5.1染料敏化太阳能电池及材料
DSSC 电池简介
1976,H.Tsubomura,et al,ZnO,2.5%(at 563nm) 1998,Sommeling et al 1993,M.Gratzel,Red-dye,10.0%(AM1.5) 1998,M,Gratzel,Black-dye,10.4%(AM1.5) 1991,M.Gratzel,N3-dye,7.1-7.9%(AM1.5)
的电子能级由准连续变为离散能级的现象和纳米半导体 微粒存在不连续的最高被占据分子轨道和最低未被占据 的分子轨道能级，能隙变宽现象均称为量子尺寸效应。
5.1染料敏化太阳能电池及材料
DSSC 电池结构和组成
TiO2光电阴极
量 子 尺 寸 效 应

导电的金属在超微颗粒时可以变成绝缘体d, δ， 电子移动困难，电阻率增大，从而使能隙变宽， 磁矩的大小和颗粒中电子是奇数还是偶数有关
5.1染料敏化太阳能电池及材料
DSSC 电池简介
全称：染料敏化纳米薄膜太阳能电池，是近年发展起来的一 种太阳能电池，是由瑞士的Graktzel教授领导的研究小组首次
提出的，是基于自然界中的光合作用原理 而发明的．这种电
池以廉价的TiO2 纳米多孔膜作为半导体电极⋯ ，以Ru及Os等 有机金属化合物作为光敏化染料，选用适当的氧化一还原电 解质做介质，组装成染料敏化TiO 2纳米晶太阳能电池 (简称 DSSC电池)．
5.1染料敏化太能电池及材料
DSSC 电池简介
1991年，瑞士Grätzel M. 以较低的成本得到了>7%的光 电转化效率。 1998年，采用固体有机空穴传输材料的全固态DSSCs电池 研制成功，其单色光电转换效率达到33%，从而引 起了 全世界的关注。 目前，DSSCs的光电转化效率已能稳定在10％以上，寿 命能达 15～20年，且其制造成本仅为硅太阳能电池的 1/5～1/10。
5.1染料敏化太阳能电池及材料
DSSC 电池结构和组成
TiO2光电阴极
纳米微粒的基本性质
电子能级的不连续性
•量子尺寸效应
•小尺寸效应
•表面效应
•宏观量子隧道效应
5.1染料敏化太阳能电池及材料
DSSC 电池结构和组成
TiO2光电阴极
量 子 尺 寸 效 应
当粒子尺寸下降到某一值时，金属费米能级附近
体薄膜内部，使氧化态染料能有效地再生。
5.1染料敏化太阳能电池及材料
DSSC 电池结构和组成
TiO2光电阴极
纳米材料与纳米结构的定义
纳米材料指在三维空间中至少有一维处于纳米尺度范围或由 它们作为基本结构单元构成的材料。
基本单元按维数分：
零维：空间三维均在纳米尺度，如纳米尺度颗粒、原子团簇等 量子点
光谱线会产生向短波长方向的移动 催化活性与原子数目有奇妙的联系
5.1染料敏化太阳能电池及材料
DSSC 电池结构和组成
TiO2光电阴极
小 尺 寸 效 应
当纳米微粒的尺寸与光波的波长、德布罗意波长、
超导态的相干长度或透射深度等物理特征尺寸相当或更 小时，晶体周期性边界条件被破坏；非晶态纳米微粒的 颗粒表面附近的原子密度减小，导致声、光、电、磁、 热、力学等特性呈现新的小尺寸效应。
2001,A.Hagfektt et al 6.2% (AM1.5) 2002,W.Kubo et al,6.0%(AM1.5) 1998.K.Tennakone, CuI,4.5%(simulated sunlight)
2003, 1993,M,Gratzel,N719-dye,10.58%(AM1.5)
5.1染料敏化太阳能电池及材料
DSSC 电池结构和组成
TiO2光电阴极
小 尺 寸 效 应
光吸收显著增加，并产生吸收峰的等离子共 振频移
磁有序态向磁无序态、超导相向正常相转变
声子谱发生改变
纳米颗粒的熔点降低
金
块状 1337K 2nm 600K
5.1染料敏化太阳能电池及材料
DSSC 电池结构和组成
TiO2光电阴极
表 面 效 应


金属铜或铝的纳米颗粒一遇空气就会燃烧，发生爆炸 (炸药、火箭）
一些无机纳米微粒暴露在大气中会吸附气体，并与气体 进行反应（储氢材料） 很大的比表面，加快化学反应过程 （高效催化剂）
5.1染料敏化太阳能电池及材料
DSSC 电池结构和组成
TiO2光电阴极
5.1染料敏化太阳能电池及材料
一维：空间有两维处在纳米尺度，如纳米丝，纳米棒、纳米管等 量子线
二维：空间有一维处在纳米尺度，如超薄膜，多层膜，超晶格等 量子阱
5.1染料敏化太阳能电池及材料
DSSC 电池结构和组成
TiO2光电阴极
人高 针头 红血球 分子及DNA 氢原子 100万 纳米
