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适读人群 ：《染料敏化太阳电池》可供光伏电池、光电转换器件以及相关技术领域的科研人员和工程技术人员参阅，也可供相关专业的高等院校高年级学生、研究生和教师参考使用。文章源自云智设计-https://www.cidrg.com/tao/11203.html
《染料敏化太阳电池》可供光伏电池、光电转换器件以及相关技术领域的科研人员和工程技术人员参阅，也可供相关专业的高等院校高年级学生、研究生和教师参考使用。文章源自云智设计-https://www.cidrg.com/tao/11203.html
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《染料敏化太阳电池》从可再生能源及光伏太阳电池应用的角度出发，阐述染料敏化太阳电池研发的必然性和重要性，介绍太阳电池中光电转换的基本原理和物理化学过程。基于染料敏化太阳电池近二十年来的研究和发展现状，详细介绍与染料敏化太阳电池有关的各方面内容；具体涉及染料敏化太阳电池结构、工作原理、纳米半导体材料研究、电荷传输、电池制作、电池模拟计算、电池标准测试及其相关的技术。《染料敏化太阳电池》最重要且不同于已有同类书籍的内容，主要是详细阐述染料敏化太阳电池中存在的多处界面光电化学过程和电荷传输与复合动力学，以及相关技术研究手段在电子传输机理上的作用和输出特性。从电荷传输和复合动力学过程、关键材料研究以及电池结构优化设计等方面，阐释高效染料敏化太阳电池制作的方法和技术途径。最后对大面积高效染料敏化太阳电池的研发和规模化应用进行介绍与展望。文章源自云智设计-https://www.cidrg.com/tao/11203.html
作者简介文章源自云智设计-https://www.cidrg.com/tao/11203.html
戴松元教授，博士生导师，国家“973”计划首席科学家（2006～2010年，2011～2015年），华北电力大学可再生能源学院院长，中国科学院等离子体物理研究所特聘研究员，中国科学院新型薄膜太阳电池重点实验室主任；中国科学院能源研究委员会委员，国际光化学转换与太阳能存储大会（IPS）国际委员会委员（2012～2016年），亚太地区DSC&OPV国际委员会委员。荣获2005年度上海国际工业博览会创新奖，2007年度第八届安徽青年科技奖，2012年度中国可再生能源学会科学技术奖二等奖和2013年度“中国光伏成就奖”。是国际上较早从事染料敏化太阳电池基础研究和实用化研究的学者，，就材料微观结构与电池性能影响的关联机制展开系统性研究，创造性地开展实用化电池组件光、电和热性能研究，基本解决了电池老化和性能衰减难题。建立国内第1条染料敏化太阳电池实验生产线及首座500W示范电站系统。2012年成功开发了具有国际先进水平的成套制备工艺技术和设备，完成0.5MW中试生产线建设，建立5kW示范系统，为国内染料敏化太阳电池产业化奠定坚实基础。发表学术论文200余篇，已授权国家发明专利近20项。文章源自云智设计-https://www.cidrg.com/tao/11203.html
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《纳米科学与技术》丛书序文章源自云智设计-https://www.cidrg.com/tao/11203.html
PREFACE
序
序言
前言
第1章导论1
1.1太阳电池发展概况1
1.1.1太阳电池发展简史1
1.1.2太阳电池发展现状3
1.1.3太阳电池应用概况3
1.2太阳电池分类及其应用简介6
1.2.1太阳电池分类6
1.2.2太阳电池组件分类及其应用7
1.2.3硅基太阳电池8
1.2.4CdTe太阳电池11
1.2.5CIGS太阳电池14
1.2.6染料敏化太阳电池16
1.2.7聚合物太阳电池19
1.2.8量子点太阳电池21
1.2.9其他类新型太阳电池21
1.3染料敏化太阳电池22
1.3.1染料敏化太阳电池发展历程22
1.3.2染料敏化太阳电池研究现状25
1.3.3染料敏化太阳电池技术特点29
1.3.4染料敏化太阳电池应用前景30
参考文献31
第2章纳米半导体材料35
2.1纳米半导体材料在DSC中的应用35
2.1.1纳米半导体多孔薄膜的作用35
2.1.2纳米半导体多孔薄膜的制备方法37
