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摘 要 太阳能光伏技术是新型且最具潜力的能源开发技术，在遇到普及性瓶颈的时候，新型的DSC（Dye-Sensitized Cell）电池使得太阳能光伏技术普及成为了可能，大幅度降低的材料成本可以为整体效率的提示提供技术空间，DSC在应用中会因为覆膜材料、染料敏化剂的选择而制约其应用的效果，所以在研究中焦点问题已经集中到半导体覆膜和染料敏化剂的优选与改性中，选择最具效率的覆膜材料和敏化剂则成为了发展的重要趋势。
关键词 光伏电池；染料敏化电池；覆膜材料；敏化剂
中图分类号：TM914.4 文献标识码：A 文章编号：1671-7597（2013）15-0077-02
1 太阳能光伏电池的基本特性与关键技术指标
1.1 光伏发电的基本原理分析
太阳能发电的核心技术就是光伏效应的应用，其基本原理就是光生伏特的基本效应，即硅材料在太阳能电池载体上被阳光照射，此时光子会深入到半导体的深处，在芯片的两面产生电子与空穴的对应，在晶片自身的电场作用下，半导体就会出现相应集中的电子流动，从而导致电势高低的差异，这就使得电池的两端出现电流，如果将电池和外部电路接通就会因为负载而产生电流，这就实现了太阳能发电，也是太阳能电池板的基本工作原理。
1.2 电池的基本转换率
太阳能电池的核心技术指标就是光能与电能的转换率，此时利用输出电能与光能的比值就可获得该指标，而转换率低是影响光伏产业发展的重要因素。通常所参与的商用太阳能电池转换率在20%左右，目前最高的也不过是40%左右，可见转换率不高是影响光伏产业升级的重要因素。而影响转换率基础就是太阳能电池的材料，因为材料一旦选定，其吸收率也就被限定。其影响条件有：首先，谱响应造成的必然损失，阳光对电池产生作用的时候，光子能量必须等于或者大于导体材料的禁带宽度，其中等于效果最佳，大于或者小于都会导致光能直接变为热能，从而造成能量损失；其次是光学与温度的损失，因为材料表面会产生反射或者温度升高，造成能量损失；最后，复合形式的损失，晶体在制造中存缺陷，从而导致电子和空穴直接没有被利用而存在能量损失。
2 DSC简介
虽然硅材料的太阳能电池可以达到较高的转换效率，但是其材料纯度要求高，因此成本一致是困扰其应用的重要因素，使之不能被大范围的应用到人们的生活中，因此廉价太阳能电池就成为了研究的一个方向。而所谓的DSC就是染料敏化电池，作为一种廉价但高效的电池，在1991年问世，随即成为研究的热点，在不断的技术与材料革新中该类型的电池也随之发展起来。目前该材料的实验室效率已经达到12%以上。鉴于这一因素，大面积的DSC成为了研究应用的重点。在研究中主要解决的就是电池封装和电解质灌入的问题，在发展中已经获得了突破，实现了0.5 MW的电池的试制，说明其应用的前景良好。其主要的结果是一种三明治的结构模式，光敏燃料太阳能电池主要是由光阳极，敏化燃料、氧化还原电解质构成，其中光阳极则是透明电基地和纳米半导体材料构成。
电池的基本工作原理如下：阳光直射在太阳能电池上，此时燃料分子中的基态电子会在阳光的作用下激活，激发的分子将电子注入到纳米形态下的多孔半导体中，注入到导带中的电子在导电玻璃上聚集，同时传导到外部电路，并最终回到对电极上。因为染料的氧化与还原电位相对氧化还原电解质的电位，所以出于氧化还原状态下的染料分子就会被还原态的电解质还原。此后氧化状态下的电解质会扩散，从而实现循环，就产生了电流。电池的最大电压也会因为氧化物半导体的费米能级和氧化还原电解质的电位所决定，这就是染料敏化太阳能电池的基本工作原理。
