染料敏化太阳能电池结构图分析与工作原理的概述

　　染料敏化太阳能电池主要由表面吸附了染料敏化剂的半导体电极、电解质、Pt 对电极组成，其

　　结构如图1-1。

　　图1-1 染料敏化太阳能电池结构图

　　当有入射光时，染料敏化剂首先被激发，处于激发态的染料敏化剂将电子注入半导体的导带。

　　氧化态的染料敏化剂被中继电解质所还原，中继分子扩散至对电极充电。这样，开路时两极产生光

　　电势，经负载闭路则在外电路产生相应的光电流（图1-2）。

　　图1-2 染料敏化太阳能电池工作原理图

　　通过超快光谱实验可得出染料敏化太阳能电池各个反应步骤速率常数的数量级［12］：

　　① 染料（S）受光激发由基态跃迁到激发态（S*）：

　　S + hυ → S*

　　② 激发态染料分子将电子注入到半导体的导带中：

　　S* → S+ + e-（CB）， kinj = 1010~1012s-1

　　③ I-离子还原氧化态染料可以使染料再生：

　　3I- + 2S+ → I3

　　- + 2S， k3 = 108s-1

　　④ 导带中的电子与氧化态染料之间的复合：

　　S+ + e-（CB） → S， kb = 106s-1

　　⑤ 导带中的电子在纳米晶网络中传输到后接触面（back contact ，BC）后而流入到外电

　　路中：

　　e-（CB） → e-（BC）， k5 = 103~100s-1

　　⑥ 纳米晶膜中传输的电子与进入TiO2 膜的孔中的I3

　　-离子复合：

　　I3

　　- + 2e-（CB） → 3I-， J0 = 10-11~10-9A cm-2

　　⑦ I3

　　-离子扩散到对电极上得到电子使I-离子再生：

　　I3

　　- + 2e-（CE） → 3I-， J0 = 10-2~10-1A cm-2

　　激发态的寿命越长，越有利于电子的注入，而激发态的寿命越短，激发态分子有可能来不及将

　　电子注入到半导体的导带中就已经通过非辐射衰减而返回到基态。②、④两步为决定电子注入效率

　　的关键步骤。电子注入速率常数（kinj）与逆反应速率常数（kb）之比越大（一般大于三个数量级），

　　电子复合的机会越小，电子注入的效率就越高。I-离子还原氧化态染料可以使染料再生，从而使染料

　　不断地将电子注入到二氧化钛的导带中。步骤⑥是造成电流损失的一个主要原因，因此电子在纳米

　　晶网络中的传输速度（k5）越大，电子与I3

　　-离子复合的交换电流密度（J0）越小，电流损失就越小。步骤

　　③生成的I3

　　-离子扩散到对电极上得到电子变成离子I-（步骤⑦），从而使I-离子再生并完成电流循环。