光催化活性较高,制成DSC的性能较好。
制备光阳极表面致密的纳米多孔TiO2薄膜的主要方法有:涂敷法、溶胶-凝胶法、水热合成法、丝网印刷法、电化学沉积法等。其中涂敷法最为简单,制备的薄膜较为平整,丝网印刷法则适合DSC的大规模生产,为DSC的产业化奠定了基础。研究表明单纯的纳米TiO2薄膜光电性能并不理想,主要由于半导体TiO2的吸光范围主要存在于紫外光区,而对可见光的吸收率较低;同时,电极材料的大比表面积会增加电子在传输过程中与空穴复合的机率,产生暗电流,降低电子传输效率,进而使DSC的转换效率大大下降。近几年来研究人员采用金属离子掺杂、表面化学处理、半导体复合等多种薄膜改性技术来提高纳米晶TiO2薄膜的光电性能。
2、染料敏化剂
目前,用作DSC的染料敏化剂主要有无机染料敏化剂、有机染料敏化剂以及纯天然染料敏化剂三种,其中无机染料敏化剂和有机染料敏化剂可以统称为合成染料敏化剂。由于无机染料敏化剂通常会选择CdS、CdSe等物质为原料,对环境破坏严重,因此,现阶段各国基本上都用有机染料或纯天然染料敏化剂代替它。20世纪80年代,Grätzel小组在DSC的光阳极中添加了配合物敏化剂RuL2(NCS)2,使电池在480~600nm波长范围的IPCE超过了80%,电池的光电转换效率达到了10%,这就是后来被广泛使用的N3标准染料。1999年,继N3后Grätzel研发的N719染料能够有效抑制暗电流的产生,电池光电转换效率达到11%。台湾大学周必泰教授领导的研发小组,在前两种染料的基础上合成了名为TFRS和TF的新型染料敏化剂,光电转换效率均在10%左右。最近,由长春应化所王鹏教授与Grätzel研究小组合作开发的C101染料,可实现11%~11.3%的转化率,被认为是目前钌吡啶配合物中性能最好的敏化剂。
美中不足的是,有机染料中需要钌、锇、铼等稀有金属,价格非常昂贵。而纯天然染料大多从自然界中植物体内获取,如叶绿素、黑莓素等,资源丰富、提取过程简单,生产成本较有机染料低得多,因此,天然染料近年来成为了探索的热点。
3、电解质
染料敏化太阳能电池(DSC)所用的电解质为含有I-/I-3氧化还原对或是含有(SeCN-)3/SeCN-离子体的电解液。现如今电解质主要有液态电解质、准固态电解质、全固态电解质三类。液态电解质存在着易挥发、不稳定、不利于电池的密封等缺点,这使得人们不断地寻求性能更为优良的电解质。准固态电解质介于液态电解质和全固态电解质之间,主要是在液态电解质中加入凝胶剂,从而达到固定电解质、延长使用寿命的目的。常用的准固态聚合物电解质基体有:聚氧乙烯(PEO)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚偏氟乙烯(PVDF)和聚氧丙烯(PPO)等。
4、对电极
DSC的对电极的作用是传导电子同时将电解质中的I3-还原为I-。作为对电极要具备电阻小,催化活性高等特点,以减少电子传递过程的能量损失。DSC的制备中所采用的对电极主要有镀铂(Pt)对电极、碳材料电极、导电聚合物电极等,实践证实Pt对电极的性能较好。
Pt是一种具有高催化活性的金属,对电极经pt修饰后具有较高的催化性能,而且镀Pt对电极表面具有平面镜的作用,可将没有被染料分子吸收的入射光重新反射给染料,增加入射光被染料吸收的几率。目前,制作Pt对电极的方法有很多,如磁控溅射真空镀法、热分解法、电化学镀膜法等。虽然对电极经Pt修饰催化活性有所增加,但金属Pt昂贵的价格会增加电池的成本,制约了DSC的发展。碳材料具有良好的导电性,且资源充足、价格便宜、无污染,被视为可替代Pt的优质材料。为提高碳电极的导电性能,近几年人们除了研究各种形态的纯碳对电极外,更对以碳材料为载体的复合材料电极产生了兴趣。清华大学的石高全教授的研究小组用石墨烯/苯乙烯磺酸复合而成的60nm薄膜充当对电极,经实验证实复合电极的性能接近于同等条件的Pt对电极。总体来说,目前研究开发的新型对电极仍然存在着催化性能低,材料与基底附着力不强等问题,对电极的研发还存在着较大的发展空间。
5、原材料供应商分析
图:主要染料敏化太阳能电池(DSC)主要原材料及供应商
序号 |
企业 |
成立时间 |
网址 |
1 |
Solaronix |
1993 |
https://www.solaronix.com/ |
2 |
Dyesol |
2004 |
http://www.dyesol.com/ |
3 |
永光化学 |
2010年前 |
http://www.ecic.com.tw/ |
4 |
硕禾电子 |
2010 |
http://www.gigasolar.com.tw/ |
5 |
台湾染敏 |
2011 |
http://www.tdp-dsc.com/ |
6 |
营口奥匹维特 |
2009 |
http://www.opvtech.cn/ |