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基本信息

項(xiàng)目名稱：
全固態(tài)高效染料敏化太陽能電池的制備
小類：
能源化工
簡介：
燃料敏華太陽能電池是利用電解質(zhì)的單色光的光轉(zhuǎn)化以及電解液的光伏特性，把太陽能轉(zhuǎn)化為電能，避免了資源的浪費(fèi)且提高了太陽能的利用率。通過一系列的實(shí)驗(yàn)我們最終制得了染料敏化太陽能電池，且具有較高的光轉(zhuǎn)化效率。
詳細(xì)介紹：
染料敏化太陽能電池主要由半導(dǎo)體氧化物薄膜，電解質(zhì)和陰極材料組成具體原理為：染料分子通過太陽光的照射處于激發(fā)態(tài)，激發(fā)態(tài)的染料分子迅速將電子注射到納米TiO2 的導(dǎo)帶中去，電子在TiO2 膜中傳輸后在導(dǎo)電基片上富集并通過外電路流向陰極，氧化態(tài)染料分子釋放出的電子被I3-/I-中的電子供體I-還原而回到基態(tài)實(shí)現(xiàn)染料的再生，同時(shí)I-被氧化成I3- ，生成的I3-再在陰極處得到電子重新生成I-，從而完成一個(gè)循環(huán)過程。它對(duì)光的吸收主要通過染料來實(shí)現(xiàn)，電解質(zhì)在DSC電池中主要起著還原染料正離子及傳輸電荷的作用。

作品專業(yè)信息

設(shè)計(jì)、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點(diǎn)、技術(shù)關(guān)鍵和主要技術(shù)指標(biāo)

為了充分利用太陽能、保護(hù)環(huán)境和節(jié)約能源，我們研究并制作了太陽能電池，DSC電池是光陽極、染料、電解質(zhì)、對(duì)電級(jí)的有機(jī)結(jié)合，而電解質(zhì)主要起著還原染料正離子及傳輸電荷的作用。由于目前使用的液態(tài)電解質(zhì)的穩(wěn)定性差、溶劑容易揮發(fā)可能導(dǎo)致染料光解、密封困難易泄漏我們擬合了氯代聚乙烯和1-甲基咪唑的準(zhǔn)固態(tài)和全固態(tài)共聚物，并合成咪唑碘鹽修飾聚乙二醇，以此為基礎(chǔ)制備全固態(tài)及準(zhǔn)固態(tài)聚合物電解質(zhì)通過檢測(cè)單色光光電轉(zhuǎn)化效率、短路電流密度、開路電壓、總的光電轉(zhuǎn)化效率以及繪制光電流密度---光電壓曲線來考察聚合物電解質(zhì)結(jié)構(gòu)對(duì)電池性能的影響。

科學(xué)性、先進(jìn)性

1991年Gr?tzel教授制作的效率可達(dá)7%的染料敏化太陽能電池使用了以有機(jī)溶劑為基的電解質(zhì)溶液，而前已報(bào)道的光電轉(zhuǎn)化效率最高的DSC使用的也是有機(jī)溶劑液體電解質(zhì)然而此類電解質(zhì)易揮發(fā)、毒性大和穩(wěn)定性差的問題，該作品所提供了染料敏化電池所用的固態(tài)電解質(zhì)，可以明顯提高電池的穩(wěn)定性和耐候性。且聚合物太陽能電池具有有機(jī)材料柔性好，制作容易，材料來源廣泛，成本低等優(yōu)勢(shì)，從而對(duì)大規(guī)模里利用太陽能提供廉價(jià)電能具有重要意義。

獲獎(jiǎng)情況及鑒定結(jié)果

2010.10--2011.01期間在天津理工大學(xué)“第十二屆大學(xué)生課外學(xué)術(shù)作品競賽”中榮獲一等獎(jiǎng)

作品所處階段

實(shí)驗(yàn)室研究階段

技術(shù)轉(zhuǎn)讓方式

無

作品可展示的形式

實(shí)物、產(chǎn)品

使用說明,技術(shù)特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì),適應(yīng)范圍,推廣前景的技術(shù)性說明,市場分析,經(jīng)濟(jì)效益預(yù)測(cè)

