纳米TiO2在太阳能电池方面的应用
出处：论文网
时间：2007-03-23
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。
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。
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