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1、染料敏化太阳能电池 第1页，本讲稿共23页太阳能电池概述1 纳米及改性TiO2在太阳能电池中的应用2提高光电转换效率的方法3纳米TiO2与生物相结合技术4Contents第2页，本讲稿共23页 太阳能是人类取之不尽用之不竭的可再生能源，也是清洁能源，不产生任何的环境污染，我们只需要利用其中很小的一部分就可以满足人类的需要 在太阳能的有效利用当中，太阳能光电利用是近些年来发展最快，最具活力的研究领域，是解决世界范围内的能源危机和环境污染的一条重要途径。太阳能电池的研究意义：第3页，本讲稿共23页中国太阳能电池产业：第4页，本讲稿共23页多元化合物 非晶硅多晶硅单晶硅纳米晶化学太阳能电池太阳能电池
2、的发展历史：太阳能的发展：1954年Bell实验室研发出第一个单晶硅太阳能电池，效率为6%。第5页，本讲稿共23页太阳能电池的比较：第6页，本讲稿共23页禁带宽度光电转化效率环 保材料便于工业化生产且性能稳定 制作太阳能电池材料的一般要求：半导体材料的禁带宽度不能太宽具有较高的光电转化效率材料本身对环境无污染稳定性第7页，本讲稿共23页太阳能电池概述1 纳米及改性TiO2在太阳能电池中的应用2提高光电转换效率的方法3纳米TiO2与生物相结合技术4Content第8页，本讲稿共23页一方面纳米TiO2具有良好的光电转换能力，故一般将其修饰到透明的导电玻璃上作为光阳极。在太阳能电池中的应用另一方面
3、纳米TiO2膜表面具有多孔的结构，可以通过吸附作用把染料固定在纳米TiO2表面，以进一步提高电池的光电转换效率。所以纳米TiO2在太阳能电池上受到人们的普遍关注。TiO2在太阳能电池中的应用：第9页，本讲稿共23页第二步第一步制备钛的氢氧化物凝胶即前躯体，反应体系有四氯化钛与氨水体系和钛醇盐与水体系等。在这个过程中生成的凝胶大多是无定形，需要进一步结晶。将凝胶转入高压釜内，按一定的升温速度加热，达到所需温度(250)，恒温一段时间，卸压后洗涤、干燥即可得到纳米级的二氧化钛。纳米TiO2粒子的制备方法：第10页，本讲稿共23页溶胶溶胶凝胶凝胶热蒸热蒸发发电子束电子束磁控溅磁控溅射射在大于10-3
4、Pa真空下用钨、钼电阻发 热 至 2000左右，使TiO2膜材料气化，获得足够分子自由程及能量而沉积在被镀工件上形成不大 于 1 um厚 度TiO2薄膜。加速电子束轰击阳极TiO2膜材料，使TiO2获得热能而真空气化沉积凝结于被镀工上，形成厚度不大于1um的薄膜。TiO2阴极靶材，受到高速阳离子气体的动能、动量撞击传输，溅射高能的TiO2分子或分子团，这种获能粒子在电场作用下飞奔并沉积在阳极基板上。纳米TiO2薄膜的制备方法：制备溶胶，溶胶通过涂覆或者提拉浸泡法在电极上附着、晾干，最后通过在马弗炉中煅烧或红外灯烘烤等方法进行热处理。第11页，本讲稿共23页改性研究辐射到地球表面的太 阳 光 中
5、 可 见 光43%，紫外光占4%，TiO2的禁带宽度为3.2eV，吸收位于紫外区，对可见光的吸收较弱。DSSC电池把 染 料 吸 附 在TiO2表面，借助染料对可见光的敏感效应，增加了整个染料敏化太阳能电池对太阳光的吸收率。增加对太阳光的利用率提高半导体的光电转换效率纳米TiO2的改性研究：第12页，本讲稿共23页在绝对零度温度下，半导体的价带是满带，受到光电注入或热激发后，价带中的部分电子会越过禁带进入能量较高的空带，空带中存在电子后成为导带，价带中缺少一个电子后形成一个带正电的空位，称为空穴，导带中的电子和价带中的空穴合称为电子空穴对。光电转换原理：禁带空带e-满带导带电子跃迁示意图 上述
