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纳米TiO2在太阳能电池方面的应用

供稿人:杨莺歌  供稿时间:2005-9-30   关键字:太阳能电池  纳米  二氧化钛  
利用纳米尺度的半导体材料如TiO2、ZnO、SnO2等作为太阳能电池的光电极的研究是世界范围的研究热点,其中纳米TiO2由于光稳定、无毒成为研究光电太阳能转换电池使用最普遍的材料。
 
研究进展
 
1991年,瑞士洛桑高等工业学校的Brian O Regan和Graetzel M 报道了一种以染料敏化TiO2纳米晶膜作光阳极的新型高效太阳能电池,从而开创了太阳能电池的新世纪,世界上第一个纳米太阳能电池诞生了。
 
但是利用液态电解质作为空穴传输材料实践中存在许多无法改进的缺陷,如由于密封工艺复杂,长期放置造成电解液泄露,电池中还存在密封剂与电解液的反应,电极有光腐蚀现象,且敏化染料易脱附等,研究者们以固态空穴传输材料取而代之制备出全固态纳米太阳能电池,并取得可喜的成就。
 
1996年,Masamitsu等人利用固态高分子电解质制备了全固态太阳能电池,利用特殊的制备方法获得了高离子导电性的电解质,得到了连续的光电流,并得到0.49%的光电转换效率。
 
1998年Graetzel等人利用OMeTAD作空穴传输材料得到0.74%的光电转换效率,而其单色光光电转换效率达到了33%,引起了世人的瞩目,使纳米太阳能电池向全固态迈进了一大步。
 
国际上的研究热点之一是将单个液结TiO2纳米太阳能电池串联,以提高开路电压。中科院等离子体物理研究所为主要承担单位的研究项目在此领域取得重大突破性进展,2004年10月中旬建成了500瓦规模的小型示范电站,光电转换效率达到5%。这项成果使我国大面积染料敏化纳米薄膜太阳电池的研制水平处于国际领先地位,为进一步推动低成本太阳电池在我国的实用化打下了牢固基础。
 
专利
 
国内外都公开了一些相关领域的专利,其中日本的专利数量最多。下面选取近几年部分专利简单介绍。
 
北京大学2002年5月22日公开的CN1350334纳米晶膜太阳能电池电极及其制备方法,涉及一种纳米晶膜太阳能电池电极及其制备方法,以宽禁带半导体纳米晶膜为基底,在该基底表面吸附一层金属离子,再在金属离子吸附层上吸附光敏化剂。通过金属离子的表面修饰,改善电极的光电转换性能,提高太阳能电池的光电转换效率。与单纯TiO2相比,基于金属离子修饰TiO2纳米晶太阳能电池的光电转化效率提高了5~14%,可作为电极广泛应用于太阳能领域。
 
东南大学2005年1月12日公开了CN1564326软基固态染料敏化薄膜太阳能电池及制备方法。软基固态染料敏化薄膜太阳能电池是一种成本低、制造工艺简单、性能稳定、理论上寿命可以达到20年以上的软基太阳能电池,该太阳能电池的结构为层状结构,即:在透光导电聚酯片下设有TiO2纳米晶膜,在TiO2纳米晶膜下设有LnPc2敏化层,在LnPc2敏化层下设有固体电解质层,在固体电解质层下设有柔软金属膜背电极,在柔软金属膜背电极下设有高阻隔复合Al膜。
 
复旦大学2005年7月27日公开的CN1645632一种固态染料敏化纳米晶太阳能电池及其制备方法,具体为一种采用离子液体与无机纳米粒子之间的氢键相互作用形成的染料敏化纳米晶表面组装上固态电解质作电解质材料的太阳能电池及其制备方法。该太阳能电池中,在吸附光敏化剂的宽禁带半导体纳米晶膜的表面组装固态电解质来代替液体电解质,解决了液体电解质的封装问题,而且在不明显降低电池的光电转化效率的前提下,能够大幅度延长染料太阳能电池的使用寿命。其中的宽禁带半导体纳米晶膜为TiO2纳米晶膜。
 
