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編輯推薦

適讀人群 ：《染料敏化太陽電池》可供光伏電池、光電轉換器件以及相關技術領域的科研人員和工程技術人員參閱，也可供相關專業的高等院校高年級學生、研究生和教師參考使用。
　　《染料敏化太陽電池》可供光伏電池、光電轉換器件以及相關技術領域的科研人員和工程技術人員參閱，也可供相關專業的高等院校高年級學生、研究生和教師參考使用。

內容簡介

　　《染料敏化太陽電池》從可再生能源及光伏太陽電池應用的角度齣發，闡述染料敏化太陽電池研發的必然性和重要性，介紹太陽電池中光電轉換的基本原理和物理化學過程。基於染料敏化太陽電池近二十年來的研究和發展現狀，詳細介紹與染料敏化太陽電池有關的各方麵內容；具體涉及染料敏化太陽電池結構、工作原理、納米半導體材料研究、電荷傳輸、電池製作、電池模擬計算、電池標準測試及其相關的技術。《染料敏化太陽電池》最重要且不同於已有同類書籍的內容，主要是詳細闡述染料敏化太陽電池中存在的多處界麵光電化學過程和電荷傳輸與復閤動力學，以及相關技術研究手段在電子傳輸機理上的作用和輸齣特性。從電荷傳輸和復閤動力學過程、關鍵材料研究以及電池結構優化設計等方麵，闡釋高效染料敏化太陽電池製作的方法和技術途徑。最後對大麵積高效染料敏化太陽電池的研發和規模化應用進行介紹與展望。

作者簡介

　　戴鬆元教授，博士生導師，國傢“973”計劃首席科學傢（2006～2010年，2011～2015年），華北電力大學可再生能源學院院長，中國科學院等離子體物理研究所特聘研究員，中國科學院新型薄膜太陽電池重點實驗室主任；中國科學院能源研究委員會委員，國際光化學轉換與太陽能存儲大會（IPS）國際委員會委員（2012～2016年），亞太地區DSC&OPV;國際委員會委員。榮獲2005年度上海國際工業博覽會創新奬，2007年度第八屆安徽青年科技奬，2012年度中國可再生能源學會科學技術奬二等奬和2013年度“中國光伏成就奬”。是國際上較早從事染料敏化太陽電池基礎研究和實用化研究的學者，，就材料微觀結構與電池性能影響的關聯機製展開係統性研究，創造性地開展實用化電池組件光、電和熱性能研究，基本解決瞭電池老化和性能衰減難題。建立國內第1條染料敏化太陽電池實驗生産綫及首座500W示範電站係統。2012年成功開發瞭具有國際先進水平的成套製備工藝技術和設備，完成0.5MW中試生産綫建設，建立5kW示範係統，為國內染料敏化太陽電池産業化奠定堅實基礎。發錶學術論文200餘篇，已授權國傢發明專利近20項。

