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新能源中的太陽能怎么存儲和發電
發布時間：2023-02-16 瀏覽量：1750
隨著傳統不可再生能源的日趨枯竭和工業化社會的不斷發展，新型能源受到了越來越多的研究關注。太陽能作為一種清潔可再生能源，取之不盡，用之不竭，合里地開發利用太陽能成為當前國內外研究者們的研究熱點。發展新型太陽能電池材料與高性能器件是大規模發展太陽能電池的關鍵，也是這一領域研究的重點和難點之一。太陽能電池主要分為染料敏化太陽能電池(dye-sensitized solar cells,DSSCs)與量子點敏化太陽能電池 (quantum-dot sensitized solar cells，QDSSCs)兩種。DSSCs 主要由敏化的光陽極、對電極和電解液三部分組成。在 DSSCs中，常用的光吸收劑主要是有機染料，如以金屬釕(Ru)為配位的有機染料 N719[二(四丁基銨)-雙(異硫氰基)雙 (2,2'- 聯吡啶 -4,4'- 二羧基)釕(II)]、N3[雙(異硫氰基)雙(2,2'- 聯吡啶基 -4,4'- 二羧基)釕(II)]，以及葉綠素中的主要成分卟咻等。通過將染料吸附于光陽極材料上，可以增強電池對光子的捕獲能力。QDSSCs 是將 DSSCs 中的有機染料取代為具有一定光吸收能力的無機量子點材料，并采用多硫電解質體系和金屬硫化物對電極組裝而成的一類太陽能電池。作為敏化太陽能電池的重要組成部分，光陽極的性能決定了電池的效率。
納米TiO2是目前性能最為優良的 DSSCs 光陽極材料。復合結構的引入能有效增加陽極膜的表面面積，且由于其多級的光散射作用，有利于提高光的收集效率;同時，薄膜中引入復合結構，為電子提供了快速、方便的傳輸通道，從而能夠有效改善電池的性能。因此，復合結構TiO2光陽極的制備是非常重要的研究發展方向。Du等使用表面活性劑 P123 和聚苯烯球雙模板技術，合成了多級有序的大孔/介孔 TiO2薄膜，并將其與 P25 多孔薄膜復合，形成雙層結構的 DSSCs光陽極。大孔/介孔 TiO2薄膜層的引入，有效地提高了光陽極對太陽光的散射以及捕獲能力，從而提高了 DSSCs 的光電轉化效率，與使用單一 P25 光陽極的 DSSCs相比，雙層TiO2 結構的 DSSCs 所產生的短路光電流密度從 7.49 mA/cm3上升到了10.65 mA/cm3，開路電壓從0.65V 提高到了0.70V。在太陽光強度為 AM1.5(AM：air-mass，指光線通過大氣的實際距離比上大氣的垂直厚度)時所測得的光電轉化效率表明，雙層TiO2結構的 DSSCs 的光電轉化效率為 5.55%，比單層P25 結構的DSSCs 的光電轉化效率提升了 83%。Zhu 等合成了氧化鈦納米棒- 納米顆粒復合介孔結構，作為染料敏化太陽電池的光陽極，這種結構材料的光伏轉換效率達到2.51%，在 TiCl4表面處理后其轉換效率進一步提高到 3.25%，遠高于純氧化鈦納米棒的 1.11%。Park 等通過溶膠-凝膠支連法制備了 TiO2微球多級孔電極，與普通的 TiO2納米晶薄膜電極 (2.4%)相比，轉化效率大幅提高至 3.3%。Cho 等采用膠體顆粒作為介孔模板及平板印刷形成大孔的雙模板方法，制備了大孔 - 介孔電極，其光電性能為 5.0%。Hwang 等采用靜電噴霧技術合成了多級介孔 TiO2微球電極(圖13-7)，電極的轉換效率超過 10%。為了更好地提高多級孔TiO2光陽極的光電轉換效率，Yu 等采用自組裝的方法制備了多級“大孔- 介孔”TiO2薄膜，其光電轉換效率達到了 6.7%。針對現階段多級結構微米球內孔徑調控和微米球中顆粒尺寸及吸附能力之間的矛盾問題，在微米球制作過程中不需要借助模板劑的條件下，Ding 等簡單地通過控制乙醇、去離子水和氨水的摩爾比，調節了TiO2微米球的形貌、球內孔徑分布及納米顆粒的結晶性。更為重要的是，該方法克服了目前為了增加微米球內孔徑尺寸，不可避免地要“犧牲”微米球比表面積，進而降低微米球吸附能力的難題，將基于微米球的多孔薄膜比表面積可控在 110 m2/g以上，微米球內平均孔徑直徑由 10 nm 提高到16 nm 以上，從而可實現整個微米球內染料分子的全吸附和電解質的快速擴散。基于這種結構的亞微米球染料敏化太陽能電池光電轉換效率達到了 11.67%。