6、产生的电子和空穴均能自由移动，成为自由载流子它们在外电场作用下产生定向运动而形成宏观电流。第13页，本讲稿共23页DSSC原理示意图：DSSC是由透明导电玻璃、TiO2、多孔纳米膜、敏化染料、电解质溶液以及镀Pt对电极构成的“三明治”式结构电池。(4)处于氧化态的染料分子(S*)与电解质(I-/I3-)溶液中的电子供体(I-)发生氧化还原反应而回到基态，染料分子得以再生；(5)在对电极附近，电解质溶液得到电子而还原。光电转换机理：(1)太阳光(hv)照射到电池上，基态染料分子(S)吸收太阳光能量被激发，染料分子中的电子受激跃迁到激发态(S*)；(2)激发态的电子快速注入到TiO2导带中；(3)
7、电子在TiO2膜中迅速的传输，在导电基片上富集，通过外电路流向对电极；第14页，本讲稿共23页TiO2薄膜电极的表征：第15页，本讲稿共23页染料敏化太阳能电池的性能分析：染料敏化太阳能电池的性能分析：能量转换效率的定义：Pin 太阳光模拟器的入射折射功率密度 Voc 开路电压 Jsc 短路电流密度 FF 填充因子由此计算出能量转化效率。第16页，本讲稿共23页 将TiO2电极从染料溶液中取出，用乙醇冲洗，洗去吸附在表面的染料，薄膜电极作为光阳极，以镀铂电极为光阴极。用热封膜将TiO2电极和铂对电极封装，从侧面预留小孔中滴入电解液。把两片玻璃稍微错开，以便利用暴露在外面的部分作为电极的测试用。
8、利用两个夹子把电池夹住，这样，你的太阳能电池就做成了。染料敏化太阳能电池的组装：第17页，本讲稿共23页太阳能电池概述1 纳米及改性TiO2在太阳能电池中的应用2提高光电转换效率的方法3纳米TiO2与生物相结合技术4Content第18页，本讲稿共23页思路思路1思路思路2思路思路3思路思路4电解质体系：电解质体系：液态电解质存在如封装困难,易泄露等问题，用固态或准固态电解质替代对电极：对电极：以碳纳米颗粒作为对电极改进和完善多孔、高比表面积碳基等非金属类对电极材料的制备工艺思路思路5提高光电转换效率的方法：薄膜电极薄膜电极:改善改善TiO2薄薄膜制备方法孔膜制备方法孔的大小晶体类的大小晶体类
9、型型与窄半导与窄半导体复合体复合过渡金属离过渡金属离子掺杂子掺杂表面沉积贵表面沉积贵金属金属染料光敏化染料光敏化剂：剂：主要有金属配合物染料和纯有机染料，通过共敏化方式可以拓宽电极的吸收光谱上转换发光上转换发光层：层：用上转换发光材料将红外光转换为电池可以吸收利用可见光和近紫外光第19页，本讲稿共23页太阳能电池概述1 纳米及改性TiO2在太阳能电池中的应用2提高光电转换效率的方法3纳米TiO2与生物相结合技术4Content第20页，本讲稿共23页将酶燃料电池与光伏电池结合 酶电极与光能转换电极结合，通过一个多步骤的催化过程，可以实现生物催化的光能电能的转换。这种光/酶混合燃料电池为利用有机
10、体实现光电转换提供了一个新的思路。工作原理:当光照射到阳极，电子从激发态的染料(S*)转移到涂有纳米TiO2的导电FTO/IT0玻璃电极(CB)上，失去电子的染料(S*+)从酶电极氧化还原对NAD(P)H/NAD(P)+重新得到电子转变为S0。葡萄糖脱氢酶氧化葡萄糖同时将S*+与NAD(P)+还原为NAD(P)H，这个电池还可以用乙醇作燃料。第21页，本讲稿共23页 这种光/酶混合燃料电池的研究尚处于初级阶段，目前只局限在对阳极的研究，没有与之配对的光/酶阴极，所以这种生物燃料电池仅能认为是准混合光/酶燃料电池。TiO2型PE塑料薄膜抗菌性能：将纳米TiO2抗菌剂和聚乙烯塑料树脂均匀共混，制成塑料制品或塑料膜即可成为抗菌广谱、长效、安全稳定的功能性塑料。适于制作医疗卫生用品、餐饮器具、卫生要求高的各类包装材料等产品。第22页，本讲稿共23页 Thank you!第23页，本讲稿共23页