液晶稳定染料敏化太阳能电池，工作温度高达120℃（附原文） 

诸平

染料敏化太阳能电池(Dye-sensitized solar cells简称DSCs)的主要优势是：原材料丰富、成本低、工艺技术相对简单，在大面积工业化生产中具有较大的优势，同时所有原材料和生产工艺都是无毒、无污染的，部分材料可以得到充分的回收，对保护人类环境具有重要的意义。自从1991年瑞士洛桑高工(EPFL)M. Grtzel教授领导的研究小组在该技术上取得突破以来，欧、美、日等发达国家投入大量资金研发。

  DSCs主要由纳米多孔半导体薄膜、染料敏化剂、氧化还原电解质、对电极和导电基底等几部分组成。纳米多孔半导体薄膜通常为金属氧化物(TiO₂、SnO₂、ZnO等)，聚集在有透明导电膜的玻璃板上作为DSCs的负极。对电极作为还原催化剂，通常在带有透明导电膜的玻璃上镀上铂(Pt)。敏化染料吸附在纳米多孔二氧化钛膜面上。正负极间填充的是含有氧化还原电对的电解质，最常用的是I₃^-/I^-（见图1和图2）。

DSCs与传统的太阳电池相比有以下一些优势：

(1)寿命长：使用寿命可达15-20年;

(2)结构简单、易于制造，生产工艺简单，易于大规模工业化生产;

(3)制备电池耗能较少，能源回收周期短;

(4)生产成本较低，仅为硅太阳能电池的1/5～1/10，预计每瓦的电池成本在10元以内。

(5)生产过程中无毒无污染。

经过短短十几年时间，染料敏化太阳电池研究在染料、电极、电解质等各方面取得了很大进展。同时在高效率、稳定性、耐久性、等方面还有很大的发展空间。但真正使之走向产业化，服务于人类，还需要全世界各国科研工作者的共同努力。这一新型太阳电池有着比硅电池更为广泛的用途：如可用塑料或金属薄板使之轻量化，薄膜化;可使用各种色彩鲜艳的染料使之多彩化;另外，还可设计成各种形状的太阳能电池使之多样化。总之染料敏化纳米晶太阳能电池有着十分广阔的产业化前景，是具有相当广泛应用前景的新型太阳电池。相信在不久的将来，染料敏化太阳电池将会走进我们的生活。

但是DSCs的最大不足就在于由于电解质的稳定性较差，难以在较高温度下正常工作，受温度的影响会使电池性能下降。电解质的降解或者蒸发是导致电池性能下降的重要影响因素之一。对此，日本科学家利用液晶来稳定DSCs,使其工作温度高达120 ℃，创下了DSCs工作温度的最高纪录。

据美国化学会《化学与工程新闻》（Chemical & Engineering News）网站2014年11月7日报道，液晶新电解质会使DSCs在高温下工作。图3是沟道DSCs示意图。左图是由两块掺氟氧化锡(FTO)玻璃组成，其中之一涂有二氧化钛和染料纳米颗粒作为阳极，而另一块上涂有铂（Pt）作为阴极（FTO/Pt）,中间是一种纳米结构的液晶(LC)电解质（Electrolyte）。LC分子聚集可以形成多条沟道，以便在阳极和阴极之间高效运输离子(如图3所示右侧图示)。

DSCs的优势上述已经有所介绍，即廉价、易于加工制造。但它们有一个主要缺点:无法在高温下很好的工作,这对于设计一种吸收阳光的设备来说，无疑是一道难题。现在,日本东京大学（University of Tokyo）的加藤隆志（Takashi Kato）教授等人，将液晶并入光伏电池设备,制得的太阳能电池即使在120 ℃条件下也能正常工作,这也是DSCs报告的最高工作温度。相关研究结果已经在《材料化学》杂志网站(Chem. Mater. 2014，DOI:10.1021/cm503090z) 2014年10月21日公布——Daniel Högberg, Bartolome Soberats, Satoshi Uchida, Masafumi Yoshio, Lars Kloo, Hiroshi Segawa, Takashi Kato. Nanostructured Two-Component Liquid-Crystalline Electrolytes for High Temperature Dye-Sensitized Solar Cells. Chem.Mater., DOI: 10.1021/cm503090z. Publication Date (Web): October 21, 2014.

