染料敏化太阳能电池（Dye-sensitized solar cell, DSSC，DSC，DYSC或Grätzel电池）是属于薄膜太阳能电池组的低成本太阳能电池。 它基于在光敏阳极和电解质之间形成的半导体，光电化学系统。 现代版的染料太阳能电池，也称为Grätzel电池，最初由加州大学伯克利分校的Brian O’Regan和MichaelGrätzel于1988年共同发明，后来由ÉcolePolytechniqueFédéralede的上述科学家开发。洛桑直到1991年第一个高效DSSC出版.MichaelGrätzel被授予2010年千禧技术奖。
DSSC具有许多吸引人的功能; 使用传统的辊印技术制造简单，是半柔性和半透明的，它提供了不适用于玻璃基体系的各种用途，并且所用的大多数材料是低成本的。 在实践中，已经证明难以消除许多昂贵的材料，特别是铂和钌，并且液体电解质对于制造适合在所有天气中使用的电池提出了严峻的挑战。 虽然它的转换效率低于最好的薄膜电池，但理论上它的性价比应该足够高，以便通过实现电网平价来与化石燃料发电竞争。 由于化学稳定性问题而被搁置的商业应用，预计将在欧盟光伏路线图中为2020年的可再生能源发电做出重大贡献。
现有技术：半导体太阳能电池
在传统的固态半导体中，太阳能电池由两个掺杂晶体制成，一个掺杂有n型杂质（n型半导体），其中添加了额外的自由导带电子，另一个掺杂了p型杂质（ p型半导体），增加了额外的电子空穴。 当接触时，n型部分中的一些电子流入p型以“填充”缺失的电子，也称为电子空穴。 最终，足够的电子将流过边界以均衡两种材料的费米能级。 结果是界面处的区域，即pn结，其中电荷载流子在界面的每一侧上被耗尽和/或累积。 在硅中，这种电子转移产生约0.6至0.7V的势垒。
当放置在太阳下时，太阳光子可以在半导体的p型侧激发电子，这一过程称为光激发。 在硅中，太阳光可以提供足够的能量将电子从低能量价带推入更高能量的导带。 顾名思义，导带中的电子可以自由地围绕硅移动。 当负载整个放置在电池上时，这些电子将从p型侧流入n型侧，在通过外部电路移动时失去能量，然后流回到p型材料中他们可以再次与他们留下的价带孔重新结合。 通过这种方式，太阳光产生电流。
在任何半导体中，带隙意味着只有具有该能量或更多能量的光子才有助于产生电流。 在硅的情况下，从红色到紫色的大部分可见光具有足够的能量来实现这一点。 不幸的是，能量较高的光子，即光谱的蓝色和紫色末端，有足够的能量穿过带隙; 虽然这些额外的能量中的一部分会转移到电子中，但大部分都被浪费为热量。 另一个问题是，为了有合理的机会捕获光子，n型层必须相当厚。 这也增加了新射出的电子在到达pn结之前与材料中先前形成的孔相遇的可能性。 这些影响产生了硅太阳能电池效率的上限，目前普通模块约为12％至15％，最佳实验室电池效率高达25％（33.16％是单带隙太阳能电池的理论最大效率，见肖克利-Queisser限制。）。
到目前为止，传统方法的最大问题是成本; 太阳能电池需要相对厚的掺杂硅层以便具有合理的光子捕获率，并且硅处理是昂贵的。 在过去的十年中，已经有许多不同的方法来降低这种成本，特别是薄膜方法，但迄今为止，由于各种实际问题，它们的应用受到限制。 另一项研究是通过多结方法显着提高效率，尽管这些电池成本非常高，仅适用于大型商业部署。 一般而言，适用于屋顶部署的细胞类型的效率没有显着变化，尽管由于供应增加成本有所下降。
染料敏化太阳能电池
在20世纪60年代后期，人们发现有光染料的有机染料可以在电化学电池中的氧化物电极上发电。 为了理解和模拟光合作用的主要过程，在加利福尼亚大学伯克利分校研究了从菠菜中提取叶绿素（生物模拟或仿生方法）的现象。 在这些实验的基础上，通过染料敏化太阳能电池（DSSC）原理的发电在1972年得到证实和讨论。染料太阳能电池的不稳定性被确定为主要挑战。 在接下来的二十年中，通过优化由细氧化物粉末制备的电极的孔隙率可以提高其效率，但不稳定性仍然是个问题。