3 DSC的技术的发展
3.1 DSC纳米多孔半导体技术的发展
DSC材料的核心半导体薄膜，其作用就是在阳极上衔接其他电极，薄膜的表面则吸附的是染料敏化制剂，这样才能将染料接受的电子转移到基底上实现电流产生。所以纳米的多孔半导体覆膜在DSC上的应用效果将直接影响太阳能电池中吸附效果和电子的传输效率，当然也就影响了电池的效率。而影响该材料效率的关键因素是：晶体类型、表面比例、晶体膜厚度、膜表面粗糙度等。目前在应用中光阳极的研究主要集中的焦点是加快电子在薄膜上的传输速率，增加薄膜上染料吸附的数量，以此提高半导体薄膜的光催化的活性。通常的DSC电池在光阳极上使用的材料为ZnO、TiO2、SnO2等等。在n型半导体材料中TiO2的应用前景被看好，因为该材料的空隙宽度较大，且化学性质稳定，不易发生氧化等，同时无毒害也没有污染，且不易腐蚀，所以被业界所认可。TiO2在常态下有三种形式的晶体，即金红石、锐钛矿、板钛矿，在研究中发现锐钛矿的活性较高，适应太阳能电池的需要。
在生成光阳极表面的致密多孔材料其方式有很多种，如利用TiO2覆膜就有涂覆法、胶粘法、热水合成、印刷法、化学沉积法等，其中涂覆的方式是最为简单的，相对制成的膜平整。然而在实际的应用中丝网印刷的方式则适应大规模的工业化生产，所以要其也成为研究的焦点。但是在研究中表明，纳米TiO2材料作为光伏材料的光电性能并不理想，因为其吸收的光谱范围多数集中在紫外线光区，所以对可见光的吸收率偏低，这样就影响了整个DSC的光效率，所以在研究中多数学者都在研究对其进行材料改性，利用TiO2为基础，进行离子添加、化学性质改变、半导体复合等，以此改变覆膜的表面化学性质，尤其是对光化学的敏感性，从而使得覆膜更加适应光伏发电的需求，也适应大规模工业化的需求。
3.2 染料敏化制剂的要求
在DSC的应用中其核心技术就是敏化技术，因此在应用中敏化剂必须达到以下要求：吸附性高，其可以迅速的吸附平衡且不易出现脱色的情况，尤其是DSC敏化剂，通常都需要特定的吸附功能团，这些功能团可以使得染料在TiO2的表面进行牢固的吸附，同时可以提高光电的性能，由此保证电池的效率；敏化剂还要保持较长的寿命，可以在日光条件或者恶劣条件下实现长期有效的作用，提高保证电子传输效率；敏化剂还要适应较宽的光谱，这样可以尽可能的吸收多的阳光，提高光能量利用效果；敏化剂还应保证较高的氧化还原电势，这样才能保证低能量的轨道顺利输入到TiO2的导带中，即染料的氧化电位必须低于覆膜材料，而染料的还原电位则应高于电解质的基本电位。目前应用于DSC的敏化剂主要是无机染料的敏化剂、有机染料敏化剂、天然染料敏化剂，其中无机材料的敏化剂和有机敏化剂并成为染料敏化剂。因为无机染料敏化剂通常是CdS或者CdSe等，其对环境污染较为严重，所以有机敏化剂和纯天然的敏化剂已经是该领域的首选材料。
4 结束语
光伏产业是绿色产业中的重要组成部分，而目前太阳能电池板因为硅晶片的成本过高且工艺要求严格而不能成为其推广的基本形式，所以开发新型的太阳能电池技术就成为新的研究方向，DSC是染料敏化技术所支持的电池系统，其主要是降低了太阳能电池的成本，从而为其发展起到了推动作用，这样的电池材料要求逆变器更加可靠且高效，也为其开拓了新的发展的空间。
参考文献
[1]刘显卿，胡志强，黄德锋，秦颖，杨冬雪，殷克剑.染料敏化太阳能电池光阳极TiO2致密膜的制备[J].大连工业大学学报.
[2]张发云.多晶硅表面陷阱坑形貌的光学性能模拟研究[J].光子学报.
[3]马洪芳，王小蕊，马芳，丁严广，王振.TiO2光阳极染料敏化太阳能电池的研究进展[J].电子元件与材料，2013（04）.
