新能源中的太阳能怎么存储和发电

随着传统能源的日趋枯竭和工业化社会的不断发展，新型能源受到了越来越多的研究关注。太阳能作为一种清洁可再生能源，取之不尽，用之不竭，合里地开发利用太阳能成为当前国内外研究者们的研究热点。发展新型太阳能电池材料与高性能器件是大规模发展太阳能电池的关键，也是这一领域研究的重点和难点之一。太阳能电池主要分为染料敏化太阳能电池(dye-sensitized solar cells,DSSCs)与量子点敏化太阳能电池 (quantum-dot sensitized solar cells，QDSSCs)两种。DSSCs 主要由敏化的光阳极、对电极和电解液三部分组成。在 DSSCs中，常用的光吸收剂主要是有机染料，如以金属钌(Ru)为配位的有机染料 N719[二(四丁基铵)-双(异硫氰基)双 (2,2'- 联吡啶 -4,4'- 二羧基)钌(II)]、N3[双(异硫氰基)双(2,2'- 联吡啶基 -4,4'- 二羧基)钌(II)]，以及叶绿素中的主要成分卟咻等。通过将染料吸附于光阳极材料上，可以增强电池对光子的捕获能力。QDSSCs 是将 DSSCs 中的有机染料取代为具有一定光吸收能力的无机量子点材料，并采用多硫电解质体系和金属硫化物对电极组装而成的一类太阳能电池。作为敏化太阳能电池的重要组成部分，光阳极的性能决定了电池的效率。

纳米TiO2是目前性能优良的 DSSCs 光阳极材料。复合结构的引入能有效增加阳极膜的表面面积，且由于其多级的光散射作用，有利于提高光的收集效率;同时，薄膜中引入复合结构，为电子提供了快速、方便的传输通道，从而能够有效改善电池的性能。因此，复合结构TiO2光阳极的制备是非常重要的研究发展方向。Du等使用表面活性剂 P123 和聚苯烯球双模板技术，合成了多级有序的大孔/介孔 TiO2薄膜，并将其与 P25 多孔薄膜复合，形成双层结构的 DSSCs光阳极。大孔/介孔 TiO2薄膜层的引入，有效地提高了光阳极对太阳光的散射以及捕获能力，从而提高了 DSSCs 的光电转化效率，与使用单一 P25 光阳极的 DSSCs相比，双层TiO2 结构的 DSSCs 所产生的短路光电流密度从 7.49 mA/cm3上升到了10.65 mA/cm3，开路电压从0.65V 提高到了0.70V。在太阳光强度为 AM1.5(AM：air-mass，指光线通过大气的实际距离比上大气的垂直厚度)时所测得的光电转化效率表明，双层TiO2结构的 DSSCs 的光电转化效率为 5.55%，比单层P25 结构的DSSCs 的光电转化效率提升了 83%。Zhu 等合成了氧化钛纳米棒- 纳米颗粒复合介孔结构，作为染料敏化太阳电池的光阳极，这种结构材料的光伏转换效率达到2.51%，在 TiCl4表面处理后其转换效率进一步提高到 3.25%，远高于纯氧化钛纳米棒的 1.11%。Park 等通过溶胶-凝胶支连法制备了 TiO2微球多级孔电极，与普通的 TiO2纳米晶薄膜电极 (2.4%)相比，转化效率大幅提高至 3.3%。Cho 等采用胶体颗粒作为介孔模板及平板印刷形成大孔的双模板方法，制备了大孔 - 介孔电极，其光电性能为 5.0%。Hwang 等采用静电喷雾技术合成了多级介孔 TiO2微球电极(图13-7)，电极的转换效率超过 10%。为了更好地提高多级孔TiO2光阳极的光电转换效率，Yu 等采用自组装的方法制备了多级“大孔- 介孔”TiO2薄膜，其光电转换效率达到了 6.7%。针对现阶段多级结构微米球内孔径调控和微米球中颗粒尺寸及吸附能力之间的矛盾问题，在微米球制作过程中不需要借助模板剂的条件下，Ding 等简单地通过控制乙醇、去离子水和氨水的摩尔比，调节了TiO2微米球的形貌、球内孔径分布及纳米颗粒的结晶性。更为重要的是，该方法克服了目前为了增加微米球内孔径尺寸，不可避免地要“牺牲”微米球比表面积，进而降低微米球吸附能力的难题，将基于微米球的多孔薄膜比表面积可控在 110 m2/g以上，微米球内平均孔径直径由 10 nm 提高到16 nm 以上，从而可实现整个微米球内染料分子的全吸附和电解质的快速扩散。基于这种结构的亚微米球染料敏化太阳能电池光电转换效率达到了 11.67%。

