納米TIO2在太陽能電池方面的應用

利用納米尺度的半導體材料如TIO2、ZnO、SnO2等作為太陽能電池的光電極的研究是世界范圍的研究熱點，其中納米TIO2由于光穩定、無毒成為研究光電太陽能轉換電池使用最普遍的材料。

研究進展

1991年，瑞士洛桑高等工業學校的BrianORegan和GraetzelM報道了一種以染料敏化TIO2納米晶膜作光陽極的新型高效太陽能電池，從而開創了太陽能電池的新世紀，世界上第一個納米太陽能電池誕生了。

但是利用液態電解質作為空穴傳輸材料實踐中存在許多無法改進的缺陷，如由于密封工藝復雜，長期放置造成電解液泄露，電池中還存在密封劑與電解液的反應，電極有光腐蝕現象，且敏化染料易脫附等，研究者們以固態空穴傳輸材料取而代之制備出全固態納米太陽能電池，并取得可喜的成就。

1996年，Masamitsu等人利用固態高分子電解質制備了全固態太陽能電池，利用特殊的制備方法獲得了高離子導電性的電解質，得到了連續的光電流，并得到0.49％的光電轉換效率。

1998年Graetzel等人利用OmetaD作空穴傳輸材料得到0.74％的光電轉換效率，而其單色光光電轉換效率達到了33％，引起了世人的矚目，使納米太陽能電池向全固態邁進了一大步。

國際上的研究熱點之一是將單個液結TiO2納米太陽能電池串聯，以提高開路電壓。中科院等離子體物理研究所為主要承擔單位的研究項目在此領域取得重大突破性進展，2004年10月中旬建成了500瓦規模的小型示范電站，光電轉換效率達到5%。這項成果使我國大面積染料敏化納米薄膜太陽電池的研制水平處于國際領先地位，為進一步推動低成本太陽電池在我國的實用化打下了牢固基礎。

專利

國內外都公開了一些相關領域的專利，其中日本的專利數量最多。下面選取近幾年部分專利簡單介紹。

北京大學2002年5月22日公開的CN1350334納米晶膜太陽能電池電極及其制備方法，涉及一種納米晶膜太陽能電池電極及其制備方法，以寬禁帶半導體納米晶膜為基底，在該基底表面吸附一層金屬離子，再在金屬離子吸附層上吸附光敏化劑。通過金屬離子的表面修飾，改善電極的光電轉換性能，提高太陽能電池的光電轉換效率。與單純TiO2相比，基于金屬離子修飾TiO2納米晶太陽能電池的光電轉化效率提高了5～14％，可作為電極廣泛應用于太陽能領域。

東南大學2005年1月12日公開了CN1564326軟基固態染料敏化薄膜太陽能電池及制備方法。軟基固態染料敏化薄膜太陽能電池是一種成本低、制造工藝簡單、性能穩定、理論上壽命可以達到20年以上的軟基太陽能電池，該太陽能電池的結構為層狀結構，即：在透光導電聚酯片下設有TiO2納米晶膜，在TiO2納米晶膜下設有Lnpc2敏化層，在Lnpc2敏化層下設有固體電解質層，在固體電解質層下設有柔軟金屬膜背電極，在柔軟金屬膜背電極下設有高阻隔復合Al膜。

復旦大學2005年7月27日公開的CN1645632一種固態染料敏化納米晶太陽能電池及其制備方法，具體為一種采用離子液體與無機納米粒子之間的氫鍵相互作用形成的染料敏化納米晶表面組裝上固態電解質作電解質材料的太陽能電池及其制備方法。該太陽能電池中，在吸附光敏化劑的寬禁帶半導體納米晶膜的表面組裝固態電解質來代替液體電解質，解決了液體電解質的封裝問題，而且在不明顯降低電池的光電轉化效率的前提下，能夠大幅度延長染料太陽能電池的使用壽命。其中的寬禁帶半導體納米晶膜為TiO2納米晶膜。

