卟啉類光敏劑在染料敏化太陽能電池中的應(yīng)用
化學(xué)先生 / 2019-09-03
卟啉化合物的分子具有較寬的吸收光譜。且其激發(fā)態(tài)的能m能夠滿足后續(xù)電尚分離過程的需要，因此可作為吸收光的“天線”分子模擬光合作用，實現(xiàn)光致電荷分離、固碳和光解水等。作為一種“取之不盡、用之不竭”的潔凈能源，太陽能的光電轉(zhuǎn)化一直是最近30余年來，清潔能源研究的主要方向之一。
目前應(yīng)用最廣泛的太陽能電池主要是硅系太陽能電池，但高純度硅半導(dǎo)體難于制備、生產(chǎn)工藝復(fù)雜、效率提高潛力有限，其光電轉(zhuǎn)換效率的理論極限值為30%。
此外，嚴重的光腐蝕作用也果制了硅太陽能電池的發(fā)展，其他無機半導(dǎo)體(如TiO2、SnO2等)雖具有較高的光熱穩(wěn)定性，但其禁帶寬度較寬，只能吸收紫外光，捕獲可見光的能力很弱。
1991 年，瑞士洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院的Graetzel教授從人工模擬光合作用的構(gòu)想出發(fā)，首先報道了染料敏化太陽能電池(DSSC)。 他們用有機染料敏化寬帶半導(dǎo)體TiO2,可使體系的光譜響應(yīng)延伸到可見光區(qū)，是近10余年來新型太陽能電池研究的熱點。它的構(gòu)造如圖9-4所示。在鍍有TiO2薄膜的導(dǎo)電玻璃表面(負極)，以有機染料敏化后，依次覆蓋有氧化/還原對的電解質(zhì)薄層和對電極(正極)。最常用的電解質(zhì)是I3/T-溶液，但由于液體電解質(zhì)存在封裝和漏液等問題，目前也出現(xiàn)了固態(tài)和準固態(tài)電解質(zhì)。對電極常用鉑，除了導(dǎo)電作用之外，鉑電極還能反射光線，增加光吸收，并在正電極上催化由介質(zhì)中擴散面來的碘還原，從而沿箭頭方向形成一個電子回路。染料敏化太陽能電池價格相對低廉，制作工藝簡單，擁有潛在的高光電轉(zhuǎn)換效率，所以極有可能取代傳統(tǒng)硅系太陽能電池，成為未來太陽能電池的主導(dǎo)。20 世紀90年代初，染料敏化納米品太陽能電池DSSCs (dyesensitized solar cells)初露鋒芒時，其光電轉(zhuǎn)換效率為7.1%~7.9%，隨后Graetzel及他的合作者又開發(fā)出了光電能量轉(zhuǎn)換效率達10%~11%的DSSCs。目前，在標準條件下，染料敏化太陽能電池的能量轉(zhuǎn)化效率已達到11. 2%。
如果你知道樹葉的結(jié)構(gòu)， 你會很好地理解DSSCs.從結(jié)構(gòu)上來看，DSSCs就像人工制作的樹葉，只是植物中的葉綠素被光敏化劑所代替，而納米多孔半導(dǎo)體膜結(jié)構(gòu)則取代了樹葉中的磷酸類脂膜。染料敏化納米晶太陽能電池，完全不同于傳統(tǒng)硅系半導(dǎo)體結(jié)太陽能電池裝置，它的光吸收和電荷分離傳輸分別是由不同物質(zhì)完成的，光吸收是靠吸附在納米半導(dǎo)體表面的類似于葉綠素的染料，半導(dǎo)體儀起電荷分離和傳輸載體的作用，它的載流子不是由半導(dǎo)體產(chǎn)生而是由染料產(chǎn)生的。
卟啉化合物無論是單分子還是聚合物，在各種染料太陽能電池中都可應(yīng)用，特別是用卟啉作為光敏劑的敏化納米晶太陽能電池性能突出。目前，研究最多的間位四(對羧基苯基)卟啉(TCPP)及其金屬配合物(M-TCPP)， 分子激發(fā)態(tài)壽命較長(> Ins), HOMO和LUMO能級高低合適，是較為理想的DSSCs染料候選化合物。
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