ZnO 是一種性能優異的環保半導體材料，具有合成原材料來源豐富、制備條件簡單、形貌結構易調控等優點，被廣泛應用于能源、信息、環境等領域。在DSSCs/QDSSCs 中，ZnO 通常被用作光陽極材料，負載光吸收劑，同時接收和傳輸電子。利用其結構易控制的優點，一系列不同的 ZnO 納米結構，如納米球、納米線、納米片或納米花等被用于敏化太陽能電池的光陽極，極大地提高了敏化太陽能電池的性能。Tian 等通過將 ZnO 種子溶液涂覆在氧化錫銦 (ITO)玻璃上，使得 ZnO 納米棒 (ZnO NRs)可以生長在ITO的表面，然后再將其浸入用于制備ZnO納米片(ZnO NSs)的前驅體溶液中，使 ZnO NRs 表面被 ZnO NSs 覆蓋，最終得到了沉積 ZnO NRs-NSs 結構的 QDSSCs的光陽極。混合結構的 ZnO NRs-NSs的比表面積(31.5 m2/g)要明顯大于單一 ZnO NRs 結構的(14.3 m2/g)，說明 ZnONRs-NSs 結構對增加QDs 的沉積量有明顯的促進作用。Zhang 等制備的ZnO聚集體，通過持續的加熱攪拌，在溶液中直接合成了由直徑 15 nm 的顆粒聚集而成的、直徑為 100~500 nm 的聚集體，由其制得的DSSCs 的光電轉換效率可以達到 5.4%。在此基礎之上，Ko等通過單一的納米線結構制備出復雜的納米樹形(nanotree)結構，由此制得多級納米森林 (nanoforest)形貌的光陽極膜(圖13-8)，很好地彌補了納米線比表面積低的不足。同時，使得光陽極電子復合機會進一步減小，所制備的基于 ZnO 納米森林結構的電池光電效率達到了普通納米線結構電池的 5 倍以上。除了使用化學合成方法制備具有較大比表面積的 ZnO 多級復合結構，Xie 等采用電沉積的方式直接在ITO 玻璃上制備出了 ZnO納米材料，并且通過調節制備合成原料 ZnCl2的濃度，控制了 ZnO 材料的結構。當 ZnCl2溶液增加至一定濃度后，ZnO 從納米棒結構轉變為納米片結構，并進一步形成 3D的NS網絡結構，成功提高了 DSSCs 的效率(NR 結構的 PCE = 1.15%，3D 結構的 PCE =1.59%)，其電池性能的提高主要歸功于片狀結構對比表面積的增加作用。在電池效率的提高方面，Kilic 等通過水熱法制備的 ZnO 納米花 (nanoflowers，NF)結構也表現優異，DSSCs 的效率達到了 5.119%。ZnO NF 結構規整，每一個NF 顆粒都擁有眾多的枝杈，這些枝杈一方面極大地增加了比表面積，另一方面也是電子傳遞的通道，與相同實驗條件下制得的 ZnO 納米線光陽極電池(PCE = 2.222%)相比，其性能更為優異。
此外，Jiang 等設計制備出了由 ITO 納米線芯層與 Cu2S 納米晶殼層組裝而成的ITO@Cu2S 納米線陣列，使用這種具有三維導電網絡結構的材料制備的QDSSCs 表現出優于傳統材料的優異性能。通過優選 Cu2S 納米晶殼層的構筑方法深入研究其組裝結構中 ITO 納米線芯層與 Cu2S 納米晶層間界面對電池性能的影響，進一步提高了電池的轉換效率。在此基礎上，通過網絡化多級組裝設計，在ITO@Cu2S 納米線陣列結構基礎上進行了二級和三級結構的組裝，進一步使基于這種對電極材料的 QDSSCs 的轉換效率提升至 6% 以上。這種新型對電極材料在電池運行時可有效形成隧道結，通過降低器件的串聯電阻，提高并聯電阻以及填充因子，大大提高了電池的轉換效率，而且解決了傳統金屬銅/硫化亞銅易脫落、無法穩定工作的難題。
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