第一篇：染料敏化纳米晶膜太阳能电池染料敏化剂的研究进展报告
染料敏化纳米晶膜太阳能电池染料敏化剂的研究进展报告
人类生存和发展的三要素包括：物质、能量与信息。一切能量来自能源，所以能源直接影响着人类发展。能源科学与技术是生活与发展的主要基础。在太阳能越来越受青睐的今天，太阳能电池的研究也在飞速发展。
鉴于二十世纪 90 年代发展 起 来 的 染 料 敏 化 纳 米 晶 膜 太 阳 能 电 池（DSSC）具有众多优点，其在相关领域的研究越来越受到广泛的重视。
在染料敏化太阳能电池 中，由于一些宽隙的半导体（如 TiO2 的禁带宽度相）当于紫外区的能量，因而捕获太阳光的能力非常差，无法将其直接用于太阳能的转换。因此，人们寻找到一些可以与这些宽隙半导体的导带和价带能量匹配的染料，使其吸附在半导体的表面上，利用染料对可见光的强吸收从而将体系的光谱响应范围延伸到可见区，这种现象就叫做半导体的染料光敏化作用，而具有这种特性的染料就叫做染料光敏化剂，又叫光敏化染料。寻找更好的光敏染料是主要从事染料敏化太阳能电池的研究，提高染料敏化纳米晶太阳能电池实际应用的重要 前提。因此，关于光敏染料的研究已称为当前研究的热点之一。本文准备就染料敏化剂在太阳能电池中的作用、染料敏化剂的种类及发展状况做一些讨论。
染料敏化剂分为机染料，无机染料，复合染料分。
1）有机染料
有机染料由于分子小、消光系数大，具有很好的实用性。有机染料敏化剂包括羧酸多吡啶钌、膦酸多 吡啶钌染料、多核联吡啶钌染料、纯有机染料等。羧酸多吡啶钌染料 这是现在应用最多的 一类染料敏化剂，它属于金属有机染料。这类染料在可见光区有较强的吸收，而且氧化还原性能可 逆，氧化态稳定性高，是性能优越的光敏化染料。用这类染料敏化的太阳能电池保持着目前最高的光电转换效率。它们通过羧基与纳米 TiO2 表面键合，使得处于激发态的染料能将其电子有效地注入到 这类染料最早是由 Wolfgang 小组开 纳米 TiO2 表面。发的，他们最先在[Ru(bpy)3]2+（bpy=2,2′ 联吡啶）的母体上引入羧基，以便在光解水系统中获得更有效的染料敏化剂。目前应用较为广泛的是被称为 “明 星染料” N3 染料和 N719 染料。
2001 年 Graetzel 等合成 了被称为 “黑染料” [结构式为 RuL3(SCN)3(L= 三联吡 啶三羧酸盐)]的光敏剂，其在 AM1.5 太阳光照射下 总的光电转换效率为 10.4%。总的来说，染料必须 具有恰当的基态和激发态氧化还原电位以保证两 个电子转移过程（电子注入和染料还原 顺利进行）。羧酸多吡啶钌染料虽 然应用广泛，但当水溶液的 pH 值大于 5 时，容易
从 纳米半导体的表面脱附。而膦酸多吡啶钌则恰好弥 补了这一缺陷。Gratzel 等的研究表明，膦酸作为吸 附基团的染料即使暴露于 pH 值等于 9 的水溶液中 也不会脱附，其与半导体表面的结合能力要优于钌 染料。1995 年 Pechy 等开发出了一种膦酸多吡啶钌染料，其 入 射 单 色 光 的 光 电 转 换 效 率(IPCE)在 510nm 处达到了最大值 70%。对多核联吡啶钌配合 物的研究始于 Amadelli 等关于配合物的报道。多核联吡啶钌染料是通过桥键把不同种类联吡啶钌 的金属中心连接起来的含有多个金属原子的配合 物。它的优点是可以通过选择不同的配体，逐渐改 变染料的基态和激发态的性质，从而与太阳的光谱更好地匹配，增加对太阳光的吸收效率。人们还广泛研 究了邻菲咯啉、吡啶基喹啉、二苯并咪唑基吡啶等配体的钌配合物染料，但由于其光电转化效果较 低，目前在染料敏化太阳能电池领域的应用较少。除了钌的配合物染料外，近年来人们还尝试了其它金属的配合物作为 DSCs 的染料敏化剂。这些金属主要有 Fe、、Re Pt Os、等。目前这类工作还很不成熟，以这些染料 作敏化剂的电池的效率都非常低，收益不大。吡啶染料的效率较好, 但钌作 为贵金属，价格较高且对环境有一定的污染； 而纯 有机染料对环境的相容性好，易合成，成本较低，摩 尔消光系数高，种类繁多，便于进行结构设计且避 免了贵金属钌的消耗，近年来得到了迅速的发展。黄春辉课题组合成了一系列不同共轭链长度的以及不同空间位族的吡啶盐类和 卟啉盐类半花菁染料，取得了较好的效果。
2）无机染料
高效率的光敏化剂不一定限于有机化合物，而且有些有机化合物作为敏化剂常存在稳定性不够等问题，若选择适当的高光学吸收率的无机材料，则可解决这一问题。在从事这方面研究时，以往首选的材料是传统的半导体材料CdS（禁带宽度分别为2.42eV、CdSe 1.7eV）等。但是，由于此类材料有毒，会破坏环境，所以以并不是很好的敏化材料。近年来，有研究用 FeS2、RuS2 等作敏化剂，这些材料安全无毒、稳定，在自然界储量丰富，光吸收系数高。总的说来，对无机光敏化剂制造 DSSC 电池的现有文献不多，需要研究人员进一步关注与探索。
3）复合染料
单一染料敏化容易受到染料吸收光谱范围的限制，很难将太阳的发射光谱全部吸收，于是人们 设计相继了不同结构的染料进行配合使用，以拓宽设计复合染料对太阳光谱的响应范围。张宝文等成了系列方酸菁染料, 它们的吸收光谱与钌配合物有非常好的互补性，利用该类染料与 N3 以一定的 比例协同敏化的 TiO2 纳晶电极的 IPCE 最大值超过 85%，电池总的光电转换效率较 N3 单一敏化提高 了 13%。因此，通过方酸菁和羧酸多吡啶钌染料按照一定比例的协同敏化，可以有效拓宽染料的光谱响应范围，使吸收光谱红移，而且提高了光电转换的量子效率，取得较好的光电转化效果。总之，复合染料的开发将是提高染料敏化太阳能电池性能的一条重要途径，但目前的研究工作有待更深入系统的研究。
总之。DSSC 电池已经引起了各国科学家的广 泛关注，如何提高其光电性能是当前研究的重点。而染料敏化剂的开发及应用是提高染料敏化太阳 能电池的性能重要方向之一。
参考文献：
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周迪, 佘希林, 宋国君《 金属有机类光敏剂在染料敏化太阳能》
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孔太凡，戴松元，王孔嘉《染料敏化纳米薄膜太阳电池中的染料敏化剂》
泰国旭, 袁希梅, 李祥飞《染料敏化太阳电池的染料敏化剂的研究进展》
杨宏训, 黄妙良, 韩鹏《染料敏化太阳能电池研究进展》
杨术明《染料敏化纳米晶太阳能电池》
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