中国科学院等离子体物理研究所就染料敏化纳米薄膜太阳电池申请了多篇专利,其中2003年9月24日授权公告的3篇发明专利分别涉及到染料敏化纳米薄膜太阳电池的电解质溶液、电极制备方法、密封方法等,CN1444290公开的染料敏化纳米薄膜太阳电池用电解质溶液,以A、B或B、F或A、B、F为主体组分,通过复配或不复配其它四个组分中的一个或几个组分组成电解质溶液,其中A组分—有机溶剂或混合有机溶剂;B组分—电化学可逆性好的I2/I-(即I3-/I-)氧化还原电对;C组分—光阳极的配合剂;D组分—碘化物中阳离子的配合剂;E组分—I2的配合剂;F组分—离子液体;G组分—紫外吸收剂。这种电解质溶液,具有较高的电导率、较低的粘度、良好的电化学可逆性、良好的低温稳定性、较强的耐紫外线性能,能提高太阳电池效率,增加太阳电池寿命,本身性能稳定,对环境无污染等优点。
 
中国科学院等离子体物理研究所2005年9月7日公开的CN2724205大面积内部并联染料敏化纳米薄膜太阳电池,包括有上、下两面透明基板,透明基板上有透明导电膜,透明导电膜上有导电电极与催化剂层间隔排布,另一透明导电膜上导电电极与纳米多孔半导体材料块间隔排布,纳米多孔半导体材料中浸渍有染料。将两块透明基板叠放在一起,周边密封成腔体,腔体中有电解液。本实用新型制作电池内部并联电极,获得所需要的该太阳电池输出电流。电池密封功能好,保证了电池运行的长期稳定性。本实用新型的技术和方法操作简单易行,价格低廉,电池性能稳定。 
 
日本SEIKO EPSON CORP于2001年4月27日公开了JP2001119052半导体和太阳能电池及其制备方法。传统的湿型太阳能电池在氧化钛电极中包含染料,对于吸收波长非常敏感,但是由于TiO2会分解这些有机染料,它的寿命达不到实用的要求。本专利将锐钛矿型TiO2微粒烧结成多孔TiO2半导体,还包含杂质铬或钒,解决了这个问题。
 
日本KANEKO MASAHARU于2003年6月24日公开了染料敏化太阳能电池及TiO2薄膜和电极的制备方法,提供了一种制备多孔TiO2薄膜的喷涂分解方法,适用性和生产率都得到保障,利用这种薄膜作太阳电池的电极可以提高了太阳电池的能量转换率。具体方法是将一种钛混合物添加到TiO2溶胶溶液中,得到一种原材料溶液,或将非晶TiO2溶胶溶液和锐钛矿TiO2溶胶水溶液混合得到另一种原材料溶液。间歇地将这两种原料溶液喷涂到基底上,在高温下热分解钛混合物,在基底上形成TiO2多孔薄膜。在透明电极和TiO2多孔薄膜之间用有机钛混合物为原材料制备一层密实的TiO2缓冲膜。
 
希腊LIANOS PANAGIOTIS于2004年11月4日公开了WO2004095481用纳米结构有机无机材料制作的电化学太阳能电池,描述了一种固态光电化学太阳电池的结构,包括纳米有机-无机材料的薄膜,可以将太阳能转换为电能。电池的主要组成部分包括:(1)商用透明导电玻璃;(2)透明的TiO2薄膜,钌有机金属混合物作为光敏剂;(3)由纳米结构的有机-无机材料制备的固态凝胶电解液层;(4)作为阳极的商用导电玻璃,可以淀积一层铂。
 
应用前景
 
纳米TiO2太阳能电池有着可以与传统固态光伏电池相媲美的高光电转换率,加之价格低廉,使这种电池具有广阔的前景和潜在的商业价值。虽然此类太阳能电池还存在一些问题,仍需进一步深入研究。但是,纳米太阳能电池以其高效低价无污染的巨大优势挑战未来,我们相信,随着科技发展,研究推进,这种太阳能电池应用前景广阔无限。
 
参考文献:
[1] A low-cost, high-efficiency solar cell based on dye-sensitized colloidal TiO2 films 
     Nature,l99l,353:737—74O
[2] 环境纳米技术,化学工业出版社,2003.5
[3] 固态TiO2纳米太阳电池研究进展
     化学研究与应用 2003(2)31-36
[4] Dye Sensitized TiO2 Photoelectrochemical Cell Constructed With Polymer Solid Electrolyte
      Solid State Ionics,1996,89:263—267.
[5] Solid-state dye-sensitized mesoporous TiO2 solar cells with high photon-to-electron conversion efficiencies 
      Nature,1998,395:583—585
[6] 中科院建成染料薄膜太阳电池500瓦示范电站
 
[7] 纳米太阳能电池

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