李定海

武漢工業(yè)學(xué)院 電氣與電子工程學(xué)院,武漢

有關(guān)天然染料敏化納米晶太陽能電池的探究

李定海

武漢工業(yè)學(xué)院 電氣與電子工程學(xué)院,武漢

文章以天然染料敏化納米晶太陽能電池為研究對(duì)象，從染料敏化電池原理以及天然染料敏化納米晶太陽能電池制備中的關(guān)鍵問題分析這兩個(gè)方面入手，圍繞這一中心問題展開了較為詳細(xì)的分析與闡述，并據(jù)此論證了天然染料在提高染料敏化納米晶太陽能電池運(yùn)行質(zhì)量與運(yùn)行效率過程中所發(fā)揮的重要作用與意義。

天然染料；太陽能電池；制備；應(yīng)用；分析

引言

我們必須明確一個(gè)方面的問題：在地球礦物資源不斷減少，各行業(yè)領(lǐng)域?qū)δ茉葱枨蟪掷m(xù)增加的背景作用之下，有關(guān)太陽能電池的研究開始受到整個(gè)社會(huì)的特別關(guān)注與重視?，F(xiàn)階段應(yīng)用較為廣泛的單晶硅、多晶硅以及非晶硅類型太陽能電池盡管制備技術(shù)較為成熟，但因其制造價(jià)格較高，此類太陽能電池的制備及其應(yīng)用有著一定的局限性。為此，人們開始針對(duì)新型染料敏化納米晶太陽能電池制備及其應(yīng)用展開了深入研究，與之相對(duì)應(yīng)的天然染料也日益廣受關(guān)注。文章試針對(duì)以上問題做詳細(xì)分析與說明。

1 染料敏化電池原理分析

從染料敏化電池的運(yùn)行原理角度上來說，其屬于一種由吸附染料納米晶半導(dǎo)體多孔薄膜、電解質(zhì)溶液（電解質(zhì)溶液當(dāng)中含有氧化—還原組隊(duì)）以及對(duì)電極（對(duì)電極制備材料主要為鍍鉑或是石墨）所構(gòu)成的夾心式電池。在太陽光照射充分的反應(yīng)環(huán)境作用下，敏化劑分子將得到較為充分的激發(fā)反應(yīng)，進(jìn)而將電子注入半導(dǎo)體納米粒子導(dǎo)帶。受到此反應(yīng)因素影響，電子在導(dǎo)帶基底上發(fā)生富集反應(yīng)，以外電路為載體流向?qū)﹄姍C(jī)位置。在此基礎(chǔ)之上，失去電子后的敏化劑能夠借助于電解質(zhì)發(fā)生還原反應(yīng)進(jìn)而返回機(jī)臺(tái)，與此同時(shí)，處于氧化態(tài)表現(xiàn)形式的電解質(zhì)同樣能夠在對(duì)電機(jī)位置發(fā)生電子被還原反應(yīng)。整個(gè)過程并沒有凈的化學(xué)變化伴隨產(chǎn)生，制備優(yōu)勢較為顯著。

2 天然染料敏化納米晶太陽能電池制備中的關(guān)鍵問題分析

2.1 在電極面積參數(shù)出現(xiàn)增大的情況下，受到電流參數(shù)瞬時(shí)性加大這一問題的影響，電子在整個(gè)納米晶網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)傳輸過程當(dāng)中與電子受體所發(fā)生的復(fù)合反應(yīng)會(huì)較為顯著，與此同時(shí)，由此種復(fù)合反應(yīng)所導(dǎo)致的整個(gè)納米晶網(wǎng)絡(luò)電流損失問題是極為突出的。更為關(guān)鍵的一點(diǎn)在于：染料分子電子受到激躍遷影響并轉(zhuǎn)變?yōu)榧ぐl(fā)態(tài)，處于激發(fā)態(tài)狀態(tài)下的電子由此勢必會(huì)在半導(dǎo)體導(dǎo)帶的注入過程當(dāng)中發(fā)生同等趨勢的電子負(fù)荷反應(yīng)。換句話來說，半導(dǎo)體導(dǎo)帶所注入的電子能夠在充分注入的狀態(tài)下與半導(dǎo)體下處于氧化態(tài)狀態(tài)的染料分子以及電解質(zhì)當(dāng)中大量存在的電子同時(shí)產(chǎn)生顯著的受體反應(yīng)。這最終將導(dǎo)致染料敏化太陽能電池在運(yùn)行狀態(tài)下下所產(chǎn)生光電流強(qiáng)度受到復(fù)合反應(yīng)影響而出現(xiàn)明顯削弱問題。從這一角度上來說，以葉綠素為代表的天然染料能夠有效解決這一問題。在葉綠素a吸附至TiO2電極表面的過程當(dāng)中，葉綠素a能夠以多聚體的形式存在。在此種反應(yīng)過程當(dāng)中，其紫外可見光區(qū)吸收峰將呈現(xiàn)出較為顯著的紅移性趨勢。經(jīng)測定：在波長參數(shù)為670nm情況下，葉綠素a單色光電轉(zhuǎn)化效率表現(xiàn)為3.5%。從這一角度上來說，相關(guān)研究學(xué)者針對(duì)葉綠素a進(jìn)行了化學(xué)改性處理，重點(diǎn)實(shí)現(xiàn)了S-Au鍵與金納米粒子之間的有效連接，此種化學(xué)改性處理方式能夠形成獨(dú)立自組的單層結(jié)構(gòu)。從實(shí)踐數(shù)據(jù)角度上來說，改性處理之后的葉綠素a在420nm以及675nm波長參數(shù)位置同樣表現(xiàn)出了較為顯著的吸收峰特性。

