太阳能光电化学转换研究的回顾与展望[1](4)

太阳能光电化学转换研究的回顾与展望

件下，两者发生能量传递和电子转移，产生了光敏化纳晶TiO2的协同效应。使600－800nm长波区的量子产率显著增加，在光电流、光电压、填充困子和转换效率等电他的性能参数上都有明显提高，说明有机光敏染料的协同敏化可以提高采光效率和光电性能，这比设计合成多元有机染料的方法更为简捷、易行。

（2）增强有机光敏染料与纳米半导体表面的相互作用，提高电子注入效率

联吡啶钌的吸附功能基团与纳晶TiO2薄膜表面的Ti原子相互作用形成电子耦合，大大促进光激发下的电荷转移过程。通过设计合成具有强吸附取代基团的联吡啶钌和纳晶TiO2薄膜表面的化学处理改性达到增强两者相互键合能力，使电子注入的量子产率得到提高。如羧基取代基与Ti原子通过螯合，或桥键、酯键方式键合产生了强相互作用。键合能力其次是磷酸基，羟基和酯基较弱。吸附基取代位置的不同，因分子结构的空间位阻效应对染料分子的激发态和基态能级的改变和吸附性能也有很大影响。羧基取代基在4，4，位置的联吡啶钌与纳晶TiO2薄膜表面相互作用增强，空间位阻较小，敏化后光电流效率大大高于其它吸附基团取代的联吡啶钌。纳晶TiO2薄膜的表面化学处理后从红外光谱上证明其Ti原子与染料分子的螯合和桥键合作用增强，使光电流效率进一步增大，说明这也

是增强相互作用提高电子注入效率的一条有效途径。

（3）有机染料／纳米半导体复合薄膜电极的表面修饰抑制界面复合反应

染料激发态注入纳晶TiO2导带的电子与电解液中氧化还原离子的界面暗态复合反 应，导致光电压下降是影响光电转换效率的重要原因。用单臂紫精和四特丁基吡啶对联吡啶钌敏化的纳晶TiO2薄膜进行表面修饰，使界面暗态电荷复合反应速度大大下降，暗电流明显减小。在不影响光电流情况下光电压提高约100mV

左右，填充因子和光电转换效率也都有明显提高。

与此同时，对电极载铂技术，改善电解液的质量传递及电解液固体化的研究都有很 大进展。小面积电池（≤1cm2的光电转换效率达到7％－9％，大面积电池（～50cm2）和电池的组合工艺都已开展研究。在以上研究基础上，目前正在加强应用性研究，加快工艺研究的步伐，使光电化学低价、高效转换太阳能的目标得以

早日实现。

我国太阳能光电化学转换的研究以实现低价高效利用太阳能为目标，二十年来在不 同材料体系中研究了上百种材料，大大促进了光电转换材料特别是多晶、薄膜半导体及新一代纳米结构半导体和有机／半导体复合材料的发展。相应的一些可实用的关键技术也迅速涌现，如电极表面化学修饰作为提高电极光电性能的可行技术已得到广泛应用。虽然多数的研究尚处于实验室阶段，但从近期的研究分析，有机／纳米复合薄膜光电化学电池在发展低价高效太阳电池上有很强的竞争力和生命力。目前无论从达到的性能技术指标和应用研究的进展上都显示了它即将进入应用领域，标志着实现光电化学转换太阳能已不再是很遥远的事情。

太阳能光电化学转换研究的回顾与展望

太阳能简介

1.1 太阳能简介

太阳能是太阳内部连续不断的核聚变反应过程产生的能量。地球轨道上的平均太阳辐射强度为1367kw/m2。地球赤道的周长为40000km，从而可计算出，地球获得的能量可达173,000TW。在海平面上的标准峰值强度为1kw/m2，地球表面某一点24h的年平均辐射强度为0.20kw/m2，相当于有102,000TW 的能量，人类依赖这些能量维持生存，其中包括所有其他形式的可再生能源（地热能资源除外）虽然太阳能资源总量相当于现在人类所利用的能源的一万多倍，但太阳能的能量密度低，而且它因地而异，因时而变，这是开发利用太阳能面临的

主要问题。太阳能的这些特点会使它在整个综合能源体系中的作用受到一定的限制。

太阳是一个巨大、久远、无尽的能源。尽管太阳辐射到地球大气层的能量仅为其总辐射能量（约为3.75×1026W）的22亿分之一，但已高达173,000TW，也就是说太阳每秒钟照射到地球上的能量就相当于500万吨煤。下图是地球上的能流图。从图上可以看出，地球上的风能、水能、海洋温差能、波浪能和生物质能以及部分潮汐能都是来源于太阳；即使是地球上的化石燃料（如煤、石油、天然气等）从根本上说也是远古以来贮存下来的太阳能，所以广义的太阳能所包括的范围非常大，狭义的太阳能则限于太阳辐射能的光热、光电和光化学的直接转换。

地球上的能流图（单位106MW）

太阳能既是一次能源，又是可再生能源。它资源丰富，既可免费使用，又无需运输，对环境无任何污染。但太阳能也有两个主要缺点：一是能流密度低；二是其强度受各种因素（季节、地

点、气候等）的影响不能维持常量。这两大缺点大大限制了太阳能的有效利用。

人类对太阳能的利用有着悠久的历史。我国早在两千多年前的战国时期就知道利用钢制四面镜聚焦太阳光来点火；利用太阳能来干燥农副产品。发展到现代，太阳能的利用已日益广泛，它

包括太阳能的光热利用，太阳能的光电利用和太阳能的光化学利用等。

1.2 太阳的构造

太阳是一个炽热的气态球体，它的直径约为1.39×106km，质量约为2.2×l027t，为地球质量的3.32×105倍，体积则比地球大1.3×106倍，平均密度为地球的1/4。其主要组成气体为氢（约80％）和氦（约19％）。由于太阳内部持续进行着氢聚合成氦的核聚变反应，所以不断地释放出巨大的能量，并以辐射和对流的方式由核心向表面传递热量，温度也从中心向表面逐渐降低。由核聚变可知，氢聚合成氦在释放巨大能量的同时，每1g质量将亏损0.00729。根据目前太阳产生核能的速率估算，其氢的储量足够维持600亿年，因此太阳能可以说是用之

不竭的。

太阳能光电化学转换研究的回顾与展望

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太阳的结构如上图所示。在太阳平均半径23％（0.23R） 的区域内是太阳的内核，其温度约为8×106～4×107K，密度为水的80～100倍，占太阳全部质量的40％，总体积的15％。这部分产生的能量占太阳产生总能量的90％。氢聚合时放出γ射线，当它经过较冷区域时由于消耗能量，波长增长，变成X射线或紫外线及可见光。从0.23～0.7R的区域称为“辐射输能区”，温度降到1.3×105K，密度下降为0.079g/ cm3。0.7～1.0R之间称为“对流区”，温度下降到5×103K，密度下降到10-8g/cm3。 太阳的外部是一个光球层，它就是人们肉眼所看到的太阳表面，其温度为5762K，厚约500km，密度为10-6g/cm3，它是由强烈电离的气体组成，太阳能绝大部分辐射都是由此向太空发射的。光球外面分布着不仅能发光，而且几乎是透明的太阳大气， 称之为“反变层”，它是由极稀薄的气体组成，厚约数百公里，它能吸收某些可见光的光谱辐射。“反变层”的外面是太阳大气上层，称之为“色球层”，厚约1～1.5×104km，大部分由氢和氦组成。“色球层”外是伸入太空的银白色日冕，温度高达1百万度，高度有时达几十个

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