钛酸锂复合二氧化钛染料敏化太阳能电池的性能研究

染料敏化太阳能电池（DSSC）作为一种新型的薄膜电池，主要是模仿光合作用原理，以低成本的纳米二氧化钛和光敏染料为主要原料，模拟自然界中植物利用太阳能进行光合作用，将太阳能转化为电能。

典型的DSSC主要由导电基底、半导体薄膜光电极、电解质以及对电极组成。当光照射在光电极上时，染料受光激发由基态跃迁到激发态，同时将电子注入到半导体的导带中，导带中的电子在纳米晶网络中传输到后接触面后而流入到外电路中，失去电子的染料被I-还原，从而完成一个光电循环。

其中，半导体多孔膜不但要吸附染料，同时还承担着转移电子的作用，所以它性能的优劣将直接影响着DSSC的光电转换率的大小。而作为主要应用材料的TiO2，其禁带宽度只有3.2eV，不能被可见光激发，同时激发后的产生的电子容易和空穴进行复合，从而产生暗电流，进而影响DSSC的效率。所以，人们尝试用复合和掺杂等方法来改善光阳极的能带结构，以此来减少暗电流的产生。

将锂离子电池负极材料钛酸锂作为一个掺杂的材料引入染料敏化太阳能电池中是否会有效果呢？照一下电镜看看。

图(a)为Li4Ti5O12薄膜的SEM照片，从图中可以看出的颗粒很小，大概有400nm左右，但是团聚现象很明显，并且分布很不均匀。图(b)为TiO2薄膜的SEM照片，从图中可以看出TiO2颗粒较小，分布较为均匀，团聚现象不明显；图(c)为复合薄膜的SEM图，从图中可以看出TiO2颗粒和钛酸锂颗粒分布均匀，团聚现象不明显，各个颗粒之间的孔隙较大，这样的结构更有利于染料的吸附，同时也有利于电解液的进入，有利于提高DSSC的光电性能。

从图和表中可以看出，通过Li4Ti5O12薄膜所组装的DSSC各项评价参数均很低，这说明Li4Ti5O12并不是一种良好的光敏半导体材料，不能单独的作为染料敏化太阳能电池的阳极材料，需要对其进行改性或者与其他材料进行复合，才有可能获得更好的光电性能。而复合涂层的开路电压明显大于TiO2单层膜的开路电压，提高幅度达到了18.9%，并且其他评价参数并没有因此下降。由此可见，TiO2经Li4Ti5O12复合后，可以显著的提高以此作为光阳极组装的DSSC的开路电压。

TiO2薄膜的禁带宽度为3.23eV。Li4Ti5O12薄膜的禁带宽度为3.54eV，复合薄膜的禁带宽度为3.36eV。相比较而言，复合薄膜的总体光电转换效率高于纯的TiO2电极组装的电池。原因可能有以下几点：首先，复合一层钛酸锂薄膜，改变了TiO2薄膜的表面状态，同时，Li4Ti5O12颗粒引入可以让入射光在TiO2薄膜内发生多次散射，从而增加了入射光的利用效率；

其次，Li4Ti5O12的带隙比二氧化钛的带隙略宽，当有足够激发能量的光对薄膜进行照射时，TiO2和Li4Ti5O12同时发生带间跃迁，如果Li4Ti5O12的导带位置高于TiO2的导带位置，则光电子聚集在TiO2的导带，空穴聚集在Li4Ti5O12的价带，从而使载流子可以有效地进行分离，光激发到二氧化钛孔隙中的电子就很容易注入到Li4Ti5O12中，进而增加了整个体系中的电流密度；

如果Li4Ti5O12的导带位置低于TiO2的导带位置，所以它们之间可能会形成的势垒，可以有效地阻止光电子向溶液中移动的趋势，这就大大提高了载流子的寿命，从而减小了暗电流，提高了开路电压。虽然Li4Ti5O12本身不具有很好的光电性能， 但与TiO2的复合改善了单一TiO2薄膜的性能，提高了电池的光电转换效率。由于Li4Ti5O12的导带位置暂时没有进行相关的测试，所以还需进一步的探索和研究。

小结：随着技术工作的不断深入，太阳能电池也有和锂电结合的可能性，但目前基础研发工作偏多，相信随着技术的发展，锂离子电池和太阳能电池能有机的结合在一起，创造出更加美好的未来。