染料敏化太阳能电池

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染料敏化太阳能电池(DyesensitizedSolar Cells，简称DSSC)，^[1] 被称为新一代的太阳能电池，其构造为两片导电电极、奈米多孔性TiO2、染料、电解质及活性对电极，而其中电解质扮演著重要的角色，不论对于高性能或长效性问题的解决，甚至成为成为量产化的重要关键之一。并且染料敏化太阳电池具有低材料成本、制程容易及制程设备简单的特色，整体的成本约为传统矽基太阳电池的1/5~1/10，引起能源界积极地投入这方面技术研究开发。

具有许多吸引人的特征; 因为它可以用低廉的材料制成（但实际中已经证明它很难摆脱对于贵重金属铂和钌的限制，并且它的液态的电极对于各种天气的适应也是一个严重挑战），不需要用精细的仪器来制造，这种电池在技术上很有吸引力。而且，其制造过程比以前的电晶体电池要便宜。它可以被制成软片，机械强度大，不需要特别保护就可以防护树枝或者冰雹的撞击。虽然它的能量转换效率比最好的薄膜电池要低，但理论上它们的性价比已足够高，在完成市电平价的情况下可以与化石燃料相提并论。由于化学稳定性问题而被搁置的商业应用, 在欧盟光伏路线图（：European Union Photovoltaic Roadmap）中预测将在2020年之前显着促进可再生能源发电。

发明

染料敏化太阳电池最早是由Tsubomura et al.于1976年提出，利用多孔性的氧化锌（ZnO）作为工作电极，但电池之光电转换效率并不高。至1991年，O’Regan和Grätzel发表电池效率为7.12%的色素增感太阳电池，Grätzel团队提出方法是在具有中孔洞性质的二氧化钛（TiO2）薄膜上吸附钌（Ru）金属衍生物之色素分子，此种色素分子能吸收近全可见光波长范围的太阳光，截至2005年文献记载，DSSC光电转换效率最高可达到11.18%

虽然染料敏化太阳电池转换效率是所有太阳能电池技术中最低者，但DSSC不受日照角度的影响，加上吸收光线时间长，在相同时间的发电量甚至优于矽晶太阳能电池，且矽晶圆太阳能电池发电效率会受到温度升高而递减，适合安装在较高纬度天气较冷的地区，但染料敏化太阳能电池则不受温度影响，在日照充足、气温炎热地区，竞争力会优于矽晶圆太阳能电池。

染料敏化太阳电池的工作原理

染料敏化太阳电池工作原理图片来自energytrend

染料敏化太阳电池主要由奈米半导体多孔性材料、染料敏化剂、环化还原电对、对电极和导电基材所构成。工作流程图如图一，工作原理如下：
染料分子吸收太阳光后由基态跃迁到激发态。
激发态染料电子迅速注入到半导体材料的传导带中。
电子立刻传递到导电基材并传导出去，经外线路传至对电极。
处于氧化态的染料被电解质还原，回到原来的基态。
氧化态的电解质在对电极接受电子被还原，达到系统平衡。

电解质的组成

电解质在DSSC中所扮演著提供氧化还原电对的角色其组成可以包括氧化还原电对、溶剂、添加剂。以下将依次讨论之： A. 氧化还原电对：现今于DSSC中最常使用的氧化还原电对为I3-/I-，使用原因如下：1.所使用I3-/I-氧化还原能阶能与染料的HOMO能阶相匹配。2.在氧化还原电对I3-/I-中，I3-在液体有机溶剂中的扩散速率较快。有人也尝试其他氧化还原电对(ex.Br-/Br2、SCN-/(SCN)2或SCN-/(SeCN)2 )。 B. 溶剂：主要提供离子传递的环境，及溶解添加剂的溶剂，常见的有：腈类(如乙腈、甲氧基丙腈或戊腈等)、酯类(碳酸乙烯酯、碳酸丙烯酯等)，与水相比，这些有机溶剂对电极是惰性的，不参与电极反应，具有较宽的电化学窗口，不易导致染料的脱附和降解，其凝固点低，适用的温度范围宽。此外，它们也具有较高的介电常数和较低的粘度，能满足无机盐在其中的溶解和离解，并且溶液具有较高的电导度。 C. 添加剂：一般添加剂通常作为修饰TiO2相关性质改善电池效率；如: TBP、NMBI、LiI、NaI。当在电解质溶液中加入小体积的NaI或LiI时，Li+会吸附TiO2表面。此时吸附在表面的Li+可与导带电子形成Li+-e-。由于表面的Li+-e-既可在TiO2表面迁徙，也有可能脱离TiO2表面迁移，其结果是明显缩短了导带电子在相邻的或不相邻的TiO2之间传输的阻力和距离。因此，在电解质溶液中加入Li+，可大幅度改善电子在TiO2表面的传输，从而提高太阳电池的Jsc。