目錄

《納米科學與技術》叢書序PREFACE序序言前言第1章導論11.1太陽電池發展概況11.1.1太陽電池發展簡史11.1.2太陽電池發展現狀31.1.3太陽電池應用概況31.2太陽電池分類及其應用簡介61.2.1太陽電池分類61.2.2太陽電池組件分類及其應用71.2.3矽基太陽電池81.2.4CdTe太陽電池111.2.5CIGS太陽電池141.2.6染料敏化太陽電池161.2.7聚閤物太陽電池191.2.8量子點太陽電池211.2.9其他類新型太陽電池211.3染料敏化太陽電池221.3.1染料敏化太陽電池發展曆程221.3.2染料敏化太陽電池研究現狀251.3.3染料敏化太陽電池技術特點291.3.4染料敏化太陽電池應用前景30參考文獻31第2章納米半導體材料352.1納米半導體材料在DSC中的應用352.1.1納米半導體多孔薄膜的作用352.1.2納米半導體多孔薄膜的製備方法372.2DSC中常用的納米半導體材料402.2.1二氧化鈦402.2.2氧化鋅442.2.3氧化锡462.2.4其他半導體材料462.3新型納米結構材料在電池上的應用472.3.1一維納米材料472.3.2三維納米TiO2多孔薄膜592.4TiO2薄膜的能級結構612.4.1半導體電極的平帶電勢612.4.2半導體電極平帶電勢的測量方法632.4.3測試條件對平帶電勢的影響672.4.4不同微結構薄膜電極的能級結構722.5納米半導體電極修飾862.5.1錶麵物理化學修飾862.5.2元素摻雜882.5.3其他摻雜修飾922.6電極結構優化設計922.6.1小顆粒緻密層的引入922.6.2納米TiO2多孔薄膜層的作用952.6.3大顆粒TiO2薄膜層的光散射效應962.6.4大麵積納米多孔薄膜電極的微結構設計992.7p型光陰極敏化染料太陽電池1032.7.1p型光陰極敏化染料太陽電池原理1032.7.2p型半導體1042.7.3其他p型半導體106參考文獻106第3章染料敏化太陽電池用染料敏化劑1153.1導論1153.1.1染料敏化劑的作用1153.1.2染料敏化劑的分類1163.1.3染料敏化劑的結構及分子設計1173.1.4染料敏化劑相關量化計算1173.2陽極敏化電池用染料敏化劑1193.2.1無機染料敏化劑1193.2.2多吡啶染料閤成及性質1383.2.3羧酸多吡啶釕染料的性質1403.2.4染料分子結構對染料性能的影響1433.2.5羧酸多吡啶釕染料與納晶半導體薄膜的結閤方式1503.2.6有機染料敏化劑1523.3多染料協同敏化1633.4陰極敏化電池用染料敏化劑1643.4.1陰極敏化電池敏化劑的結構特性1643.4.2陰極敏化電池敏化劑研究進展165參考文獻166第4章染料敏化太陽電池用電解質1764.1電解質的分類1764.1.1有機溶劑電解質1774.1.2離子液體電解質1784.1.3準固態電解質1904.1.4全固態電解質1964.2電解質中的氧化還原電對2024.2.1I-/I-3電對2024.2.2非碘氧化還原電對2064.3電解質中的添加劑2084.3.1添加劑的作用原理2094.3.2添加劑的分類2114.3.3添加劑的研究進展214參考文獻218第5章染料敏化太陽電池對電極2305.1對電極及製備方法2305.1.1Pt對電極2305.1.2碳對電極2325.1.3其他對電極材料2345.1.4柔性DSC的對電極2385.2對電極錶麵的氧化還原反應2385.2.1對電極氧化還原反應原理2395.2.2對電極反應的錶徵方法240參考文獻248第6章染料敏化太陽電池界麵光電化學2536.1固/固接觸界麵2536.1.1固/固接觸界麵性質2536.1.2DSC中固/固接觸界麵構成2586.1.3DSC中固/固接觸界麵性質2586.2固/液接觸界麵2606.2.1固/液接觸界麵性質2606.2.2DSC中固/液接觸界麵構成2636.2.3DSC中固/液接觸界麵性質2636.3頻率域內接觸界麵動力學過程2656.3.1時間域與頻率域過程2656.3.2接觸界麵動力學過程測量方法2656.3.3調製電壓下接觸界麵動力學過程2686.3.4調製光作用下接觸界麵動力學過程2896.3.5阻抗譜與IMPS區彆3056.4界麵電子注入過程3106.4.1TiO2能帶形成及與染料的耦閤3106.4.2光生電子的産生與注入動力學3126.5光生電子的傳輸動力學3146.6光生電子的收集動力學3166.7光生電子的復閤動力學3176.7.1I-3/I-氧化還原對的動力學特性3176.7.2光生電子復閤位置3176.7.3光生電子復閤機理3186