奈米TiO2在太陽能電池方面的應用

才智咖 人氣:7.65K
奈米TiO2在太陽能電池方面的應用
利用奈米尺度的半導體材料如TiO2、ZnO、SnO2等作為太陽能電池的光電極的是世界範圍的研究熱點,其中奈米TiO2由於光穩定、無毒成為研究光電太陽能轉換電池使用最普遍的材料。

研究進展

1991年,瑞士洛桑高等學校的BrianORegan和GraetzelM報道了一種以染料敏化TiO2奈米晶膜作光陽極的新型高效太陽能電池,從而開創了太陽能電池的新世紀,世界上第一個奈米太陽能電池誕生了。

但是利用液態電解質作為空穴傳輸材料實踐中存在許多無法改進的缺陷,如由於密封工藝複雜,長期放置造成電解液洩露,電池中還存在密封劑與電解液的反應,電極有光腐蝕現象,且敏化染料易脫附等,研究者們以固態空穴傳輸材料取而代之製備出全固態奈米太陽能電池,並取得可喜的成就。

1996年,Masamitsu等人利用固態高分子電解質製備了全固態太陽能電池,利用特殊的製備獲得了高離子導電性的電解質,得到了連續的光電流,並得到0.49%的光電轉換效率。

1998年Graetzel等人利用OMeTAD作空穴傳輸材料得到0.74%的光電轉換效率,而其單色光光電轉換效率達到了33%,引起了世人的矚目,使奈米太陽能電池向全固態邁進了一大步。

國際上的研究熱點之一是將單個液結TiO2奈米太陽能電池串聯,以提高開路電壓。中科院電漿體物理研究所為主要承擔單位的研究專案在此領域取得重大突破性進展,2004年10月中旬建成了500瓦規模的小型示範電站,光電轉換效率達到5%。這項成果使我國大面積染料敏化奈米薄膜太陽電池的研製水平處於國際領先地位,為進一步推動低成本太陽電池在我國的實用化打下了牢固基礎。

專利

國內外都公開了一些相關領域的專利,其中日本的專利數量最多。下面選取近幾年部分專利簡單介紹。

北京大學2002年5月22日公開的CN1350334奈米晶膜太陽能電池電極及其製備方法,涉及一種奈米晶膜太陽能電池電極及其製備方法,以寬禁帶半導體奈米晶膜為基底,在該基底表面吸附一層金屬離子,再在金屬離子吸附層上吸附光敏化劑。通過金屬離子的'表面修飾,改善電極的光電轉換效能,提高太陽能電池的光電轉換效率。與單純TiO2相比,基於金屬離子修飾TiO2奈米晶太陽能電池的光電轉化效率提高了5~14%,可作為電極廣泛於太陽能領域。

東南大學2005年1月12日公開了CN1564326軟基固態染料敏化薄膜太陽能電池及製備方法。軟基固態染料敏化薄膜太陽能電池是一種成本低、製造工藝簡單、效能穩定、上壽命可以達到20年以上的軟基太陽能電池,該太陽能電池的結構為層狀結構,即:在透光導電聚酯片下設有TiO2奈米晶膜,在TiO2奈米晶膜下設有LnPc2敏化層,在LnPc2敏化層下設有固體電解質層,在固體電解質層下設有柔軟金屬膜背電極,在柔軟金屬膜背電極下設有高阻隔複合Al膜。

復旦大學2005年7月27日公開的CN1645632一種固態染料敏化奈米晶太陽能電池及其製備方法,具體為一種採用離子液體與無機奈米粒子之間的氫鍵相互作用形成的染料敏化奈米晶表面組裝上固態電解質作電解質材料的太陽能電池及其製備方法。該太陽能電池中,在吸附光敏化劑的寬禁帶半導體奈米晶膜的表面組裝固態電解質來代替液體電解質,解決了液體電解質的封裝,而且在不明顯降低電池的光電轉化效率的前提下,能夠大幅度延長染料太陽能電池的使用壽命。其中的寬禁帶半導體奈米晶膜為TiO2奈米晶膜。

院電漿體物理研究所就染料敏化奈米薄膜太陽電池申請了多篇專利,其中2003年9月24日授權公告的3篇發明專利分別涉及到染料敏化奈米薄膜太陽電池的電解質溶液、電極製備方法、密封方法等,CN1444290公開的染料敏化奈米薄膜太陽電池用電解質溶液,以A、B或B、F或A、B、F為主體組分,通過復配或不復配其它四個組分中的一個或幾個組分組成電解質溶液,其中A組分—有機溶劑或混合有機溶劑;B組分—電化學可逆性好的I2/I-(即I3-/I-)氧化還原電對;C組分—光陽極的配合劑;D組分—碘化物中陽離子的配合劑;E組分—I2的配合劑;F組分—離子液體;G組分—紫外吸收劑。這種電解質溶液,具有較高的電導率、較低的粘度、良好的電化學可逆性、良好的低溫穩定性、較強的耐紫外線效能,能提高太陽電池效率,增加太陽電池壽命,本身效能穩定,對環境無汙染等優點。