纳米晶染料敏化太阳能电池前景

　　［摘 要］染料敏化太阳能电池结合了染料敏化剂和无机半导体的优势，具有较宽的光谱响应范围，理论光电转换效率高、透明度高、制造工艺简单、成本较低、对原料纯度要求不高、寿命长、对环境友好、应用前景广阔等，因而在最近的二十年中引起人们的广泛兴趣。染料光敏化剂是染料敏化太阳能电池中一个关键的组成部分，起吸收太阳光并向载体转移电子的作用，它的性能将直接影响电池的光电转换效率。文章以卟啉及其配合物为主线，简要介绍了染料敏化太阳能电池的基本构造和光电原理，重点介绍了各种卟啉类光敏剂在染料敏化纳米晶太阳能电池中的应用。

　　［关键词］卟啉及其金属配合物；染料敏化剂；太阳能电池；应用

　　［中图分类号］TQ ［文献标识码］A ［文章编号］1007-1865（2011）06-0095-02

　　Research Progress of Porphyrin- Based Dye Sensitized Solar Cells

　　Xu Haiyun， Tian Dong， Xu Jun

　　（Department of Chemistry and Chemical Technology， Huainan Normal College， Huainan 232001， China）

　　Abstract： Dye-sensitized solar cell （DSSC） has attracted extensive interest in the last twenty years， due to its advantages of both photosensitized dyes and inorganic semi-conductor materials such as wider light response range， high theory photoelectric conversion efficiency， high grade of transparence， simple manufacturing process， relatively low cost， no high demand for law materials purity， long working life， environment friendly property and wide perspective in applications. Dye-photosensitizer is a key component of the DSSC and can absorb the sunlight and transfer electron to the carrier， and its performance has decisive effect on the photoelectric conversion efficiency. This paper focuses mainly on the sensitizers based on porphyrin and its corresponding metal complexes. The structure and working principle of DSSC were introduced briefly， and the applications of various porphyrin-based dye sensitizers in the DSSC were emphasized on discussion.

　　Keywords： porphyrin and its metal complexes；dye sensitizer；solar cell；application

　　太阳能作为一种可再生能源，具有其它能源所不可比拟的优点：取之不尽、用之不竭；不会造成生态环境污染；成本较低、功率巨大；不受地理条件限制等。太阳能电池作为一种开发利用太阳能的重要方式而备受人们关注［1］。

　　太阳能电池的发展已有几十年的历史，目前技术最成熟并且已经产业化的是硅系太阳能电池。在目前的市场上，硅基太阳能电池占绝对优势，但由于无机材料制备加工工艺复杂、材料要求苛刻、价格昂贵，而且材料缺乏柔性，有些对生物具有毒性，因而难以大面积制备电池板，大规模供应能源，而无法从根本上解决或者缓解能源危机［2］。1991 年瑞士 Gratzel 教授［3］领导的小组首次报道了一种纳米晶染料敏化太阳能电池（Dye-Sensitized Solar Cells， DSSCs），实现了高效、低成本的光电转换，这种电池的出现为太阳能电池的发展带来了新方法，从而也掀起了新型太阳能电池研究的热潮。

　　1 基本结构与原理

　　DSSC 主要由：透明导电玻璃基板、TiO2 或其它半导体氧化

　　物多孔纳米晶薄膜、染料敏化剂、电解质溶液（或固体电解质）和透明对电极（一般涂有 Pt）组成的“三明治”式结构［4］（图 1）。

　　图 1 液态电解质染料敏化太阳能电池的结构

　　Fig.1 Liquid electrolyte dye-sensitized solar cell structure

　　DSSC 的工作原理如图 2 所示［5］：首先太阳光照射到敏化电极上，染料分子吸收光子，由基态（S）受激跃迁到激发态（S*），完成光电转化。激发态电子被注入半导体 TiO2 薄膜的导带中，从而产生电荷分离，导带电子被瞬间传导至导电玻璃，并通过导线流向外电路，输出电能；与此同时，处于氧化态的染料分子（S*）由电解质（I3-/ I-：Red/Ox）溶液中的电子供体（I-）提供电子而回到基态，使染料得以再生，电解质溶液中的电子供体（I-）在提供电子以后（I3-），扩散到对电极，得到电子而还原。从而，完成一个光电化学反应循环，也使电池各组分都回到初始状态。

　　图 2 液态电解质染料敏化太阳能电池的工作原理

　　Fig.2 Work reason of liquid electrolyte dye-sensitized solar cell

　　2 常见染料敏化剂

　　染料敏化太阳能电池的关键问题之一就在于敏化材料的选择，其中染料敏化剂性能的优劣对整个装置的光电转化效率起着决定性作用。

　　作为理想的染料敏化剂，应当满足以下几个条件［6］：（1）染料电子吸收光谱尽量覆盖整个太阳光谱，即为全吸收染料；（2）染料的光量子产率高；（3）激发态寿命足够长，且具有很高的电荷传输效率；（4）能与金属氧化物半导体以化学键形式吸附，降低电子转移过程的能量损失；（5）染料的激发态能级与半导体导带匹配，有利于染料的激发态电子向半导体转移；（6）染料应有比电解质更正的氧化还原电位；（7）化学稳定性强，在自然光照射下可进行 108 次氧化还原反应，即 20 年的太阳光照。

　　目前人们研究较多的染料敏化剂主要有联吡啶金属络合物系列、酞菁系列、卟啉系列、纯有机染料系列等，其中联吡啶金属配合物是最早被应用到 DSSC 领域并且迄今为止仍然是性能最好，应用最多的一类光敏染料，尤以 N3［7］、N71［7］、Z907［8］及“黑染料”（Black dye）［9］为代表。这些以钌基多吡啶配合物为染料敏化剂的 DSSC 一直保持着能量转化效率（η）》 10 %的最高记录，并有着良好的长期稳定性。

　　纯有机染料节约稀贵金属，消光系数比金属配合物高得多，环境友好，成本较低，分子结构灵活多样，可通过引入不同取代