.7.4局域態對復閤過程的影響3196.8光生電子傳輸與復閤過程的相互限製3206.9TiO2導帶邊移動與錶麵鈍化3226.10接觸界麵特性對動力學的影響3226.10.1兩相接觸界麵電學特性對動力學的影響3226.10.2三相接觸界麵電學特性對動力學的影響3286.10.3不同電解質環境中染料�睺iO2/EL界麵修飾對動力學的影響3376.11接觸界麵光學特性對動力學的影響3446.12不同染料分布條件對動力學的影響346參考文獻350第7章染料敏化太陽電池結構設計與模擬3647.1染料敏化太陽電池的工作原理3647.2染料敏化太陽電池性能參數3657.2.1短路電流3657.2.2開路電壓3667.2.3填充因子3667.2.4光電轉換效率3667.3大麵積染料敏化太陽電池結構設計3677.4大麵積染料敏化太陽電池性能模擬3697.4.1光吸收及電子傳輸3697.4.2DSC電荷傳輸379參考文獻394第8章染料敏化太陽電池性能測試及組件應用3978.1染料敏化太陽電池光伏性能測試3978.1.1大氣質量與太陽光譜3978.1.2染料敏化太陽電池的測試參數3988.1.3染料敏化太陽電池的測試原理4008.1.4染料敏化太陽電池的測試標準4028.1.5染料敏化太陽電池光伏性能的多通道實時監測4038.1.6測試環境對染料敏化太陽電池光伏性能的影響4058.2染料敏化太陽電池組件的應用4088.2.1獨立光伏陣列的應用與技術4088.2.2建築一體化的應用與設計4148.2.3光伏農業一體化的應用416參考文獻417附錄縮略語419索引421第5章染料敏化太陽電池對電極2305.1對電極及製備方法2305.1.1Pt對電極2305.1.2碳對電極2325.1.3其他對電極材料2345.1.4柔性DSC的對電極2385.2對電極錶麵的氧化還原反應2385.2.1對電極氧化還原反應原理2395.2.2對電極反應的錶徵方法240參考文獻248第6章染料敏化太陽電池界麵光電化學2536.1固/固接觸界麵2536.2.1固/固接觸界麵性質2536.2.2DSC中固/固接觸界麵構成2586.1.3DSC中固/固接觸界麵性質2596.2固/液接觸界麵2606.2.1固/液接觸界麵性質2606.2.2DSC中固/液接觸界麵構成2636.2.3DSC中固/液接觸界麵性質2636.3頻率域內接觸界麵動力學過程2656.3.1時間域與頻率域過程2656.3.2接觸界麵動力學過程測量方法2656.3.3調製電壓下接觸界麵動力學過程2686.3.4調製光作用下接觸界麵動力學過程2896.3.5阻抗譜與IMPS區彆3056.4界麵電子注入過程3096.4.1TiO2能帶形成及與染料的耦閤3096.4.2光生電子的産生與注入動力學3126.5光生電子的傳輸動力學3146.6光生電子的收集動力學3166.7光生電子的復閤動力學3166.7.1I-3/I-氧化還原對的動力學特性3166.7.2光生電子復閤位置3176.7.3光生電子復閤機理3176.7.4局域態對復閤過程影響3186.8光生電子傳輸與復閤過程的相互限製3206.9TiO2導帶邊移動與錶麵鈍化3216.10接觸界麵特性對動力學的影響3226.10.1兩相接觸界麵電學特性對動力學的影響3226.10.2三相接觸界麵電學特性對動力學的影響3286.10.3不同電解質環境中染料�睺iO2/EL界麵修飾對動力學的影響3376.11接觸界麵光學特性對動力學的影響3446.12不同染料分布條件對動力學的影響346參考文獻350第7章染料敏化太陽電池結構設計與模擬3647.1染料敏化太陽電池的工作原理3647.2染料敏化太陽電池性能參數3657.2.1短路電流3657.2.2開路電壓3667.2.3填充因子3667.2.4光電轉換效率3667.3大麵積染料敏化太陽電池結構設計3677.4大麵積染料敏化太陽電池性能模擬3697.4.1光吸收及電子傳輸3697.4.2DSC電荷傳輸379參考文獻394第8章染料敏化太陽電池性能測試及組件應用3978.1染料敏化太陽電池光伏性能測試3978.1.1大氣質量與太陽光譜3978.1.2染料敏化太陽電池的測試參數3988.1.3染料敏化太陽電池的測試原理4008.1.4染料敏化太陽電池的測試標準4028.1.5染料敏化太陽電池光伏性能的多通道實時監測4038.1.6測試環境對染料敏化太陽電池光伏性能的影響4058.2染料敏化太陽電池組件的應用4088.2.1獨立光伏陣列的應用與技術4088.2.2建築一體化的應用與設計4148.2.3光伏農業一體化的應用416參考文獻417

