染料敏化太陽能電池主要由表面吸附了染料敏化劑的半導體電極、電解質(zhì)、Pt對電極組成，其結(jié)構(gòu)如圖1-1。

圖1-1染料敏化太陽能電池結(jié)構(gòu)圖當有入射光時，染料敏化劑首先被激發(fā)，處于激發(fā)態(tài)的染料敏化劑將電子注入半導體的導帶。氧化態(tài)的染料敏化劑被中繼電解質(zhì)所還原，中繼分子擴散至對電極充電。這樣，開路時兩極產(chǎn)生光電勢，經(jīng)負載閉路則在外電路產(chǎn)生相應的光電流（圖1-2）。

圖1-2染料敏化太陽能電池工作原理圖通過超快光譜實驗可得出染料敏化太陽能電池各個反應步驟速率常數(shù)的數(shù)量級：①染料(S)受光激發(fā)由基態(tài)躍遷到激發(fā)態(tài)（S*）：S+hυ→S*②激發(fā)態(tài)染料分子將電子注入到半導體的導帶中：S*→S++e-(CB)，kinj=1010~1012s-1③I-離子還原氧化態(tài)染料可以使染料再生：3I-+2S+→I3-+2S，k3=108s-1④導帶中的電子與氧化態(tài)染料之間的復合：

S++e-(CB)→S，kb=106s-1⑤導帶中的電子在納米晶網(wǎng)絡中傳輸?shù)胶蠼佑|面(backcontact，BC)后而流入到外電路中：e-(CB)→e-(BC)，k5=103~100s-1⑥納米晶膜中傳輸?shù)碾娮优c進入TiO2膜的孔中的I3-離子復合：I3-+2e-(CB)→3I-，J0=10-11~10-9Acm-2⑦I3-離子擴散到對電極上得到電子使I-離子再生：I3-+2e-(CE)→3I-，J0=10-2~10-1Acm-2激發(fā)態(tài)的壽命越長，越有利于電子的注入，而激發(fā)態(tài)的壽命越短，激發(fā)態(tài)分子有可能來不及將電子注入到半導體的導帶中就已經(jīng)通過非輻射衰減而返回到基態(tài)。②、④兩步為決定電子注入效率的關鍵步驟。電子注入速率常數(shù)（kinj）與逆反應速率常數(shù)（kb）之比越大（一般大于三個數(shù)量級），電子復合的機會越小，電子注入的效率就越高。I-離子還原氧化態(tài)染料可以使染料再生，從而使染料不斷地將電子注入到二氧化鈦的導帶中。步驟⑥是造成電流損失的一個主要原因，因此電子在納米晶網(wǎng)絡中的傳輸速度(k5)越大，電子與I3-離子復合的交換電流密度(J0)越小，電流損失就越小。步驟③生成的I3-離子擴散到對電極上得到電子變成離子I-(步驟⑦)，從而使I-離子再生并完成電流循環(huán)。DSC的結(jié)構(gòu)組成：主要由納米多孔半導體薄膜、染料敏化劑、氧化還原電解質(zhì)、對電極和導電基底等幾部分組成。納米多孔半導體薄膜通常為金屬氧化物（TiO2、SnO2、ZnO等），聚集在有透明導電膜的玻璃板上作為DSC的負極。對電極作為還原催化劑，通常在帶有透明導電膜的玻璃上鍍上鉑。敏化染料吸附在納米多孔二氧化鈦膜面上。正負極間填充的是含有氧化還原電對的電解質(zhì)，最常用的是I3/I-。

染料敏化太陽能電池工作原理

（1）染料分子受太陽光照射后由基態(tài)躍遷至激發(fā)態(tài)；

（2）處于激發(fā)態(tài)的染料分子將電子注入到半導體的導帶中；

（3）電子擴散至導電基底，后流入外電路中；

（4）處于氧化態(tài)的染料被還原態(tài)的電解質(zhì)還原再生；

（5）氧化態(tài)的電解質(zhì)在對電極接受電子后被還原，從而完成一個循環(huán)；

（6）和⑺分別為注入到TiO2導帶中的電子和氧化態(tài)染料間的復合及導帶上的電子和氧化態(tài)的電解質(zhì)間的復合。

研究結(jié)果表明：只有非常靠近TiO2表面的敏化劑分子才能順利把電子注入到TiO2導帶中去，多層敏化劑的吸附反而會阻礙電子運輸；染料色激發(fā)態(tài)壽命很短，必須與電極緊密結(jié)合，最好能化學吸附到電極上；染料分子的光譜響應范圍和量子產(chǎn)率是影響DSC的光子俘獲量的關鍵因素。到目前為止，電子在染料敏化二氧化鈦納米晶電極中的傳輸機理還不十分清楚，有Weller等的隧穿機理、Lindquist等的擴散模型等，有待于進一步研究。

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