纳米的基本概念
1千 纳米
1 纳米 0.1 纳米 20亿 纳米
5.1染料敏化太阳能电池及材料
DSSC 电池简介
染料敏化太阳电池的优点：
从实用性角度来讲： 从染料敏化纳米薄膜太阳电池的结构可以看出，电
池是由双块透明导电玻璃及有一定颜色的染料和电解质构
成，而整个电池是透明的，且带一定颜色，所以可以通过 适当选择染料和电解质的颜色及TiO2膜的厚度来控制整个
电池的透光率，这样可以把电池用作窗户玻璃，即透光又
TiO2光电阴极
表 面 效 应
表面效应是指纳米粒子的表面原子数与总原子数 之比随纳米粒子尺寸的减小而大幅度地增加，粒子的
表面能和表面张力也随着增加，从而引起纳米粒子性
质的变化。
5.1染料敏化太阳能电池及材料
DSSC 电池结构和组成
TiO2光电阴极
表 面 效 应
纳米微粒尺寸 d(nm) 10 4 2 1 包含总原子数 3×104 4×103 2.5×102 30 表面原子所占比例 (%) 20 40 80 99
DSSC 电池结构和组成
TiO2光电阴极
宏观量子隧道效应
隧道效应：微观粒子具有贯穿势垒的能力
电子具有粒子性又具有波动性，存在隧道效应。一些宏观
物理量，如微颗粒的磁化强度、量子相干器件中的磁通量
等亦显示出隧道效应，称为宏观的量子隧道效应。
5.1染料敏化太阳能电池及材料
DSSC 电池结构和组成
TiO2光电阴极
Materials 单晶硅(晶圆)
Cell (η%) 15~23%
module (η%) 14~18%
太阳能电池应用
技术归类 基本特性 超高效率,超高稳定度 但成本极高 高效率,高穩定度, 具成本竞争力 应用领域
III-V族
太空应用 发电应用(取代传统发 电) ，电力供应源
单晶硅、多晶硅
有机化合物
5.1染料敏化太阳能电池及材料
DSSC 电池结构和组成 导电基底材料
导电基底材料主要是透明导电玻璃，是在厚度为1-3mm的普通 玻璃表面镀上导电膜制成的。 主要成份是掺F的透明SnO2膜（FTO），在SnO2和玻璃之间有
一层几个纳米厚度的纯SiO2膜，目的是防止高温烧结过程中普
通玻璃中Na+ 和K+等离子扩散到SnO2导电膜中。 ITO也可作为该电池的导电衬底材料。
5.1染料敏化太阳能电池及材料
DSSC 电池简介
染料敏化太阳电池的优点：
• 战略角度来讲 我国是一个能源的消耗大国，特别是电力的短缺严重影响 我国的经济持续稳定发展。但是无论是核电还是火电所需
要的燃料都是非常有限的，发电的同时也给环境造成了严
重的污染。 因此我国尤其应当注重太阳能这种可再生绿色能源的开发 与利用。为经济、环境、社会的协调发展奠定良好的基础 。
纳米微粒尺寸与表面原子数的关系
5.1染料敏化太阳能电池及材料
DSSC 电池结构和组成
TiO2光电阴极
表 面 效 应
表面原子所处的晶体场环境及结合能与内部原子有所不同，
存在大量的表面缺陷和悬空键，具有不饱和性质，因而极易与 其他原子反应，具有很高的化学反应活性。
5.1染料敏化太阳能电池及材料
DSSC 电池结构和组成
导电玻璃：8~10Ω/□
5.1染料敏化太阳能电池及材料
DSSC 电池原理
导 电 二 玻 氧 染 璃 化 料
钛
电 解 液
碳 电 导 极 电
玻 璃
5.1染料敏化太阳能电池及材料
DSSC 电池原理
5.1染料敏化太阳能电池及材料
DSSC 电池原理
光
电子注入
染料
电解液
TiO2（20纳米左右）
5.1染料敏化太阳能电池及材料
可当电池用。
5.1染料敏化太阳能电池及材料
DSSC 电池结构
染料敏化纳米薄膜太阳电池电池主要由以下几部分组成： 透明导电玻璃、纳米多孔TiO2膜、染料光敏化剂、电解质和反电 极
5.1染料敏化太阳能电池及材料
DSSC 电池结构
阳极：染料敏化半导体薄膜 2 TiO2膜:5~20um,1~4mg/cm 阴极：镀铂的导电玻璃 电解质：I3-/I-
第五章 有机太阳能电池
5.1染料敏化太阳能电池及材料
5.2有机聚合物太阳电池
5.3有机光伏电池的理论及参数
太阳能电池归类及效率
Sorts of Solar Cell
結晶硅 硅 非晶硅 III-V族 半导体 化合物 II-VI族 多元化合物 染料敏化型 有机化合物 有机D/A型 高分子/小分子/纳米粉体 ~8.3% 多晶硅(晶圆、薄膜) A-Si,a-SiC, a-SiGe GaAs(晶圆、薄膜) CdS,CdTe CuInSe2 nMO(TiO2)/Dye/电解质 12~17% 8~13% 18~35% 10~14% 12~16% ~12% 4~8% 10~16% 6~9%