中國科學院等離子體物理研究所就染料敏化納米薄膜太陽電池申請了多篇專利，其中2003年9月24日授權公告的3篇發明專利分別涉及到染料敏化納米薄膜太陽電池的電解質溶液、電極制備方法、密封方法等，CN1444290公開的染料敏化納米薄膜太陽電池用電解質溶液，以A、B或B、F或A、B、F為主體組分，通過復配或不復配其它四個組分中的一個或幾個組分組成電解質溶液，其中A組分—有機溶劑或混合有機溶劑；B組分—電化學可逆性好的I2/I-(即I3-/I-)氧化還原電對；C組分—光陽極的配合劑；D組分—碘化物中陽離子的配合劑；E組分—I2的配合劑；F組分—離子液體；G組分—紫外吸收劑。這種電解質溶液，具有較高的電導率、較低的粘度、良好的電化學可逆性、良好的低溫穩定性、較強的耐紫外線性能，能提高太陽電池效率，增加太陽電池壽命，本身性能穩定，對環境無污染等優點。

中國科學院等離子體物理研究所2005年9月7日公開的CN2724205大面積內部并聯染料敏化納米薄膜太陽電池，包括有上、下兩面透明基板，透明基板上有透明導電膜，透明導電膜上有導電電極與催化劑層間隔排布，另一透明導電膜上導電電極與納米多孔半導體材料塊間隔排布，納米多孔半導體材料中浸漬有染料。將兩塊透明基板疊放在一起，周邊密封成腔體，腔體中有電解液。本實用新型制作電池內部并聯電極，獲得所需要的該太陽電池輸出電流。電池密封功能好，保證了電池運行的長期穩定性。本實用新型的技術和方法操作簡單易行，價格低廉，電池性能穩定。

日本SEIKOEpSONCORp于2001年4月27日公開了Jp2001119052半導體和太陽能電池及其制備方法。傳統的濕型太陽能電池在氧化鈦電極中包含染料，對于吸收波長非常敏感，但是由于TiO2會分解這些有機染料，它的壽命達不到實用的要求。本專利將銳鈦礦型TiO2微粒燒結成多孔TiO2半導體，還包含雜質鉻或釩，解決了這個問題。

日本KANEKOMASAHARU于2003年6月24日公開了染料敏化太陽能電池及TiO2薄膜和電極的制備方法，提供了一種制備多孔TiO2薄膜的噴涂分解方法，適用性和生產率都得到保障，利用這種薄膜作太陽電池的電極可以提高了太陽電池的能量轉換率。具體方法是將一種鈦混合物添加到TiO2溶膠溶液中，得到一種原材料溶液，或將非晶TiO2溶膠溶液和銳鈦礦TiO2溶膠水溶液混合得到另一種原材料溶液。間歇地將這兩種原料溶液噴涂到基底上，在高溫下熱分解鈦混合物，在基底上形成TiO2多孔薄膜。在透明電極和TiO2多孔薄膜之間用有機鈦混合物為原材料制備一層密實的TiO2緩沖膜。

希臘LIANOSpANAGIOTIS于2004年11月4日公開了WO2004095481用納米結構有機無機材料制作的電化學太陽能電池，描述了一種固態光電化學太陽電池的結構，包括納米有機－無機材料的薄膜，可以將太陽能轉換為電能。電池的主要組成部分包括：（1）商用透明導電玻璃；（2）透明的TiO2薄膜，釕有機金屬混合物作為光敏劑；（3）由納米結構的有機－無機材料制備的固態凝膠電解液層；（4）作為陽極的商用導電玻璃，可以淀積一層鉑。

應用前景

納米TiO2太陽能電池有著可以與傳統固態光伏電池相媲美的高光電轉換率，加之價格低廉，使這種電池具有廣闊的前景和潛在的商業價值。雖然此類太陽能電池還存在一些問題，仍需進一步深入研究。但是，納米太陽能電池以其高效低價無污染的巨大優勢挑戰未來，我們相信，隨著科技發展，研究推進，這種太陽能電池應用前景廣闊無限。