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染料敏化太阳能电池研究进展

更新时间:2009-03-28

染料敏化太阳能电池(DSSC)是众多太阳能电池分类中的一种,它是可以利用一些光敏材料,模仿植物中叶绿素的光合作用,最终将太阳能(光能)转化为电能的一种新型太阳能电池[1]。由于其原料来源广泛,成本低廉,对生产设备要求低,生产工艺简单,能耗低,适合大规模的生产应用等特性,在能源短缺和环境污染的当下,受到了越来越多政府、企业及研究人员的关注[2]。但是染料敏化太阳能电池光电转化效率(IPCE)相对于一般太阳能电池而言较低,且液态或半固态电解质会影响电池稳定性[3]。因此现阶段对其的研究方向主要是如何提高其光电转化率和稳定性[4]

1 染料敏化太阳能电池原理及构造

1.1 原理

染料敏化太阳能电池原理如图1所示。DSSC的核心思想是将光的吸收过程和电子收集过程分开,即分别由敏化剂和介孔氧化物半导体基底来完成[5]。电池基底通常是由TiO2纳米晶烧结在一起形成的介孔氧化物半导体层;敏化剂是吸附在纳米晶的薄膜表面上的单层染料分子。当染料分子吸收太阳光时,电子从基态跃迁到激发态。处于激发态的电子不稳定,它以非常快的速率注入较低能级的TiO2导带中。注入导带中的电子经外电路时做功产生工作电流,然后流回到对电极中;电解液中的氧化还原电对则将留在氧化钛染料分子中的空穴还原,这时氧化态染料分子还原至基态,就可再次吸收光子;产生的氧化态电解质通过扩散在对电极接受电子被还原,这样整个电路经过氧化和还原的再生,完成一个光电化学反应的循环[6-8]

  

图1 染料敏化太阳能电池的原理Fig.1 Principle of dye-sensitized solar cell

1.2 构造

染料敏化太阳能电池的构造如图2所示。典型的DSSC包括透明导电光学(TCO)玻璃、透明纳米孔半导体电极(光阳极)、染料、电解质、对电极(光阴极)等[9-11]

  

图2 染料敏化太阳能电池的构造Fig.2 Structure of dye-sensitized solar cell

2 国内外最新研究进展

目前DSSC的研究都集中于改变或发现新的组成其结构的材料[12-14]。下面将根据针对不同结构所做的研究来概述DSSC的国内外研究进展。

马铃薯种植土地土层深度至少在50厘米以上,以酸碱度(pH)值低于8.0的壤土及砂质壤土为首选,种植地块要避免重茬、迎茬,前茬作物以绿肥、谷类作物及豆类作物为首选,避免与茄、烟草、甜菜等作物为邻。秋季翻耕,耕地深度30~35厘米,喷洒除草剂后浅混土。

关于光阳极,Milan等[15]研究了用于DSSC的ZnO@SnO2复合光阳极,即将多种氧化物分层设计理念应用于制造光阳极。该设计方案综合利用了两种氧化物各自的优良性能。利用ZnO的高载流子迁移率和SnO2材料在紫外光照射下的高稳定性,研究了ZnO@SnO2不同分层组合的效果:基于两种氧化物设计的光阳极取得了更高的光能转换率(4.96%),而使用单一SnO2或ZnO的转换率则分别只有1.20%和1.03%。另外,在开路电压和短路电流密度方面均发现了协同增效现象。分层结构之所以能提升功能性能,是因为这一结构优化了高化学电容和低复合电阻,同时抑制了从SnO2导带到电解液中氧化型物质的电子回传。研究证实了简单电极设计在强化最终设备性能方面发挥的强大作用。

关于敏化剂,Han等[16]采用超声波喷涂技术超快速制造柔性染料敏化太阳能电池,研究了用于制造TiO2电极的新型沉积技术,并将该类电极运用在柔性染料敏化太阳能电池中。预先染料包覆技术和共淀积超声波喷涂技术消除了传统方法及工艺过于耗时的缺点。采用新型沉积技术并使用染料N719作为敏化剂制成的电极(以柔性聚合物为基底)实现了超过4.0%的能量转化率。

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关于对电极,Maiaugree等[17]利用从山竹皮中提取的天然对电极和天然染料制成了染料敏化太阳能电池。碳化山竹皮和山竹皮染料可分别被用作天然对电极和天然光敏剂。在碳化山竹皮中发现了一种具有粗糙纳米级表面的独特介孔蜂窝状碳结构,对比了利用碳化山竹皮作对电极的染料敏化太阳能电池和采用Pt和PEDOT-PSS作对电极的电池的效果,发现使用碳化山竹皮和有机二硫化物/硫醇盐电极的电池具有较高的太阳能转换效率(2.63%)。

在光敏染料方面[25-31],染料分子结构可能对敏化太阳能电池的开路电压有较大影响,而对于总的光电转换效率的影响仍无规律可循,而且目前仍然存在染料容易从TiO2上脱附,在光照下也容易被氧化等问题,导致电池的稳定性下降。这些因素极大地影响了DSSC的工业化应用。所以,继续寻找更加匹配的电子给体或稳定度好,与TiO2键和牢固并且有着较强吸电子能力的电子受体的新型敏化染料是非常必要的。