ZnO 是一种性能优异的环保半导体材料，具有合成原材料来源丰富、制备条件简单、形貌结构易调控等优点，被广泛应用于能源、信息、环境等领域。在DSSCs/QDSSCs 中，ZnO 通常被用作光阳极材料，负载光吸收剂，同时接收和传输电子。利用其结构易控制的优点，一系列不同的 ZnO 纳米结构，如纳米球、纳米线、纳米片或纳米花等被用于敏化太阳能电池的光阳极，极大地提高了敏化太阳能电池的性能。Tian 等通过将 ZnO 种子溶液涂覆在氧化锡铟 (ITO)玻璃上，使得 ZnO 纳米棒 (ZnO NRs)可以生长在ITO的表面，然后再将其浸入用于制备ZnO纳米片(ZnO NSs)的前驱体溶液中，使 ZnO NRs 表面被 ZnO NSs 覆盖，最终得到了沉积 ZnO NRs-NSs 结构的 QDSSCs的光阳极。混合结构的 ZnO NRs-NSs的比表面积(31.5 m2/g)要明显大于单一 ZnO NRs 结构的(14.3 m2/g)，说明 ZnONRs-NSs 结构对增加QDs 的沉积量有明显的促进作用。Zhang 等制备的ZnO聚集体，通过持续的加热搅拌，在溶液中直接合成了由直径 15 nm 的颗粒聚集而成的、直径为 100~500 nm 的聚集体，由其制得的DSSCs 的光电转换效率可以达到 5.4%。在此基础之上，Ko等通过单一的纳米线结构制备出复杂的纳米树形(nanotree)结构，由此制得多级纳米森林 (nanoforest)形貌的光阳极膜(图13-8)，很好地弥补了纳米线比表面积低的不足。同时，使得光阳极电子复合机会进一步减小，所制备的基于 ZnO 纳米森林结构的电池光电效率达到了普通纳米线结构电池的 5 倍以上。除了使用化学合成方法制备具有较大比表面积的 ZnO 多级复合结构，Xie 等采用电沉积的方式直接在ITO 玻璃上制备出了 ZnO纳米材料，并且通过调节制备合成原料 ZnCl2的浓度，控制了 ZnO 材料的结构。当 ZnCl2溶液增加至一定浓度后，ZnO 从纳米棒结构转变为纳米片结构，并进一步形成 3D的NS网络结构，成功提高了 DSSCs 的效率(NR 结构的 PCE = 1.15%，3D 结构的 PCE =1.59%)，其电池性能的提高主要归功于片状结构对比表面积的增加作用。在电池效率的提高方面，Kilic 等通过水热法制备的 ZnO 纳米花 (nanoflowers，NF)结构也表现优异，DSSCs 的效率达到了 5.119%。ZnO NF 结构规整，每一个NF 颗粒都拥有众多的枝杈，这些枝杈一方面极大地增加了比表面积，另一方面也是电子传递的通道，与相同实验条件下制得的 ZnO 纳米线光阳极电池(PCE = 2.222%)相比，其性能更为优异。

此外，Jiang 等设计制备出了由 ITO 纳米线芯层与 Cu2S 纳米晶壳层组装而成的ITO@Cu2S 纳米线阵列，使用这种具有三维导电网络结构的材料制备的QDSSCs 表现出优于传统材料的优异性能。通过优选 Cu2S 纳米晶壳层的构筑方法深入研究其组装结构中 ITO 纳米线芯层与 Cu2S 纳米晶层间界面对电池性能的影响，进一步提高了电池的转换效率。在此基础上，通过网络化多级组装设计，在ITO@Cu2S 纳米线阵列结构基础上进行了二级和三级结构的组装，进一步使基于这种对电极材料的 QDSSCs 的转换效率提升至 6% 以上。这种新型对电极材料在电池运行时可有效形成隧道结，通过降低器件的串联电阻，提高并联电阻以及填充因子，大大提高了电池的转换效率，而且解决了传统金属铜/硫化亚铜易脱落、无法稳定工作的难题。

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