DSCs也被称为Gratzel电池,由阳极和阴极以及电解液组成，电解液将两极分开。阳极携带二氧化钛颗粒,涂有吸收阳光的染料,在吸收阳光之后，产生光电效应，会释放出电子。电解液中的碘离子帮助从阴极将电子运输到阳极,产生电势（见图2所示）。

早期的DSCs，电解液是由含有碘离子的有机溶剂组成的。不幸的是,此液体容易泄漏和高温下易于蒸发。更近一些DSCs使用非挥发性的电解质,如聚合物等,但是这些设备无法有效地将太阳光能转化为电能。离子液体具有导电率高和挥发性低的特性,可以说是很有前途的电解质,但其在高温下的稳定性差是致命的弱点。

   所以东京大学的加藤隆志（Takashi Kato）教授和他的同事们决定创建一种更稳定的电解质，通过以碘化物为基础的离子液体与以碳酸酯为基础的分子组合形成液晶。这种液晶可以自组装成一种层状纳米结构,允许研究人员在电解质内设计有效传输离子的通道。与用于显示器的液晶不同,不是为了对电压的响应而使其发生改变。因为这种液晶在高温下保持稳定,组合电解质同样保持可行。

    双组分液晶电解质的组成是基于化合物1和化合物2的混合物，化合物1和化合物2的化学结构式以及混合形成2D液晶电解质的过程如下：

表1是含有不同电解质混合物的DSCs在30 ℃和90 ℃条件下的光伏参数^a

由表1可知，不同电解质混合物的DSCs在高温条件下的光电转换效率要高于低温条件。

加藤隆志教授于1983年和1988年在东京大学分别获得硕士和博士学位，现为东京大学教授，曾获得1993年度日本化学会青年科学家奖、2001年度威利（Wiley）高分子科学奖、2005年度JSPS一等奖等多项奖励，已发表论文数百篇，并担任Advanced Materials等多个国际知名期刊的编委。他领导的研究小组研制的液晶电解质DSCs，可以将收集到阳光中的2.7%在90℃转化为电能，而标准的DSCs在室温下的转换效率是11%~12%,但是其光电转化性能在50 ℃以上便开始下降,而国际标准要求在85 ℃条件下进行测试。加藤隆志希望将他们研制的太阳能电池的光电转换效率提高到8%～10%,这足以使其在商业上有利可图。

他打算尝试用不同的电解质材料组合来提高染料光敏太阳能电池的光电转换效率。因为加藤隆志教授认为这样不是没有可能, 液晶重组之后会使电解质聚合,在特定位置锁定一种最佳纳米结构。这样的一种固态电解质毫无疑问，是不会出现泄漏问题的,也会考虑到更易于弯曲的太阳能电池适用。

桑迪亚国家实验室（Sandia National Laboratories）的埃里克·斯波克（Erik Spoerke）说，加藤隆志教授他们研制的染料敏化太阳能电池可能在120 ℃条件下无法正常运转,但电解质的“高温稳定性意味着此太阳能设备有可能在更合理的操作温度下，电解质不太容易降解退化而使电池的光电转换效率受到影响。”

瑞士巴塞尔大学（University of Basel）的化学家埃德温·康斯特布尔（Edwin C. Constable）说,新电解液“开辟了进一步提高DSCs性能的新方法”。巴塞尔大学的凯瑟琳·豪斯克罗夫特（Catherine E. Housecroft）认为，使用“液晶为离子运输提供了一种基质，确实是一项令人兴奋的研究进展,也是一项应该引起DSC社团广泛感兴趣的研究成果。”

更多信息请浏览原文：cm503090z.pdf。