TiO2纳米材料的光伏应用

温耐

摘 要：TiO2纳米材料因为其独特的结构特性在许多方面得以应用。该文主要综述了TiO2纳米晶电极、TiO2纳米二极管在太阳能电池中的光伏应用，为降低能量损耗和提高太阳能电池的效率提供了新的思路和方法。

关键词：TiO2纳米材料 光伏应用 太阳能电池 纳米晶电极

中图分类号：TB383.1 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2016）12（a）-0044-02

TiO2纳米材料因其具有大比表面积、高表面活性及灵敏性等独特结构及优异性能受到了广泛关注，并且在许多方面取得了成功的应用。TiO2纳米材料作为一种重要的无机功能材料在太阳能电池这一领域有着非凡的效果，因为它的发展使得太阳能电池的光电转换效率得到了极大的提升，为开发新的可持续环保型能源提供了重要的手段。

1 在染料敏化太阳能电池中的应用

基于TiO2纳米晶电极，染料敏化太阳能电池（DSSC）得到了广泛的研究。DSSC系统的心脏是一个电荷转移附着在单层介孔TiO2纳米薄膜，该膜与氧化还原电解质或有机孔导体接触，光激发的电荷注入TiO2的导带，电子可以传导到外部电路来驱动负载。电荷的原始状态随后由电解质捐赠电子恢复，电解质通常是含有氧化还原系统的有机溶剂。

在过去的几十年里，研究人员努力提出大量优化的有机染料提高DSSC的效率，而近年来研究方向主要集中在TiO2纳米晶电极，并取得了一些重要结果。

1.1 介孔TiO2纳米电极

Zukalova等人发现有序介孔TiO2纳米晶薄膜与随机取向的相同厚度的锐钛矿型纳米晶传统薄膜相比提高了50%的转换效率[1]。

1.2 TiO2纳米管电极

Adachi等发现无序单晶TiO2纳米管电极（10 nm直径，长度30～300 nm）染料敏化太阳能电池，显示效率为4.88%，与那些在类似的薄膜厚度区域的P25 TiO2纳米粒子电极相比显示出了超过两倍的短路电流密度，TiO2纳米管基电极的太阳能电池效率更高[2]。

1.3 倒生的TiO2蛋白石

固态染料敏化太阳能电池获得的效率比较低是由于进入到TiO2纳米薄膜里面的材料渗透性比较差和空穴传输层与TiO2电极产生的非接触。Somani等人提出一种提高固态染料敏化电池效率的方法，使用大的表面积的TiO2反蛋白石薄膜制备固态染料敏化有机无机杂化太阳能电池电极。反蛋白石TiO2薄膜的使用与TiO2薄膜相比会使得光转换效率至少提高1级以上，研究发现蛋白石电池更好的性能是由于TiO2介孔薄膜允许空穴传输，材料很容易就渗透到广泛、良好的连通孔隙中，且允许与染料良好接触，因此电池的效率最好。

1.4 混合TiO2纳米电极

Han等发现一个混合的锐钛矿相和金红石TiO2电极与纯锐钛矿组成的电池相比较，太阳能电池转换效率得到提高[3]。

染料敏化太阳能电池转换效率降低是由于感光电子氧化染料分子的重组损失或者纳米TiO2表面的氧化还原，已经采取了各种各样的方法来防止这种损失。Kang等人在TCO基板和TiO2层之间添加一个TiO2-WO3复合材料的缓冲层并且发现缓冲层有效地隔离染料分子和电解质直接接触导电基板。

染料敏化太阳能电池的操作条件下，电子需要扩散到周围的TiO2层的在距离电子受体只有几纳米的几微米深处。TiO2层的多孔结构提供了大量的表面积，允许吸收足够的染料分子达到显著的光学密度。然而，这种结构也提高了复合过程，也降低了DSSC的总转换效率。已经证明核壳纳米TiO2电极组成的纳米TiO2薄膜表面覆盖着的另一层金属氧化物TiO2表面形成的能量势垒使重组变得缓慢。Zaban等人发现，TiO2/Nb2O5多孔电极可提高染料敏化太阳能电池性能的35%[4]。

2 在金属/半导体结的Schottky二极管太阳能电池中的应用

McFarlanda和Tang报道，一个多层光伏器件结构中光子的吸收发生于沉积在超薄金属/半导体的肖特基二极管表面的光感受器上[5]。

光子器件的电子发生转换有4个步骤：第一步，光的吸收发生在吸附的感光细胞表面，产生高能电子；第二步，激发态感光电子被注射到相邻的导电水平的导体，它们以费米能级为Ef=1E的能量弹道学地穿过金属；第三步，假如1E大于Schottky势垒高度f，载流子的平均自由程比金属厚度长，电子穿过金属进入半导体传导水平（内部电子发射）；第四步，被吸收的光子的能量被保存在剩下的自由能过剩的电子，当被后面的欧姆接触收集产生光电压V。热化电子转移使在相邻的金属态Ef附近的光氧化染料被还原。这种替代光伏能量转换的方法可以为使用各种材料、耐用的低成本太阳能电池提供依据。

3 掺杂TiO2纳米材料为基础的太阳能电池

Lindgren等发现N-TiO2掺杂的纳米多孔薄膜显露出波长在400～535 nm范围的可见光吸收，生成一个与电流效率响应的射光子光谱。为了获得最佳的氮掺杂TiO2电极，相比纯TiO2电极行为由于可见光增加约200倍的中等偏差，就产生了光生电流。

4 结语

TiO2纳米材料在太阳能电池中的应用很大程度地提高了太阳能电池的光电转换效率，从而尽可能地降低了能量损耗的问题，给新能源的开发提供了可行的思路。TiO2纳米材料在光伏应用中非常活跃，在寻找可再生清洁能源技术中扮演着重要的角色。

参考文献

[1] 赵斌，胡益锖，杨森，等.太阳能综述[J].化工装备技术，2012（1）：57-64.

[2] 虞华，郭宗林，陈光亚，等.新能源产业现状及发展趋势[J].中国电力，2011（1）：83-85.

[3] 许平昌，柳阳，魏建红，等.溶剂热法制备Ag/TiO2納米材料及其光催化性能[J].物理化学学报，2010（8）：2261-2266.