2.2DSC中常用的纳米半导体材料40
2.2.1二氧化钛40
2.2.2氧化锌44
2.2.3氧化锡46
2.2.4其他半导体材料46
2.3新型纳米结构材料在电池上的应用47
2.3.1一维纳米材料47
2.3.2三维纳米TiO2多孔薄膜59
2.4TiO2薄膜的能级结构61
2.4.1半导体电极的平带电势61
2.4.2半导体电极平带电势的测量方法63
2.4.3测试条件对平带电势的影响67
2.4.4不同微结构薄膜电极的能级结构72
2.5纳米半导体电极修饰86
2.5.1表面物理化学修饰86
2.5.2元素掺杂88
2.5.3其他掺杂修饰92
2.6电极结构优化设计92
2.6.1小颗粒致密层的引入92
2.6.2纳米TiO2多孔薄膜层的作用95
2.6.3大颗粒TiO2薄膜层的光散射效应96
2.6.4大面积纳米多孔薄膜电极的微结构设计99
2.7p型光阴极敏化染料太阳电池103
2.7.1p型光阴极敏化染料太阳电池原理103
2.7.2p型半导体104
2.7.3其他p型半导体106
参考文献106
第3章染料敏化太阳电池用染料敏化剂115
3.1导论115
3.1.1染料敏化剂的作用115
3.1.2染料敏化剂的分类116
3.1.3染料敏化剂的结构及分子设计117
3.1.4染料敏化剂相关量化计算117
3.2阳极敏化电池用染料敏化剂119
3.2.1无机染料敏化剂119
3.2.2多吡啶染料合成及性质138
3.2.3羧酸多吡啶钌染料的性质140
3.2.4染料分子结构对染料性能的影响143
3.2.5羧酸多吡啶钌染料与纳晶半导体薄膜的结合方式150
3.2.6有机染料敏化剂152
3.3多染料协同敏化163
3.4阴极敏化电池用染料敏化剂164
3.4.1阴极敏化电池敏化剂的结构特性164
3.4.2阴极敏化电池敏化剂研究进展165
参考文献166
第4章染料敏化太阳电池用电解质176
4.1电解质的分类176
4.1.1有机溶剂电解质177
4.1.2离子液体电解质178
4.1.3准固态电解质190
4.1.4全固态电解质196
4.2电解质中的氧化还原电对202
4.2.1I-/I-3电对202
4.2.2非碘氧化还原电对206
4.3电解质中的添加剂208
4.3.1添加剂的作用原理209
4.3.2添加剂的分类211
4.3.3添加剂的研究进展214
参考文献218
第5章染料敏化太阳电池对电极230
5.1对电极及制备方法230
5.1.1Pt对电极230
5.1.2碳对电极232
5.1.3其他对电极材料234
5.1.4柔性DSC的对电极238
5.2对电极表面的氧化还原反应238
5.2.1对电极氧化还原反应原理239
5.2.2对电极反应的表征方法240
参考文献248
第6章染料敏化太阳电池界面光电化学253
6.1固/固接触界面253
6.1.1固/固接触界面性质253
6.1.2DSC中固/固接触界面构成258
6.1.3DSC中固/固接触界面性质258
6.2固/液接触界面260
6.2.1固/液接触界面性质260
6.2.2DSC中固/液接触界面构成263
6.2.3DSC中固/液接触界面性质263
6.3频率域内接触界面动力学过程265
6.3.1时间域与频率域过程265
6.3.2接触界面动力学过程测量方法265
6.3.3调制电压下接触界面动力学过程268
6.3.4调制光作用下接触界面动力学过程289
6.3.5阻抗谱与IMPS区别305
6.4界面电子注入过程310
6.4.1TiO2能带形成及与染料的耦合310
6.4.2光生电子的产生与注入动力学312
6.5光生电子的传输动力学314
6.6光生电子的收集动力学316
6.7光生电子的复合动力学317
6.7.1I-3/I-氧化还原对的动力学特性317
6.7.2光生电子复合位置317
6.7.3光生电子复合机理318
6.7.4局域态对复合过程的影响319
6.8光生电子传输与复合过程的相互限制320
6.9TiO2导带边移动与表面钝化322
6.10接触界面特性对动力学的影响322
6.10.1两相接触界面电学特性对动力学的影响322
6.10.2三相接触界面电学特性对动力学的影响328
6.10.3不同电解质环境中染料TiO2/EL界面修饰对动力学的影响337
6.11接触界面光学特性对动力学的影响344
6.12不同染料分布条件对动力学的影响346
参考文献350
