光电化学电池

科技工作者之家 2020-11-17

光电化学电池是指利用半导体一液体结制成的电池。光电化学电池一般分为电化学光伏电池、光电解电池和光催化电池三类。

简介随着人类的工业文明得以迅猛发展,由此引发的能源危机和环境污染成为急待解决的严重问题,利用和转换太阳能是解决世界范围内的能源危机和环境问题的一条重要途径。世界上第一个认识到光电化学转换太阳能为电能可能实现的是Becquere,他在1839年发现涂布了卤化银颗粒的金属电极在电解液中产生了光电流,以后Brattain、Garrett及Gerisher等人先后提出和建立了一系列有关光电化学能量转换的基本概念和理论,开辟了光电化学研究的新领域。

光电化学池即通过光阳板吸收太阳能并将光能转化为电能。光阳板通常为光半导体材料,受光激发可以产生电子——空穴对,光阳极和对极(阴极)组成光电化学池,在电解质存在下光阳极吸光后在半导体带上产生的电子通过外电路流向对极,水中的质子从对极上接受电子产生氢气。

光电化学池中染料敏化纳米晶光电化学电池以其低成本和高效率而成为硅太阳能电池的有力竞争者。染料敏化太阳电池主要由透明导电玻璃、TiO2多孔纳米膜、电解质溶液以及镀铂镜对电极构成的“三明治”式结构。与p-n结固态太阳能电池不同的是,在染料敏化太阳电池中光的吸收和光生电荷的分离是分开的。染料敏化太阳能电池(DSSC)是由二氧化钛多孔膜、光敏化剂(染料)、电解质(含氧化还原电对)、镀铂对电极及导电基板组成的夹层结构。

光电化学池中染料敏化纳米晶光电化学电池其基本工作原理是:在染料分子的激发态、TiO2导带、SnO2(导电玻璃)导带、Pt(对电极)功函之间存在着一个能级梯度差,当染料分子吸收太阳光其中基态的电子受光激发跃迁到染料激发态能级后,在能级差的驱动下,电子将会迅速转移到TiO2导带中,经纳米晶TiO2膜空间网格的输运进入到SnO2导带,后经外路到达对电极,并与氧化还原电对进行电子交换后,依靠氧化还原电对在氧化态染料和对电极间完成电子转移,从而实现整个光电循环。

染料敏化太阳能电池的核心部分是纳米多孔半导体氧化物薄膜电极。敏化染料中染料分子是染料敏化太阳能电池的光捕获天线,是染料敏化太阳能电池的一个重要组成部分,它的作用就是吸收太阳光,将基态电子激发到高能态,然后再转移到外电路,它的性能是决定电池转换效率的重要因素之一。整个光电转换的性能决定于染料能级与TiO2能级的匹配情况以及它对太阳光谱的响应性能。最有效的敏化染料是含有4,4-二羧基-2,2-联吡啶配体的钌有机配合物。电解质也是DSSC一个重要组成部分,它使氧化态的染料分子及时还原再生,以及在对电极获得电子而使自身得以还原,此外也提供电池内部导通,组成完整回路。对电极,氧化还原电对通过获得电子而得以再生。但通常这一反应的电势较高,但当采用铂作为对电极时,可以大大降低其反应的活化能1。

简史光电化学电池起源于法国科学家贝克雷尔(Beequerel)发现在电解质溶液中半导体产生的光电现象。半导体在电解质溶液中表面形成界面势垒(即液体结),分离光生的电子空穴对,在电池的两个电极(即半导体电极和金属对电极)上进行电化学反应,导致产生电或通过电极、溶液的化学变化生成化学产物1。

分类光电化学电池一般分为电化学光伏电池、光电解电池和光催化电池三类:

(1)电化学光伏电池:电解液中只含一种氧化还原物质,电池反应为阳、阴极上进行的氧化还原可逆反应,光照后电池向外界负载提供电能,电解液不发生化学变化,其自由能变化等于零。

(2)光电解电池:电解液中存在两种氧化还原离子,光照后发生化学变化,其净反应的自由能变化为正,光能有效的转换为化学能。

(3)光催化电池:光照后电解液发生化学变化.其净反应的自由能变化为负,光能提供进行化学反应所需的活化能2。

特点光电化学电池具有液相组分,因此又可制成直接储能的光电化学蓄电池,成为一种既能转换太阳光能又能进行能量储存的多途径转换太阳能的光电化学器件,而且半导体在电解液中界面液体结容易形成,可以广泛应用多晶、薄膜型半导体材料,因而具有制作工艺简便、价格低廉等特点3。

本词条内容贡献者为:

石季英 - 副教授 - 天津大学

科技工作者之家

科技工作者之家APP是专注科技人才,知识分享与人才交流的服务平台。