染料敏化太阳能电池中的染料共敏化行为研究(2)
料硅的价格昂贵，生产成本很高，而且对材料的纯度要求也很高，所以这种电池无法大规模
的使用。所以一种工艺简单、价格便宜、转换效率高的新型太阳能的出现是必然的，而染料
敏化太阳能电池在一定程度上能很好的解决上述问题。
对于 DSSC 的研究最早可以追溯到上世纪 60 年代， 德国科学家H.Gerischer， H.Tributsch，
Meier 及R.Memming 等人无意间发现染料吸附在半导体上能在一定条件下产生电流。但由于
当时染料敏化太阳能电池的光电转换效率一直很低，所以染料敏化太阳能电池在早期研究时
并没有得到人们的重视。 直到1991年， 瑞士洛桑高等工学院(EPFL)的Brian O’Regan和Grätzel
M.教授等人发明了染料敏化太阳能电池[1]，光电转化效率高达 7.1%，而且由于其制作成本较低廉，引起了全世界的关注。在此后的十几年间，研究工作者竭力改进染料敏化太阳能电池
的电池构造以及运作机理， 使染料敏化太阳能电池的研究得到了快速、 稳步的发展。 虽然 13%
的转换效率远远低于多晶硅太阳能电池 15%～18%[2]的效率，但是作为一种新型的太阳能电池，其廉价的生产成本（约为硅电池的 1/5~1/10[3]）以及其简单的制作工艺，已经让染料敏化
太阳能电池取代半导体硅太阳能电池成为可能。最近研究成果显示，现在染料敏化太阳能电
池的转换效率能达到 13%左右，但是它的制造成本仅为半导体硅太阳能电池的 10%~20%。
但是 DSSC 电池作为一种新型能源依然有以下几个问题有待学者们去解决： （1）优化
DSSC 的电池结构，以达到更高的光转换效率和更强的适应性。 （2）发现更加合适的固态电
解质以替代现阶段所用的液态电解质，以求更大程度的提高 DSSC的稳定性； （3）研究发现
性能稳定、光响应波谱反应宽的光敏化染料、生产成本低的电极材料。因此解决染料敏化太阳能电池的电极材料、电解质、光敏化染料等的技术问题依然需要广大科学工作者为之付出
不懈的努力，将更加清洁的、高效的、方便的能源带入寻常百姓家是人类共同的愿望，也是
人类全面、协调、可持续发展的必然结果[4~6]。
在 DSSC中的单个理想染料应该吸收全部可见光并流畅的转移电子到 TiO2电极，但是在
实际实验中几乎不可能合成出这样的完美的单一染料。能够在整个紫外到近红外这么宽的谱
段内，对太阳光都具有很强的吸收，如此完美的染料还未被制造出来。现在的一个主要问题
是在长吸收光谱中使用单个染料的时候，因为染料最低的空的分子轨道接近 TiO2组织，所以
从染料中注射电子到 TiO2电极中是非常困难的。无论如何，众所周知一个混合染料有不同的
吸收光谱。因为电子传输会发生在两种染料之间，所以从染料之间注入电子仍然十分困难。
尽管如此，DSSC 混合染料共敏化太阳能电池实现高性能也是有可能的。实验发现，使用两
个或两个以上光吸收能力互补的光敏化染料作为共敏化剂敏化TiO2电极，可以弥补单一染料
吸收波长谱段太窄或者吸收强度不大的缺陷，从而拓宽电池的光电响应范围或者增强电池对
光的吸收能力。要获得高效的共敏化染料，所选取的染料必须具备以下三个特点[7]：（1）染料要容易吸附在电极表面；（2）染料的激发态电子与电极的导带电位相互匹配；（3）各染
料的光吸收能力可以很好的互补。
Hayase 教授课题组采用 CO2气氛下快速吸附 N749 黑染料black dye（BD） ，其余部分吸
附 NK3705 染料的方法，实现了TiO2多孔膜上的双染料吸附效应，使得最终的电池短路电路值达到 21.8 mA cm-2