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虽然沧州市城镇化与城乡统筹发展取得了一定的成绩,但总体看,发展水平和质量还不高,各级城市的规模依然偏小,城市综合承载能力和城市经济实力依然偏弱,城市精细化管理水平依然偏低,进城农民工“市民化”步伐依然偏慢,城乡一体化统筹发展水平和质量还不高,与沿渤海、环京津的特殊区位不相称。

[13] 赵加佩,陈宁,冻小飞.太阳能吸附式制冷技术进展综述[J].能源研究与信息,2007,23(1):23-29.

3 潜在问题及展望

在光阳极方面[20-24],目前纳米结构光阳极的发展仍然处于初级阶段,还无法精确控制其微观形貌和结构,使之完全满足DSSC光阳极的功能需求。如何从纷繁复杂的各种材料、结构和工艺中遴选出最具发展潜力的纳米结构形式,并通过微观结构、光电功能的优化,最终真正实现比纳米颗粒光阳极更高的光电转化效率,是所有研究者必须面对的挑战和机遇。

关于电解质,王艳香等[18]研究了DSSC中利用CsSnI3-xFx作为固态电解质,F-掺杂取代I-和SnF2负载量等对电池性能的影响。当在CsSnI2.95F0.05中添加质量分数为5%的SnF2后,并在450 ℃下烧制的固态电解质电池的性能最优,电池光电转换效率为5.18%。

在电解质方面[32-33],现阶段电解质分为液态、准固态、全固态。液态电解质最大的缺点是不够稳定,易泄漏、挥发,有腐蚀性;而采用准固态或全固态电解质代替液态电解质,也只能在一定程度上提高DSSC的稳定性,但是大部分电池的光电转换效率还是低于含液态电解质的电池。此外,对于其他组成部分,例如,需要综合考虑染料、半导体纳米晶、电解质对电极的能级匹配以及相互作用对电池性能的影响。

[19] KINOSHITA T,NONOMURA K,JEON N J,et al.Spectral splitting photovoltaics using perovskite and wideband dye-sensitized solar cells[J].Nature Communications,2015,6:9834.

4

DSSC具有弱电发光,受环境温度及光入射角度影响小,制备工艺简单,同时具有可制备柔性以及艺术多彩DSSC等特点,这是其他种类太阳能电池无法比拟的。如何进一步提高DSSC的光电转化率、开发高效固态电解质以及高效光敏材料研究是DSSC研究领域有待解决的问题。尽管如此,目前DSSC已发展到向产业化过渡的阶段。相信随着技术的不断进步,DSSC美好的应用前景必将凸显,包括可应用于携带移动电源、数码家电,以及建筑一体化的汽车一体化应用等,它也必将以其优异的性能和低廉的成本成为太阳能电池市场上有力的竞争者,并在未来能源结构中占据重要地位。这也将有助于解决人类的能源需求,缓解化石燃料带来的环境污染等问题。

参考文献:

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[2] 张云峰,刘涛,薛慧玲,等.染料敏化太阳能电池的研究进展[J].四川师范大学学报:自然科学版,2014,37(6):929-941.

咨询单位与设计单位之间协作程度高,将是一种价值共创,其过程中并未加重对方的负担,而双方的满意度都会提高。

[3] 诺桑,措加旺姆,罗布,等.纳米晶染料敏化太阳能电池染料优化配比技术[J].科技通报,2013,29(10):217-219.

[4] 眭灿明,奚红霞,李辉,等.天然染料敏化太阳能电池的研究进展[J].广东化工,2008,35(2):8-12.

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[18] 王艳香,黄杰,杨志胜,等.CsSnI3-xFx固态电解质的制备及其染料敏化太阳能电池性能[J].陶瓷学报,2015,36(5):470-475.

选取我院收治的80例糖尿病患者,随机分为2组,各40例。其中,观察组男26例,女14例,年龄35~70岁,平均(42.5±3.2)岁。病程1~8年,平均(6.2±1.3)年。对照组男21例,女19例,年龄36~71岁,平均(48.8±2.4)岁。病程1~9年,平均(6.4±1.7)年。两组基本信息资料对比无明显差异,差异无统计学意义(P>0.05)。

[9] 梅翠玉,王小平,王丽军,等.染料敏化太阳能电池的研究进展[J].材料导报,2011,25(13):148-152.

[10] 于哲勋,李冬梅,秦达,等.染料敏化太阳能电池的研究与发展现状[J].中国材料进展,2009,28(S1):8-15.

[7] 史继富,徐刚,苗蕾,等.p-型和pn-型染料敏化太阳能电池[J].物理化学学报,2011,27(6):1287-1299.

[12] 杨桂军,王棽睿,张永昌,等.pH值对金莲花染料敏化太阳能电池性能的影响[J].物理化学学报,2013,29(3):539-545.