精彩書摘

　　第1章導論　　能源是人類社會賴以生存和發展的重要物質保障，是國民經濟和社會發展的基礎。隨著化石能源的日趨枯竭和全球對溫室效應的關注，開發利用清潔可再生能源正成為現在和未來世界能源科技發展的主鏇律。　　整個化石燃料開采峰值將在21世紀中葉前到來，人類能源結構在21世紀前半期將發生根本性的變革。化石燃料開采峰值距今隻有二十幾年，常規能源（煤電或水電）發電成本逐年升高，人類能源麵臨著非常緊迫的替代形勢。　　可再生能源資源豐富、發展前景明確、技術爭議較少。開發利用可再生能源，既是解決當前能源供需矛盾的重要措施：可節約和替代部分化石能源，促進能源結構的調整，減輕環境壓力；也是實現未來能源和環境可持續發展，保障國傢能源與環境安全，發展低碳經濟，促進我國經濟與社會可持續發展的必然戰略選擇。　　2009年底的哥本哈根會議使“節能減排”和“低碳”等概念深入人心，使全球經濟的發展方嚮和導航標轉嚮瞭低碳經濟。光伏發電作為一種清潔的可再生能源，是未來低碳社會的理想能源之一，受到世界各國的廣泛重視。　　作為可再生能源的重要應用領域，太陽能光伏發電在過去10年中得到瞭快速的發展，並且太陽能光伏作為未來世界能源的主要來源，要堅定不移地發展下去。為瞭應對氣候變化，我國提齣瞭到2020年非化石能源滿足一次能源消費15%的目標，以及碳排放強度降低40%～50%的約束性指標，而發展可再生能源、走低碳經濟之路，是實現這一遠大目標的必然途徑。我國接收到的太陽能總輻照量數量驚人，除部分區域日照時數較低外，多數地方可以發展光伏發電。　　1.1太陽電池發展概況　　太陽電池是一種利用太陽光直接發電，能實現光電轉換的裝置或器件。隻要有光照到電池上，電池就可輸齣電壓及電流，在物理學上稱為太陽能光伏，簡稱光伏［photovoltaics，是由photo（光）和voltaics（伏打）兩個單詞組閤而成的，縮寫為PV］。　　1.1.1太陽電池發展簡史　　太陽電池發展曆史可以追溯到1839年，當時的法國物理學傢Alexandre-Edmond Becquerel發現瞭光生伏打效應（photovoltaic effect），從此人們開始瞭對“光生伏打效應（簡稱光伏效應）”的研究。　　1883年，美國Fritts在一個金屬襯底上製作齣瞭第一個大麵積（30 cm2）太陽電池。　　19世紀後期，維也納大學的Moster第一次報道瞭染料敏化的光電效應。　　1930年，肖特基（Schottky）首次提齣瞭Cu2O勢壘的光伏效應理論。同年，朗格（Longer）首次提齣可以利用光伏效應製造太陽電池，使太陽能變為電能。　　1954年，第一個具有實用價值的單晶矽pn結太陽電池研製成功，幾個月後此類電池的效率提高到6%。此後不久，商業矽電池便被用於航天領域。　　1959年，美國Hoffman公司推齣瞭效率為10%的商業化矽電池。　　1960年，首次實現矽太陽電池並網發電。　　20世紀60年代，CdTe薄膜電池獲得6%的光電轉換效率。　　1967年，第一塊GaAs電池製備成功，效率達到9%。　　1974年，非晶矽太陽電池研製成功。　　1980年，第一個效率大於10%的CuInSe電池在美國製成；RCA公司的Carlson研製齣瞭效率達8%的非晶矽太陽電池。　　1981年，在沙特阿拉伯建立瞭350 kW的聚光電池矩陣。　　1982年，美國加利福尼亞安裝瞭第一個1 MW的實用光伏電站。　　1990年，德國提齣瞭“2000個光伏屋頂計劃”，這標誌著太陽電池並網發電技術日趨成熟。　　1991年，瑞士洛桑的Gr�|tzel教授提齣瞭納米多孔薄膜染料敏化太陽電池，其效率達到7.1%，使染料敏化太陽電池的研究獲得瞭突破性的進展。　　1993年，納米多孔薄膜染料敏化太陽電池效率達到10%。　　1997年，美國“剋林頓總統百萬屋頂計劃”、日本“新陽光計劃”、荷蘭政府“荷蘭百萬屋頂計劃”相繼啓動。同年，光伏電池産能達100 MW。　　1999年，全球纍計建立光伏電站達1 GW。　　2002年，澳大利亞STA公司建立瞭世界上首個麵積為200 m2的染料敏化太陽電池顯示屋頂，充分體現瞭染料敏化太陽電池未來的工業化前景。　　2002年，全球纍計光伏裝機容量達2 GW。　　2012年底，全球纍計光伏裝機容量達到瞭95 GW。　　2013年，全球纍計光伏裝機容量102.16 GW。　　從1954年光伏電池首次齣現到全球纍計建立光伏電站達1 GW，共用瞭45年的時間，而從1 GW到第二個1 GW，僅用瞭3年的時間；　　2013年，全球新增裝機容量達到37 GW，纍計裝機容量達到137 GW。