與此同時(shí)，考慮到晶型的完整性程度同樣會(huì)對(duì)電荷負(fù)荷中心復(fù)合反應(yīng)的多少造成一定的影響，未避免太陽能電池在后期應(yīng)用過程當(dāng)中出現(xiàn)較多的電荷復(fù)合中心，應(yīng)當(dāng)盡量刪選掉不完整、較小以及缺陷較為明顯的晶體，在此基礎(chǔ)之上利用金納米粒子發(fā)揮其對(duì)于葉綠素分子結(jié)構(gòu)的修飾特性，進(jìn)而對(duì)電池性質(zhì)產(chǎn)生相應(yīng)的影響。發(fā)揮金納米粒子在應(yīng)用于葉綠素分子結(jié)構(gòu)修飾的過程當(dāng)中充當(dāng)著納米半導(dǎo)體與染料分子之間的連接載體的性能，它使得葉綠素分子當(dāng)中大量的激發(fā)電子能夠高質(zhì)量的向半導(dǎo)體納米粒子進(jìn)行轉(zhuǎn)移，以此種方式確保納米晶及太陽能制備性能的有效性。

2.2 在敏化納米晶太陽能電池的實(shí)踐運(yùn)行過程當(dāng)中，針對(duì)電極進(jìn)行一定的化學(xué)處理還能夠達(dá)到提高太陽能電池光電性能的關(guān)鍵目的。在處理過程當(dāng)中有以下幾個(gè)方面的問題需要特別重視：首先，化學(xué)處理應(yīng)當(dāng)以改善電極表面運(yùn)行狀態(tài)為基礎(chǔ)，最大限度的優(yōu)化納晶多孔網(wǎng)絡(luò)微結(jié)構(gòu)下的電子傳輸與擴(kuò)散性能；其次，針對(duì)太陽能電池薄膜表面運(yùn)行狀態(tài)予以改善，改善的關(guān)鍵在于確保薄膜能夠更好的適應(yīng)電子的傳輸與擴(kuò)散需求；最后，化學(xué)處理還應(yīng)當(dāng)以提高電極表面態(tài)密度予以有效改善。

基于以上三個(gè)方面的需求，借助于類胡蘿卜素這種天然染料能夠發(fā)揮以下三個(gè)方面的優(yōu)勢：

①類胡蘿卜素作為天線分子發(fā)揮對(duì)太陽光的吸收作用，在此過程當(dāng)中將單重態(tài)能量傳遞至葉綠素分子結(jié)構(gòu)當(dāng)中；

②類胡蘿卜素在強(qiáng)光條件下淬滅葉綠素的熒光能夠直接與反應(yīng)中心發(fā)生電子轉(zhuǎn)移反應(yīng)；

③類胡蘿卜素作為光保護(hù)色素實(shí)現(xiàn)對(duì)三重態(tài)葉綠素過剩能量的傳遞作業(yè)。通過現(xiàn)階段相關(guān)工作人員對(duì)此類化合物元素在敏化納米晶太陽能電池制備過程當(dāng)中的實(shí)踐數(shù)據(jù)不難得之：類胡蘿卜素在太陽能電池制備過程中的重點(diǎn)應(yīng)當(dāng)關(guān)注與對(duì)共敏化性能的研究作業(yè)。

3 結(jié)語

在國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)各行業(yè)領(lǐng)域持續(xù)發(fā)展的背景作用之下，在現(xiàn)代經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展與生態(tài)環(huán)境可持續(xù)發(fā)展兼顧的推動(dòng)作用之下，礦物資源有限性與能源需求持續(xù)發(fā)展之間的矛盾日益加劇，新型太陽能制備問題開始受到社會(huì)大眾的廣泛關(guān)注與重視?？偠灾恼箩槍?duì)有關(guān)天然染料敏化納米晶太陽能電池及其應(yīng)用相關(guān)問題做出了簡要分析與說明，希望能夠?yàn)榻窈笙嚓P(guān)研究與實(shí)踐工作的開展提供一定的參考與幫助。

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10.3969/j.issn.1001-8972.2012.20.062

AbstractBased on the natural dye sensitized nanocrystalline solar cell as the research object, from the dye sensitized solar cell and the principle of natural dye sensitized nanocrystalline solar cell preparation analysis of key problems in these two aspects, around this one center issues a detailed analysis and elaboration, and accordingly the proved natural dyes in improving dye sensitized nanocrystalline solar cell operating quality and operating efficiency of the important role and significance.

Keywords

natural dye；sensitized solar cell；preparation；application analysis