趙興隆

(通化師范學(xué)院化學(xué)學(xué)院,吉林白山 134002)

天然色素敏化太陽(yáng)能電池的研究進(jìn)展

趙興隆

(通化師范學(xué)院化學(xué)學(xué)院,吉林白山 134002)

簡(jiǎn)單回顧了近年來(lái)我國(guó)的科技工作者在天然色素敏化太陽(yáng)能電池領(lǐng)域進(jìn)行的一些探索,并對(duì)其未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了展望。

DSSC 天然色素 敏化

由于科技的飛速發(fā)展,石油、煤炭等不可再生資源日益減少,對(duì)可再生新能源的研究迫在眉睫。地球的能源,幾乎全部來(lái)自于太陽(yáng),但人類(lèi)對(duì)太陽(yáng)能的直接利用還處在初級(jí)階段?，F(xiàn)代采用太陽(yáng)能光伏發(fā)電,它的核心器件是太陽(yáng)能電池。1839年,法國(guó)科學(xué)家E．Becquerel發(fā)現(xiàn)液體的光伏現(xiàn)象,1877年W．G．Adams等研究了硒的光伏效應(yīng),并制作第一片硒太陽(yáng)能電池,1954年貝爾實(shí)驗(yàn)室研究人員D．M．Chapin等報(bào)道4．5%效率的單晶硅太陽(yáng)能電池。隨后,人們模仿光合作用原理,開(kāi)發(fā)出了新型太陽(yáng)電池,即染料敏化太陽(yáng)電池DSSC。其主要優(yōu)勢(shì)是:原材料豐富、成本低、工藝技術(shù)相對(duì)簡(jiǎn)單,在大面積工業(yè)化生產(chǎn)中具有較大的優(yōu)勢(shì),同時(shí)所有原材料和生產(chǎn)工藝都是無(wú)毒、無(wú)污染的,對(duì)保護(hù)人類(lèi)環(huán)境具有重要的意義。1991年,Brian等于《Nature》上發(fā)表了關(guān)于染料敏化納米晶體太陽(yáng)能電池的文章以較低的成本得到了＞7%的光電轉(zhuǎn)化效率,為利用太陽(yáng)能提供了一條新的途徑。目前,DSSC的光電轉(zhuǎn)化效率已能穩(wěn)定在10%以上,且其制造成本僅為硅太陽(yáng)能電池的1/5～1/10。從天然的動(dòng)植物、礦物中提取天然色素, 在其中尋找合適的光敏化劑,已成為該領(lǐng)域的一項(xiàng)重要工作。天然色素具有可再生的特點(diǎn),不會(huì)消耗煤、石油等資源。我國(guó)的科技工作者在這個(gè)領(lǐng)域進(jìn)行了大量的工作,現(xiàn)將近年來(lái)一些研究進(jìn)行綜述。

2013年,清華大學(xué)的林紅等人從高原金蓮花中提取天然染料[1],通過(guò)紫外光譜和紅外光譜確定其主要成分為花色苷。研究發(fā)現(xiàn),在pH=5時(shí),該天然染料敏化太陽(yáng)能電池的光電轉(zhuǎn)換效率最高,達(dá)到0．292%(如圖1所示)。

圖1 不同酸堿性條件下花色苷結(jié)構(gòu)

2013年,西藏大學(xué)的次仁央金等,通過(guò)萃取西藏林芝核桃果皮、江孜沙棘果實(shí)以及拉薩紫草根部的天然色素,分析研究了西藏天然色素光吸收性能；利用以上3種天然色素以及它們的混合色素,研制了染料敏化太陽(yáng)能電池[2]。結(jié)果表明,核桃與紫草的混合色素DSSC電池效率最高,達(dá)到8．2%。

圖2 鴨跖草色素的可見(jiàn)光吸收光譜圖

2013年,華僑大學(xué)的蘭章等人,以葡萄皮乙醇提取液作為敏化劑用于染料敏化太陽(yáng)能電池[3],光電轉(zhuǎn)換效率達(dá)到0．81%。在酸性介質(zhì)中的吸光譜能較好的滿(mǎn)足太陽(yáng)能電池對(duì)吸光的需求。采用稀鹽酸處理陽(yáng)極膜的方法,使染料與膜結(jié)合性能提高,光電裝換效率達(dá)到1．43%。

2014年,沈陽(yáng)建筑大學(xué)的高旭等人,從不同種類(lèi)的植物中提取了十一種天然染料,組裝成天然染料敏化太陽(yáng)能電池,并檢測(cè)其光電性能,最后對(duì)各個(gè)天然染料敏化太陽(yáng)能電池的光電性能進(jìn)行分析[4]。結(jié)果采用藍(lán)莓制備的染料作為光敏劑敏化的太陽(yáng)能電池在所研究的十一種染料中表現(xiàn)出最好的光電性能,其光電轉(zhuǎn)化效率達(dá)到1．11%。

2014年,海南大學(xué)的林仕偉等人,以高度有序TiO2納米管陣列作為光陽(yáng)極,鴨跖草色素作為敏化劑制備了天然染料敏化太陽(yáng)能電池[5]。陽(yáng)極氧化6h制備的TiO2納米管作為電極的電池的光電轉(zhuǎn)換效率約達(dá)0．52%。利用紫外－可見(jiàn)光光譜儀研究鴨跖草色素的光吸收性能。研究表明適當(dāng)提高TiO2納米管長(zhǎng)度可以有效提高天然染料敏化太陽(yáng)能電池的光電性能(如圖2所示）。

天然染料由于低成本、環(huán)境友好、可再生等優(yōu)點(diǎn),成為最佳敏化劑之一。近年來(lái),不同的天然染料作為DSSC的敏化劑,使得天然染料在可見(jiàn)光區(qū)吸收效率逐漸提高。但是天然染料作為太陽(yáng)能電池的敏化劑還有一些不足之處,主要是電池效率目前還較低。未來(lái)想要在這個(gè)領(lǐng)域發(fā)揮更大的作用,可從以下兩方面著手:

(1)探索更多的天然色素作為敏化劑的效果；

(2)對(duì)天然色素進(jìn)行簡(jiǎn)單、綠色的化學(xué)修飾,改變其光電性質(zhì),或增加其與納米TiO2的結(jié)合能力。

太陽(yáng)能是21世紀(jì)的能源,希望天然色素敏化太陽(yáng)能電池這項(xiàng)綠色、環(huán)保、可再生的技術(shù),在不久的未來(lái)能夠幫助人類(lèi)克服能源危機(jī),創(chuàng)造更大的生產(chǎn)力。

[1]林紅等.pH值對(duì)金蓮花染料敏化太陽(yáng)能電池性能的影響[J].物理化學(xué)學(xué)報(bào),2013,29(3):539-545.

[2]次仁央金等.天然色素染料敏化太陽(yáng)能電池的制備[J].材料導(dǎo)報(bào),2013,27(22):120-122.

[3]蘭章等.葡萄皮天然色素在染料敏化太陽(yáng)能電池中的應(yīng)用[J].化學(xué)工程與裝備,2013,(8):04-06.

[4]高旭等.單一天然染料制備染料敏化太陽(yáng)能電池[J].沈陽(yáng)建筑大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2014,30(2):283-290.

[5]林仕偉等.鴨跖草色素敏化TiO2納米管太陽(yáng)能電池的研究[J].化工新型材料,2014,42(3):39-41.