我們所制作的染料敏化太陽能電池顧名思義是利用太陽能作為能源的，目前全球都在致力于發(fā)明利用具有高效率的新型能源，以此來緩解嚴(yán)峻的能源貧乏和環(huán)境污染問題；為使其達(dá)到商業(yè)目的地要求和標(biāo)準(zhǔn)，我們制作了以N719為基準(zhǔn)的敏化電池的標(biāo)準(zhǔn)染料，且合成的聚合物分子鏈的聚電解質(zhì)結(jié)構(gòu)有利于提高單位體積內(nèi)氧化還原電對(duì)密度，增強(qiáng)電荷運(yùn)輸能力，且不同的孔徑和孔徑率，可提高正電荷的運(yùn)輸能力。實(shí)現(xiàn)商業(yè)化后可替代我們目前使用的對(duì)土壤、環(huán)境乃至身體具有嚴(yán)重污染的汞、鋰電池，可有效地提高環(huán)境的質(zhì)量和滿足人們的要求。

同類課題研究水平概述

1991年，Gr?tzel教授及其研究小組成員利用釕絡(luò)合物染料作為光敏劑敏化多孔的二氧化鈦(Ti02)薄膜電極作為光陽極，然后利用碘和碘化鋰作為電解質(zhì)，鉑電極作為對(duì)電極而組裝成一種新型的太陽能電池—染料敏化太陽能電池(Dye Sensitized Solar Cells，DSC)，在AM 1.5, 100mW?cm之模擬太陽光的照射下，得到了7.1％~7.9％的光電轉(zhuǎn)換效率，這一研究在世界上引起了轟動(dòng)。1993年，Gr?tzel教授及其研究小組將DSC的效率提高到了10％。目前最新的數(shù)據(jù)的表明太陽能電池的光轉(zhuǎn)化效率最高達(dá)10.96%，開路電壓voc為0.975，短路電流Jsc為19.4mA／cm2，填充因子ηη達(dá)到71%。而最近中科院長春應(yīng)化所王鵬研究員等在染料敏化太陽能電池全有機(jī)染料開發(fā)方面取得重要進(jìn)展：以吡啶釕配合物為光俘獲元件，染料敏化太陽能電池在氣團(tuán)1.5G測(cè)試條件下功率轉(zhuǎn)化效率已經(jīng)達(dá)到11.1%；通過染料分子工程化研究，可實(shí)現(xiàn)染料敏化太陽能電池使用不揮發(fā)性電解質(zhì)與使用揮發(fā)性電解質(zhì)相同的光電流。 DSC用固體電解質(zhì)的研究目前十分活躍，研究的較多的是是無機(jī)P-型半導(dǎo)體材料、有機(jī)空穴傳輸材料和導(dǎo)電高聚物。 目前，常用的無機(jī)P-型半導(dǎo)體材料有CuI和CuSCN。Kumara等研究了用P-Cuhene), P3HT)等有機(jī)空穴傳輸材料，有機(jī)空穴傳輸材料的研究逐漸活躍I作為固態(tài)DSC的無機(jī)空穴傳導(dǎo)材料。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，用CuI的乙腈溶液制備的固態(tài)DSC的短路電流和開路電壓衰減很快。1998年，Bach等設(shè)計(jì)了有機(jī)空穴傳輸材料2,2’,7,7’-四(N,N-二對(duì)甲氧基苯基氨基)-9,9’-螺環(huán)二芴(2,2’,7,7’-tetrakis(N,N-dimethoxyphenyl-amine)9,9’-spirobifluorene)并組裝了太陽能電池。該電池在9.4mw/cm2弱光下，光電轉(zhuǎn)換效率為0.74％、短路電流密度為0.32mA/cm2、開路電壓342mV、填充因子0.62。其后的數(shù)年間，相繼有研究人員開發(fā)出聚乙烯(3-辛基噻吩)(Poly(3-octylthiophene)，P3OT)、聚乙烯-3-己基噻吩((poly(3-hexylthiophene), P3HT)[23]等有機(jī)空穴傳輸材料，有機(jī)空穴傳輸材料的研究逐漸活躍。
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