第7章染料敏化太阳电池结构设计与模拟364
7.1染料敏化太阳电池的工作原理364
7.2染料敏化太阳电池性能参数365
7.2.1短路电流365
7.2.2开路电压366
7.2.3填充因子366
7.2.4光电转换效率366
7.3大面积染料敏化太阳电池结构设计367
7.4大面积染料敏化太阳电池性能模拟369
7.4.1光吸收及电子传输369
7.4.2DSC电荷传输379
参考文献394
第8章染料敏化太阳电池性能测试及组件应用397
8.1染料敏化太阳电池光伏性能测试397
8.1.1大气质量与太阳光谱397
8.1.2染料敏化太阳电池的测试参数398
8.1.3染料敏化太阳电池的测试原理400
8.1.4染料敏化太阳电池的测试标准402
8.1.5染料敏化太阳电池光伏性能的多通道实时监测403
8.1.6测试环境对染料敏化太阳电池光伏性能的影响405
8.2染料敏化太阳电池组件的应用408
8.2.1独立光伏阵列的应用与技术408
8.2.2建筑一体化的应用与设计414
8.2.3光伏农业一体化的应用416
参考文献417
附录缩略语419
索引421
第5章染料敏化太阳电池对电极230
5.1对电极及制备方法230
5.1.1Pt对电极230
5.1.2碳对电极232
5.1.3其他对电极材料234
5.1.4柔性DSC的对电极238
5.2对电极表面的氧化还原反应238
5.2.1对电极氧化还原反应原理239
5.2.2对电极反应的表征方法240
参考文献248
第6章染料敏化太阳电池界面光电化学253
6.1固/固接触界面253
6.2.1固/固接触界面性质253
6.2.2DSC中固/固接触界面构成258
6.1.3DSC中固/固接触界面性质259
6.2固/液接触界面260
6.2.1固/液接触界面性质260
6.2.2DSC中固/液接触界面构成263
6.2.3DSC中固/液接触界面性质263
6.3频率域内接触界面动力学过程265
6.3.1时间域与频率域过程265
6.3.2接触界面动力学过程测量方法265
6.3.3调制电压下接触界面动力学过程268
6.3.4调制光作用下接触界面动力学过程289
6.3.5阻抗谱与IMPS区别305
6.4界面电子注入过程309
6.4.1TiO2能带形成及与染料的耦合309
6.4.2光生电子的产生与注入动力学312
6.5光生电子的传输动力学314
6.6光生电子的收集动力学316
6.7光生电子的复合动力学316
6.7.1I-3/I-氧化还原对的动力学特性316
6.7.2光生电子复合位置317
6.7.3光生电子复合机理317
6.7.4局域态对复合过程影响318
6.8光生电子传输与复合过程的相互限制320
6.9TiO2导带边移动与表面钝化321
6.10接触界面特性对动力学的影响322
6.10.1两相接触界面电学特性对动力学的影响322
6.10.2三相接触界面电学特性对动力学的影响328
6.10.3不同电解质环境中染料TiO2/EL界面修饰对动力学的影响337
6.11接触界面光学特性对动力学的影响344
6.12不同染料分布条件对动力学的影响346
参考文献350
第7章染料敏化太阳电池结构设计与模拟364
7.1染料敏化太阳电池的工作原理364
7.2染料敏化太阳电池性能参数365
7.2.1短路电流365
7.2.2开路电压366
7.2.3填充因子366
7.2.4光电转换效率366
7.3大面积染料敏化太阳电池结构设计367
7.4大面积染料敏化太阳电池性能模拟369
7.4.1光吸收及电子传输369
7.4.2DSC电荷传输379
参考文献394
第8章染料敏化太阳电池性能测试及组件应用397
8.1染料敏化太阳电池光伏性能测试397
8.1.1大气质量与太阳光谱397
8.1.2染料敏化太阳电池的测试参数398
8.1.3染料敏化太阳电池的测试原理400
8.1.4染料敏化太阳电池的测试标准402
8.1.5染料敏化太阳电池光伏性能的多通道实时监测403
8.1.6测试环境对染料敏化太阳电池光伏性能的影响405
8.2染料敏化太阳电池组件的应用408
8.2.1独立光伏阵列的应用与技术408
8.2.2建筑一体化的应用与设计414
8.2.3光伏农业一体化的应用416
参考文献417
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精彩书摘
