国际纳米太阳能电源研制技术新动向
光电化学太阳能电池是根据光生伏特原理,将太阳能直接转换成电能的一种半导体光电器件,是伴随着半导体电化学发展起来的一个崭新的科学研究领域。从1839年Becquerel发现氧化铜或卤化银涂在金属电极上会产生光电现象以来,光电化学研究倍受关注。20世纪60年代,德国Tributsch发现染料吸附在半导体上并在一定条件下产生电流的机理,成为光电化学电池的重要基础。1971年Hond''s 和Fujishima用TiO2电极光电解水获得成功,这才开始了具有实际意义的光电化学电池的研究。在光电池研究中,大多数染料敏化剂的光电转换效率比较低（<1％）,直到最近的几项突破性研究才使染料敏化光电池的光电能量转换率有了很大提高。1991年,以瑞士洛桑高等工业学院M.Gratzel教授为首的研究小组采用高比表面积的纳米多孔TiO2膜作半导体电极,以过渡金属Ru以及Os等有机化合物作染料,并选用适当的氧化还原电解质研制出一种纳米晶体光电化学太阳能电池（Nanocrystalline Photoelectrochemical Cells,简称NPC电池）。
这种电池的出现为光电化学电池的发展带来了革命性的创新,其光电能量转换率（light-to-electric energy conversion yield）在AM 1.5模拟日光照射下可达7.1%,入射光子-电流转换效率（incident monochromatic photon-to-current conversion efficiency,IPCE）大于80％。此后,半导体光电化学电池再次成为研究热点。1993年,Gratzel等人再次报道了光电能量转换率达10％的染料敏化纳米太阳能电池,1997年其转换效率达到了10%～11％,短路电流为18×10-3A/cm2,开路电压为720mV。
Gratzel研究小组首先使用联吡啶钌-TiO2体系使得光电转换率达10％。虽然它具备稳定性好、激发态反应活性高、激发态寿命长等优点,但在近红外区的吸收很弱,其谱吸收光谱与太阳光谱还不能很好地匹配。因此,寻找新的染料敏化体系,使其吸收范围扩展至近红外区,以尽可能地利用太阳光能仍是研究方向之一。
NPC电池的组成结构、工作原理及性能特点
NPC电池主要由透明导电基片、多孔纳米晶二氧化钛薄膜、染料光敏化剂、电解质溶液（含超敏化剂）和透明电极组成,如图1所示。其工作原理是,染料分子吸收太阳光能后跃迁到激发态,但激发态不稳定,电子快速注入到紧邻的TiO2导带,染料中失去的电子则很快从电解质中得到补偿,进入TiO2导带中的电子最终进入导电膜,然后通过外回路产生光电流。