[4]刘凤娟，邵景珍，董伟伟，邓赞红，陶汝华，王时茂，方晓东.柔性染料敏化太阳电池光阳极的优化及叠层电池的初步研究[J].无机材料学报，2013（05）.
关键词 光伏电池；染料敏化电池；覆膜材料；敏化剂
中图分类号：TM914.4 文献标识码：A 文章编号：1671-7597（2013）15-0077-02
1 太阳能光伏电池的基本特性与关键技术指标
1.1 光伏发电的基本原理分析
太阳能发电的核心技术就是光伏效应的应用，其基本原理就是光生伏特的基本效应，即硅材料在太阳能电池载体上被阳光照射，此时光子会深入到半导体的深处，在芯片的两面产生电子与空穴的对应，在晶片自身的电场作用下，半导体就会出现相应集中的电子流动，从而导致电势高低的差异，这就使得电池的两端出现电流，如果将电池和外部电路接通就会因为负载而产生电流，这就实现了太阳能发电，也是太阳能电池板的基本工作原理。
1.2 电池的基本转换率
太阳能电池的核心技术指标就是光能与电能的转换率，此时利用输出电能与光能的比值就可获得该指标，而转换率低是影响光伏产业发展的重要因素。通常所参与的商用太阳能电池转换率在20%左右，目前最高的也不过是40%左右，可见转换率不高是影响光伏产业升级的重要因素。而影响转换率基础就是太阳能电池的材料，因为材料一旦选定，其吸收率也就被限定。其影响条件有：首先，谱响应造成的必然损失，阳光对电池产生作用的时候，光子能量必须等于或者大于导体材料的禁带宽度，其中等于效果最佳，大于或者小于都会导致光能直接变为热能，从而造成能量损失；其次是光学与温度的损失，因为材料表面会产生反射或者温度升高，造成能量损失；最后，复合形式的损失，晶体在制造中存缺陷，从而导致电子和空穴直接没有被利用而存在能量损失。
2 DSC简介
虽然硅材料的太阳能电池可以达到较高的转换效率，但是其材料纯度要求高，因此成本一致是困扰其应用的重要因素，使之不能被大范围的应用到人们的生活中，因此廉价太阳能电池就成为了研究的一个方向。而所谓的DSC就是染料敏化电池，作为一种廉价但高效的电池，在1991年问世，随即成为研究的热点，在不断的技术与材料革新中该类型的电池也随之发展起来。目前该材料的实验室效率已经达到12%以上。鉴于这一因素，大面积的DSC成为了研究应用的重点。在研究中主要解决的就是电池封装和电解质灌入的问题，在发展中已经获得了突破，实现了0.5 MW的电池的试制，说明其应用的前景良好。其主要的结果是一种三明治的结构模式，光敏燃料太阳能电池主要是由光阳极，敏化燃料、氧化还原电解质构成，其中光阳极则是透明电基地和纳米半导体材料构成。
电池的基本工作原理如下：阳光直射在太阳能电池上，此时燃料分子中的基态电子会在阳光的作用下激活，激发的分子将电子注入到纳米形态下的多孔半导体中，注入到导带中的电子在导电玻璃上聚集，同时传导到外部电路，并最终回到对电极上。因为染料的氧化与还原电位相对氧化还原电解质的电位，所以出于氧化还原状态下的染料分子就会被还原态的电解质还原。此后氧化状态下的电解质会扩散，从而实现循环，就产生了电流。电池的最大电压也会因为氧化物半导体的费米能级和氧化还原电解质的电位所决定，这就是染料敏化太阳能电池的基本工作原理。
3 DSC的技术的发展
3.1 DSC纳米多孔半导体技术的发展