第1章导论
能源是人类社会赖以生存和发展的重要物质保障，是国民经济和社会发展的基础。随着化石能源的日趋枯竭和全球对温室效应的关注，开发利用清洁可再生能源正成为现在和未来世界能源科技发展的主旋律。
整个化石燃料开采峰值将在21世纪中叶前到来，人类能源结构在21世纪前半期将发生根本性的变革。化石燃料开采峰值距今只有二十几年，常规能源（煤电或水电）发电成本逐年升高，人类能源面临着非常紧迫的替代形势。
可再生能源资源丰富、发展前景明确、技术争议较少。开发利用可再生能源，既是解决当前能源供需矛盾的重要措施：可节约和替代部分化石能源，促进能源结构的调整，减轻环境压力；也是实现未来能源和环境可持续发展，保障国家能源与环境安全，发展低碳经济，促进我国经济与社会可持续发展的必然战略选择。
2009年底的哥本哈根会议使“节能减排”和“低碳”等概念深入人心，使全球经济的发展方向和导航标转向了低碳经济。光伏发电作为一种清洁的可再生能源，是未来低碳社会的理想能源之一，受到世界各国的广泛重视。
作为可再生能源的重要应用领域，太阳能光伏发电在过去10年中得到了快速的发展，并且太阳能光伏作为未来世界能源的主要来源，要坚定不移地发展下去。为了应对气候变化，我国提出了到2020年非化石能源满足一次能源消费15%的目标，以及碳排放强度降低40%～50%的约束性指标，而发展可再生能源、走低碳经济之路，是实现这一远大目标的必然途径。我国接收到的太阳能总辐照量数量惊人，除部分区域日照时数较低外，多数地方可以发展光伏发电。
1.1太阳电池发展概况
太阳电池是一种利用太阳光直接发电，能实现光电转换的装置或器件。只要有光照到电池上，电池就可输出电压及电流，在物理学上称为太阳能光伏，简称光伏［photovoltaics，是由photo（光）和voltaics（伏打）两个单词组合而成的，缩写为PV］。
1.1.1太阳电池发展简史
太阳电池发展历史可以追溯到1839年，当时的法国物理学家Alexandre-Edmond Becquerel发现了光生伏打效应（photovoltaic effect），从此人们开始了对“光生伏打效应（简称光伏效应）”的研究。
1883年，美国Fritts在一个金属衬底上制作出了第一个大面积（30 cm2）太阳电池。
19世纪后期，维也纳大学的Moster第一次报道了染料敏化的光电效应。
1930年，肖特基（Schottky）首次提出了Cu2O势垒的光伏效应理论。同年，朗格（Longer）首次提出可以利用光伏效应制造太阳电池，使太阳能变为电能。
1954年，第一个具有实用价值的单晶硅pn结太阳电池研制成功，几个月后此类电池的效率提高到6%。此后不久，商业硅电池便被用于航天领域。
1959年，美国Hoffman公司推出了效率为10%的商业化硅电池。
1960年，首次实现硅太阳电池并网发电。
20世纪60年代，CdTe薄膜电池获得6%的光电转换效率。
1967年，第一块GaAs电池制备成功，效率达到9%。
1974年，非晶硅太阳电池研制成功。
1980年，第一个效率大于10%的CuInSe电池在美国制成；RCA公司的Carlson研制出了效率达8%的非晶硅太阳电池。
1981年，在沙特阿拉伯建立了350 kW的聚光电池矩阵。
1982年，美国加利福尼亚安装了第一个1 MW的实用光伏电站。
1990年，德国提出了“2000个光伏屋顶计划”，这标志着太阳电池并网发电技术日趋成熟。
1991年，瑞士洛桑的Grtzel教授提出了纳米多孔薄膜染料敏化太阳电池，其效率达到7.1%，使染料敏化太阳电池的研究获得了突破性的进展。
1993年，纳米多孔薄膜染料敏化太阳电池效率达到10%。
1997年，美国“克林顿总统百万屋顶计划”、日本“新阳光计划”、荷兰政府“荷兰百万屋顶计划”相继启动。同年，光伏电池产能达100 MW。
1999年，全球累计建立光伏电站达1 GW。
2002年，澳大利亚STA公司建立了世界上首个面积为200 m2的染料敏化太阳电池显示屋顶，充分体现了染料敏化太阳电池未来的工业化前景。
2002年，全球累计光伏装机容量达2 GW。
2012年底，全球累计光伏装机容量达到了95 GW。
2013年，全球累计光伏装机容量102.16 GW。
从1954年光伏电池首次出现到全球累计建立光伏电站达1 GW，共用了45年的时间，而从1 GW到第二个1 GW，仅用了3年的时间；
