染料敏化太阳能电池中染料的作用（染料敏化太阳能电池技术的介绍）

一般认为，太阳能电池可以大致分为三种技术世代。第一代电池是水晶的。第二代电池是硅和其他材料的无定形薄膜，旨在降低通常与传统半导体晶片生产相关的成本。然而，第三代技术的定义并不明确第三代通常仅限于所谓的新兴技术。该组有时被描述为包括任何可以克服单结器件的肖克利-奎尔功率转换效率极限(33.7%)的技术。大多数技术人员还将包括各种其他转换设备，包括非半导体，如聚合物和染料敏化电池，以及由传统材料堆(如非晶硅或砷化镓)和纳米技术构建的串联电池。

现在让让我们来看看那些仔细研究了第三代太阳能电池。

染料敏化太阳能电池(DSC或DSSC)来源于光合作用研究(图1)。20世纪60年代末，在研究从植物中提取的叶绿素时，伯克利的研究人员意识到有机染料可以在电化学电池的氧化物电极上产生电能。增加电荷收集的表面积被认为是提高电池效率的一种方法。最后，来自瑞士洛桑联邦理工学院的一个团队发现，二氧化钛(Ti2O)是一种理想的阳极材料。这种基本的电池设计现在是大多数DSSC研究的基础，它以其发明者的名字被称为Gr tzell电池。

图1:染料敏化太阳能电池示意图(SPIE提供)。

DSSC可以通过改变有机染料来适应服务中预期的光照条件。这些常见的化学物质已经被很好地了解了，它们的发展可以追溯到纺织工业的早期。DSSC的第二种主要成分是TiO2。这种材料也很丰富，因为它是许多应用的首选白色颜料，从油漆到纸张，甚至牙膏。极端的白色是由于高折射率，这导致在许多防晒乳液中使用TiO2作为光学涂层材料和阻断剂。

二氧化钛染料敏化太阳能电池作为一种来源广泛、易于生产、成本低廉的优良材料，已经成为第三代电池的研究目标。

TiO2 _ 2自然形成非常多孔的层，这导致阳极的高表面积，从而提高电池效率。但对这种材料的更有针对性的研究导致了更高的表面积层。纳米技术研究人员开发了二氧化钛加工技术，以创造许多不同的纳米结构材料。TiO2 _ 2相对容易以纳米管和纳米线的形式产生，这非常适合于最大化DSSC器件的效率。

与传统的硅光伏电池相比，许多新兴电池类型具有明显的优势，尤其是在BIPV应用和基板灵活性非常重要的应用中。然而，仍有一些问题需要解决。例如，与竞争对手相比，DSC电池往往寿命更短，并存在其他可靠性问题。虽然DSSC在第三代技术中处于领先地位，最高电池效率超过11%，但被推向商业化的有用区间，从90年代后期开始取得了相对稳定的进展。幸运的是，最近出现了其他纳米结构设备，它们的短寿命显示出非常快速的改善(图2)。

图2:按技术和年份分列的太阳能电池效率趋势(由NREL提供)。

纳米结构的用途不限于它们为染料敏化太阳能电池提供的有效面积改善。颗粒大小实际上可以用来设计材料的性质。因为电荷载体在物理上受到限制，所以可以严格控制它们的相互作用，以影响材料的整体性能。量子点是这些纳米结构中的一种，它允许将材料的微小岛屿的大小用作设备属性的设计参数。参与量子点研究多年的学术团体位于多伦多大学。由Ted Sargent教授领导的团队一直在为许多应用开发量子点技术。萨金特集团最近通过创造量子点太阳能电池的效率记录，在光伏器件方面取得了突破。

萨金特集团专注于胶体量子点(CQD)光伏技术。在他们的CQD技术中，硫化铅(PbS)纳米颗粒悬浮在载液中。通过旋涂或喷涂将胶体悬浮液施加到基底上。因此，CQD光伏通常被称为太阳能涂料。

即使是薄膜光伏技术的前沿，萨金特团队还有很长的路要走。但是他们的设备很接近。由于达到了5.1%的效率记录，持续改进可能是必要的，以使市场太阳能涂料能服竞技。例如，可以涂覆多个层，并且每个颗粒尺寸适合于给定的波长，以获得太阳光中包含的更多能谱。即使对于太阳能涂层，似乎许多薄涂层也比一层厚涂层好。量子点的商业化可能不取决于未来的革命性发现，但如果这种情况发生，那么太阳能涂层可能开始取代主导当前市场的晶体设备。

硅生命在其中留下生命。

虽然新兴的太阳能集热技术前景广阔，但许多传统技术在未来几年仍将保持市场可行性。考虑非晶硅的可能面板形状因素范围。三洋薄膜器件对于AM-1456CA是10 mm25 mm，对于AM-5902CAR是30 mm37.5 mm，而实际面板是用仪器测量，用同一批生产设备驱动。大型平板电视的普及。

晶体硅器件有很多种。Ixolar系列的ixy(图3)提供了22%的电池效率，并具有多种模块配置，例如更大的SLMD481H12 78 mm90 mm，具有全功率峰值输出功率。

图3: IXOLAR SLMD 481H12太阳能电池(由IXYS提供)。

唐别等了。

1954年，贝尔实验室开创了第一个太阳能电池，使用这些价值12000美元的设备来运行普通的家用烤面包机。现在，经过几十年的研究和进步，它只能用不到摩尔美国法律。看来，我们终于即将实现第三代光伏技术，以捕捉太阳的无限能量。因此，参与能量收集的设计工程师或采购经理必须考虑的问题是：我是否应该推迟下一代太阳能电池的采购决策？简而言之，答案是否定的。尽管很可能在这个十年结束之前取得重大突破，但在第三代太阳能电池离开实验室并进入工作世界的一天之前，仍有大量工作要做。在此期间，您可以选择适合您的能量收集设计需求的当前产品。

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