2013年，中國新增裝機容量為11 GW，位居全球第一位，纍計裝機約18 GW，位居全球第二位；德國的太陽能光伏發電容量已達到約36 GW，為全球光伏發電發展起到瞭重要的示範作用。許多國際機構研究認為，太陽能將是未來能源供應的主體，預計到21世紀末，太陽能將占到全部能源消費的50%以上。　　1.1.2太陽電池發展現狀　　自1954年第一塊具有實用意義的太陽電池被研製齣來後，經過近大半個世紀的研究和攻關，各種太陽電池都取得瞭長足的進步，電池效率得到瞭顯著的提高。同時，電池組件效率也大幅提高，部分電池已實現瞭實用化，或正在進行實用化研究與攻關。錶1.1為各類太陽電池截至2013年7月取得的經過第三方認證的電池效率一覽錶。　　1.1.3太陽電池應用概況　　太陽能光伏發電具有十分明顯的優勢。一是資源豐富且不會枯竭，是可再生清潔能源。特彆是光伏發電過程不耗水，因此光伏電站建設不受水資源製約，可以在空閑土地上，特彆是可以在沙漠上建設光伏電站。二是光伏電池安裝建設簡單、裝機規模靈活、運行管理方便，既可以利用空曠場地進行建設，也可以與建築結閤建設，幾乎不需要進行運行維護，開發利用的潛力很大。三是光伏發電的輸齣特性與用電負荷特性相吻閤，即光伏發電在太陽光照最強的中午時段輸齣最大，而此時也正是用電的高峰時段，可有效減輕電力係統的調峰壓力，利於優化電力係統運行，節約不可再生的化石能源資源，實現節能減排目標。　　2010年全球光伏産業急劇增加。大批新增産能的投入，極大地擴充瞭光伏市場的供應量。2011年，全球新增光伏裝機容量為29.6 GW，與2010年的16.8 GW相比增長76.2%。從全球太陽能光伏發電的生産廠商來看，截至2010年底，全球光伏電池産量排名前五位的廠商分彆為河北晶澳公司、美國First Solar公司、無锡尚德公司、保定英利公司和常州天閤公司，産能分彆為1500 MW、1300 MW、1200 MW、1000 MW和930 MW。可以說，從2010年開始，世界太陽能光伏企業的競爭正式升級至吉瓦（GW)級。圖1.1為我國太陽能光伏裝機容量情況。　　近幾年來，麵對時代機遇，世界各國紛紛製訂光伏産業發展計劃。目前光伏電池産業在全球呈現高速增長，多元化需求局麵已經齣現。並網發電依然占市場需求主體，光伏與建築一體化將成為未來發展趨勢。2010～2020年，預計全球光伏産業年增長率將達34%，年安裝量將達到11.34 GW。據相關預測，2030年，太陽能光伏發電占世界總電力供應比例將達到10%以上；到21世紀末，太陽能光伏發電所占比例將更高，預計會突破60%。中國《新能源産業振興和發展規劃》明確提齣：太陽能發電裝機規模在2020年達到20 GW。但在2012年國際太陽能市場發生巨大變化的時候，國傢能源局實時調整太陽能發展計劃，國傢能源局發布的《太陽能發電發展“十二五”規劃》明確指齣：到2015年底，我國太陽能發電裝機容量達到35 GW以上。這些數字足以描繪齣太陽能光伏産業未來廣闊的發展前景，同時，明確國傢新能源發展的路綫圖，構建新能源經濟政策體係，加強新能源産業的布局和監管等對未來光伏健康發展至關重要［2］。　　1.2太陽電池分類及其應用簡介　　1.2.1太陽電池分類　　太陽電池是光伏發電係統的核心。從技術的發展程度來區分，太陽電池可分為以下幾個階段：第一代太陽電池，晶體矽電池；第二代太陽電池，包括非晶矽薄膜太陽電池（a-Si）、碲化鎘太陽電池（CdTe）、銅銦鎵硒太陽電池（CIGS）、砷化鎵太陽電池（GaAs）、染料敏化太陽電池（DSC）等；第三代太陽電池，各種疊層太陽電池、熱光伏電池（TPV）、量子阱及量子點超晶格太陽電池、中間帶太陽電池、上轉換太陽電池、下轉換太陽電池、熱載流子太陽電池和碰撞離化太陽電池等新概念太陽電池。　　按電池結構劃分，太陽電池可分為晶體矽太陽電池和薄膜太陽電池。　　按照使用的基本材料不同，太陽電池可分為矽太陽電池、化閤物太陽電池、染料敏化電池和有機薄膜電池等幾種。　　（1） 矽太陽電池。　　矽太陽電池依據矽的結晶形態又可分為單晶矽太陽電池、多晶矽太陽電池和非晶矽太陽電池三種。單晶矽太陽電池轉換效率較高，技術也最為成熟。多晶矽太陽電池與單晶矽比較，成本低廉，並且效率高於非晶矽太陽電池。非晶矽薄膜太陽電池成本低、質量輕，便於大規模生産，有較大的潛力。　　（2） 砷化鎵太陽電池。　　單結砷化鎵Ⅲ-Ⅴ族太陽電池的轉換效率可達28%，抗輻照能力強，但價格不菲，基本僅限於太空等特殊使用。　　……

前言/序言

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