位于梅村伯渎河畔的泰伯庙不仅成为祭祀泰伯的中心,而且成为中华民族吴氏宗亲对祖先的记忆之地,更是成为激发文化自信、文化惠民的多元文化空间。2016年,梅村把“致力发展特色文化旅游产业”写进了“十三五”规划,提出了打造梅里文化小镇的构想。

关于光谱吸收的研究,Kinoshita等[19]采用钙钛矿结构增加电池对光谱的吸收范围,制造了染料敏化太阳能电池,将太阳能电池对光的吸收范围向近红外区域扩展来提高电池的能量转换效率。虽然钙钛矿太阳能电池的高转换率大于20%,但是这种电池在长波段的吸收限大约在800 nm。为了进一步增强钙钛矿型太阳能电池的转换效率,建立了一种结合近红外光伏发电的混合系统。采用一种DX3的全色性增感剂,这种增感剂在近红外区域的响应很宽,大约可达1 100 nm,同时这种材料在模拟大气质量和1.5标准日光辐射环境中的短路电流密度可超过30 mA·cm-2。将基于DX3的染料敏化太阳能电池和可吸收可见光的钙钛矿电池相结合,这一采用光谱拆分系统的介观混合光伏发电技术实现了21.5%的转换效率。

他患脑溢血的消息,是杂文家李志远打电话告诉我的。那年6月我在北京,曾前往医院看望。情况比原先估计得好些,讲话不方便,脑子是清楚的,右手也在恢复之中。第二次去看他,已经能够坐起来了。我以后没有再去过北京,也没有再见到张雨生,只是过一段给他打个电话,他能走路了,他能独自出去散步了,他能由夫人陪同外出,冬天去海南,夏天去北戴河了。但他的语言障碍一直未能排除。

[14] 范佳杰.二氧化钛纳米片基染料敏化太阳能电池的制备[D].武汉:武汉理工大学,2012.

2.分类进行服务保障。对生活困难党员重点落实补助政策;对身体不便党员重点解决日常生活困难;对物质条件较好的党员重点解决精神需求;对就医困难的党员开展“配药服务”;对空巢党员多进行走访看望、精神慰问。

[15] MILAN R,SELOPAL G S,EPIFANI M,et al.ZnO@SnO2 engineered composite photoanodes for dye-sensitized solar cells[J].Scientific Reports,2015,5:14523.

今年当地化肥销售情况没有大的变化,山西农资集团有限公司晋北分公司对于新型肥料销售比较重视,积极采取各种推广方式促进液体肥、菌肥、喷施肥等新型肥料的销售。目前来看,销售情况尚可,但销售难度比较大。陈君说,农民本身对新型肥料并无主动需求,未来企业需将示范田、专家指导等方式贯穿到新型肥料销售中。

[16] HAN H G,WEERASINGHE H C,KIM K M,et al.Ultrafast fabrication of flexible dye-sensitized solar cells by ultrasonic spray-coating technology[J].Scientific Reports,2015,5:14645.

随着我国城市化建设的进程加快,尤其是湖南省,每年都有大量的农民工涌入,其中女性为数不少。政府对于提高农民工生活质量有着重要的使命和责任。但是目前很多农民工的体育参与意识不强,这就需要我们加大体育锻炼的宣传力度,利用新媒体、传统媒体等多种宣传方式来让农民工意识到体育锻炼的重要性,并且能够激发他们参与的热情,可以培养他们体育锻炼的意识。

She showed off sle_____figure in a long narrow dress.

[17] MAIAUGREE W,LOWPA S,TOWANNANG M,et al.A dye sensitized solar cell using natural counter electrode and natural dye derived from mangosteen peel waste[J].Scientific Reports,2015,5:15230.

[8] 陈汉,毕恩兵,韩礼元.染料敏化太阳能电池敏化剂材料研究进展[J].中国材料进展,2013,32(7):406-419.

在层叠结构方面,通过各种层叠结构设计,有利于拓宽DSSC的光谱利用范围。虽然光谱的可利用范围增大,但其电池的光电转换率并没有显著升高。目前层叠DSSC的研究刚刚起步,如果能找到具有宽光谱吸收特性、高量子转换效率的P型染料以及更匹配的电解质,或许更有利于层叠DSSC的发展。

[20] 谢世伟,肖啸,谭建军,等.基于石墨烯基电极染料敏化太阳能电池的研究进展[J].中国光学,2014,7(1):47-56.

[21] 张凌云.染料敏化太阳能电池ZnO阳极的修饰与光电性能的研究[D].哈尔滨:哈尔滨工业大学,2013.

亳文化译介的目的是让亳州走向世界,让世人了解亳州,展示弘扬亳州独具特色的地域文化,加深亳州国际化和对外开放的力度。从文化的国际传播角度进行亳文化的译介,主要探讨亳文化的译介主体、译介受众、译介策略。

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周毅,周艳霞,赵地
《能源研究与信息》 2018年第01期
《能源研究与信息》2018年第01期文献

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