DSC材料的核心半导体薄膜，其作用就是在阳极上衔接其他电极，薄膜的表面则吸附的是染料敏化制剂，这样才能将染料接受的电子转移到基底上实现电流产生。所以纳米的多孔半导体覆膜在DSC上的应用效果将直接影响太阳能电池中吸附效果和电子的传输效率，当然也就影响了电池的效率。而影响该材料效率的关键因素是：晶体类型、表面比例、晶体膜厚度、膜表面粗糙度等。目前在应用中光阳极的研究主要集中的焦点是加快电子在薄膜上的传输速率，增加薄膜上染料吸附的数量，以此提高半导体薄膜的光催化的活性。通常的DSC电池在光阳极上使用的材料为ZnO、TiO2、SnO2等等。在n型半导体材料中TiO2的应用前景被看好，因为该材料的空隙宽度较大，且化学性质稳定，不易发生氧化等，同时无毒害也没有污染，且不易腐蚀，所以被业界所认可。TiO2在常态下有三种形式的晶体，即金红石、锐钛矿、板钛矿，在研究中发现锐钛矿的活性较高，适应太阳能电池的需要。
在生成光阳极表面的致密多孔材料其方式有很多种，如利用TiO2覆膜就有涂覆法、胶粘法、热水合成、印刷法、化学沉积法等，其中涂覆的方式是最为简单的，相对制成的膜平整。然而在实际的应用中丝网印刷的方式则适应大规模的工业化生产，所以要其也成为研究的焦点。但是在研究中表明，纳米TiO2材料作为光伏材料的光电性能并不理想，因为其吸收的光谱范围多数集中在紫外线光区，所以对可见光的吸收率偏低，这样就影响了整个DSC的光效率，所以在研究中多数学者都在研究对其进行材料改性，利用TiO2为基础，进行离子添加、化学性质改变、半导体复合等，以此改变覆膜的表面化学性质，尤其是对光化学的敏感性，从而使得覆膜更加适应光伏发电的需求，也适应大规模工业化的需求。
3.2 染料敏化制剂的要求
在DSC的应用中其核心技术就是敏化技术，因此在应用中敏化剂必须达到以下要求：吸附性高，其可以迅速的吸附平衡且不易出现脱色的情况，尤其是DSC敏化剂，通常都需要特定的吸附功能团，这些功能团可以使得染料在TiO2的表面进行牢固的吸附，同时可以提高光电的性能，由此保证电池的效率；敏化剂还要保持较长的寿命，可以在日光条件或者恶劣条件下实现长期有效的作用，提高保证电子传输效率；敏化剂还要适应较宽的光谱，这样可以尽可能的吸收多的阳光，提高光能量利用效果；敏化剂还应保证较高的氧化还原电势，这样才能保证低能量的轨道顺利输入到TiO2的导带中，即染料的氧化电位必须低于覆膜材料，而染料的还原电位则应高于电解质的基本电位。目前应用于DSC的敏化剂主要是无机染料的敏化剂、有机染料敏化剂、天然染料敏化剂，其中无机材料的敏化剂和有机敏化剂并成为染料敏化剂。因为无机染料敏化剂通常是CdS或者CdSe等，其对环境污染较为严重，所以有机敏化剂和纯天然的敏化剂已经是该领域的首选材料。
4 结束语
光伏产业是绿色产业中的重要组成部分，而目前太阳能电池板因为硅晶片的成本过高且工艺要求严格而不能成为其推广的基本形式，所以开发新型的太阳能电池技术就成为新的研究方向，DSC是染料敏化技术所支持的电池系统，其主要是降低了太阳能电池的成本，从而为其发展起到了推动作用，这样的电池材料要求逆变器更加可靠且高效，也为其开拓了新的发展的空间。
参考文献
[1]刘显卿，胡志强，黄德锋，秦颖，杨冬雪，殷克剑.染料敏化太阳能电池光阳极TiO2致密膜的制备[J].大连工业大学学报.
[2]张发云.多晶硅表面陷阱坑形貌的光学性能模拟研究[J].光子学报.
[3]马洪芳，王小蕊，马芳，丁严广，王振.TiO2光阳极染料敏化太阳能电池的研究进展[J].电子元件与材料，2013（04）.
[4]刘凤娟，邵景珍，董伟伟，邓赞红，陶汝华，王时茂，方晓东.柔性染料敏化太阳电池光阳极的优化及叠层电池的初步研究[J].无机材料学报，2013（05）.