2013年，全球新增装机容量达到37 GW，累计装机容量达到137 GW。2013年，中国新增装机容量为11 GW，位居全球第一位，累计装机约18 GW，位居全球第二位；德国的太阳能光伏发电容量已达到约36 GW，为全球光伏发电发展起到了重要的示范作用。许多国际机构研究认为，太阳能将是未来能源供应的主体，预计到21世纪末，太阳能将占到全部能源消费的50%以上。
1.1.2太阳电池发展现状
自1954年第一块具有实用意义的太阳电池被研制出来后，经过近大半个世纪的研究和攻关，各种太阳电池都取得了长足的进步，电池效率得到了显著的提高。同时，电池组件效率也大幅提高，部分电池已实现了实用化，或正在进行实用化研究与攻关。表1.1为各类太阳电池截至2013年7月取得的经过第三方认证的电池效率一览表。
1.1.3太阳电池应用概况
太阳能光伏发电具有十分明显的优势。一是资源丰富且不会枯竭，是可再生清洁能源。特别是光伏发电过程不耗水，因此光伏电站建设不受水资源制约，可以在空闲土地上，特别是可以在沙漠上建设光伏电站。二是光伏电池安装建设简单、装机规模灵活、运行管理方便，既可以利用空旷场地进行建设，也可以与建筑结合建设，几乎不需要进行运行维护，开发利用的潜力很大。三是光伏发电的输出特性与用电负荷特性相吻合，即光伏发电在太阳光照最强的中午时段输出最大，而此时也正是用电的高峰时段，可有效减轻电力系统的调峰压力，利于优化电力系统运行，节约不可再生的化石能源资源，实现节能减排目标。
2010年全球光伏产业急剧增加。大批新增产能的投入，极大地扩充了光伏市场的供应量。2011年，全球新增光伏装机容量为29.6 GW，与2010年的16.8 GW相比增长76.2%。从全球太阳能光伏发电的生产厂商来看，截至2010年底，全球光伏电池产量排名前五位的厂商分别为河北晶澳公司、美国First Solar公司、无锡尚德公司、保定英利公司和常州天合公司，产能分别为1500 MW、1300 MW、1200 MW、1000 MW和930 MW。可以说，从2010年开始，世界太阳能光伏企业的竞争正式升级至吉瓦（GW)级。图1.1为我国太阳能光伏装机容量情况。
近几年来，面对时代机遇，世界各国纷纷制订光伏产业发展计划。目前光伏电池产业在全球呈现高速增长，多元化需求局面已经出现。并网发电依然占市场需求主体，光伏与建筑一体化将成为未来发展趋势。2010～2020年，预计全球光伏产业年增长率将达34%，年安装量将达到11.34 GW。据相关预测，2030年，太阳能光伏发电占世界总电力供应比例将达到10%以上；到21世纪末，太阳能光伏发电所占比例将更高，预计会突破60%。中国《新能源产业振兴和发展规划》明确提出：太阳能发电装机规模在2020年达到20 GW。但在2012年国际太阳能市场发生巨大变化的时候，国家能源局实时调整太阳能发展计划，国家能源局发布的《太阳能发电发展“十二五”规划》明确指出：到2015年底，我国太阳能发电装机容量达到35 GW以上。这些数字足以描绘出太阳能光伏产业未来广阔的发展前景，同时，明确国家新能源发展的路线图，构建新能源经济政策体系，加强新能源产业的布局和监管等对未来光伏健康发展至关重要［2］。
1.2太阳电池分类及其应用简介
1.2.1太阳电池分类
太阳电池是光伏发电系统的核心。从技术的发展程度来区分，太阳电池可分为以下几个阶段：第一代太阳电池，晶体硅电池；第二代太阳电池，包括非晶硅薄膜太阳电池（a-Si）、碲化镉太阳电池（CdTe）、铜铟镓硒太阳电池（CIGS）、砷化镓太阳电池（GaAs）、染料敏化太阳电池（DSC）等；第三代太阳电池，各种叠层太阳电池、热光伏电池（TPV）、量子阱及量子点超晶格太阳电池、中间带太阳电池、上转换太阳电池、下转换太阳电池、热载流子太阳电池和碰撞离化太阳电池等新概念太阳电池。
按电池结构划分，太阳电池可分为晶体硅太阳电池和薄膜太阳电池。
按照使用的基本材料不同，太阳电池可分为硅太阳电池、化合物太阳电池、染料敏化电池和有机薄膜电池等几种。
（1） 硅太阳电池。
硅太阳电池依据硅的结晶形态又可分为单晶硅太阳电池、多晶硅太阳电池和非晶硅太阳电池三种。单晶硅太阳电池转换效率较高，技术也最为成熟。多晶硅太阳电池与单晶硅比较，成本低廉，并且效率高于非晶硅太阳电池。非晶硅薄膜太阳电池成本低、质量轻，便于大规模生产，有较大的潜力。
（2） 砷化镓太阳电池。
单结砷化镓Ⅲ-Ⅴ族太阳电池的转换效率可达28%，抗辐照能力强，但价格不菲，基本仅限于太空等特殊使用。
……