现代DSSC由多孔二氧化钛纳米粒子组成，覆盖有吸收阳光的分子染料，如绿叶中的叶绿素。 将二氧化钛浸入电解质溶液中，其上方是铂基催化剂。 如在传统的碱性电池中，阳极（二氧化钛）和阴极（铂）放置在液体导体（电解质）的任一侧。
阳光穿过透明电极进入染料层，在那里它可以激发电子然后流入二氧化钛。 电子流向透明电极，在那里它们被收集起来为负载供电。 在流过外部电路之后，将它们重新引入背面的金属电极上的电池中，流入电解质中。 然后电解质将电子传输回染料分子。
在传统的电池设计中，染料敏化太阳能电池将硅提供的两种功能分开。 通常，硅既充当光电子源，又提供电场以分离电荷并产生电流。 在染料敏化太阳能电池中，大部分半导体仅用于电荷传输，光电子由单独的光敏染料提供。 电荷分离发生在染料，半导体和电解质之间的表面上。
染料分子非常小（纳米尺寸），因此为了捕获合理数量的入射光，染料分子层需要制作得相当厚，比分子本身厚得多。 为了解决这个问题，使用纳米材料作为支架，将大量染料分子保持在3-D基质中，增加了细胞任何给定表面区域的分子数量。 在现有设计中，该脚手架由半导体材料提供，其用于双重负载。
施工
在最初的Grätzel和O’Regan设计的情况下，电池有3个主要部分。 顶部是由掺杂氟化物的二氧化锡（SnO 2：F）制成的透明阳极，沉积在（通常为玻璃）板的背面。 在该导电板的背面是薄的二氧化钛（TiO 2）层，其形成具有极高表面积的高度多孔结构。 （TiO 2）通过称为烧结的过程化学结合。 TiO2仅吸收一小部分太阳光子（紫外线中的光子）。 然后将该板浸入光敏钌 – 聚吡啶染料（也称为分子敏化剂）和溶剂的混合物中。 在将膜浸泡在染料溶液中之后，将一层薄的染料共价键合到TiO 2的表面上。 该键是酯键，螯合键或双齿键桥键。
然后制备单独的板，其中碘化物电解质薄层铺展在导电片上，通常是铂金属。 然后将两个板连接并密封在一起以防止电解质泄漏。 结构很简单，有可用于手工构建它们的业余爱好工具包。 尽管它们使用许多“先进”材料，但与普通电池所需的硅相比，这些材料便宜，因为它们不需要昂贵的制造步骤。 例如，TiO2已经广泛用作涂料基料。
一种有效的DSSC装置使用基于钌的分子染料，例如[Ru（4,4′-二羧基-2,2′-联吡啶）2（NCS）2]（N3），其通过羧酸盐部分与光阳极结合。 。 光电阳极由12μm厚的透明10-20nm直径的TiO 2纳米颗粒薄膜组成，覆盖有4μm厚的更大（400nm直径）颗粒的膜，其将光子散射回透明膜中。 激发的染料在光吸收后迅速将电子注入TiO2中。 注入的电子通过烧结的粒子网络扩散，在前侧透明导电氧化物（TCO）电极处聚集，而染料通过溶解在溶液中的氧化还原梭I3 / I还原而再生。 氧化形式的梭子向对电极的扩散完成了电路。
DSSC的机制
DSSC中发生的主要过程
步骤1：以下主要步骤将光子（光）转换为电流：
入射光子被吸附在TiO2表面上的Ru复合光敏剂吸收。
光敏剂从基态（S）激发到激发态（S *）。 将激发的电子注入到TiO 2电极的导带中。 这导致光敏剂（S +）的氧化。
S +hν→S *（1）
(2)
![{\displaystyle {\ce {S^{.}->[{} \atop {\ce {TiO2}}]{S+}+e-}}}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/4a8461f7deace264f9b77a6e9f2d2a67e729f5fa)
(2)在TiO 2的导带中注入的电子在TiO 2纳米颗粒之间传输，并向背面接触（TCO）扩散。 并且电子最终通过电路到达反电极。
氧化光敏剂（S +）接受来自I-离子氧化还原介体的电子，导致基态（S）的再生，并且两个I-离子被氧化成基本碘，其与I-与氧化态I3-反应。
S + + e-→S（3）
氧化的氧化还原介体I3-向对电极扩散，然后还原为I-离子。
I3- + 2 e-→3 I-（4）
DSSC的效率取决于组件的四个能级：光敏剂的激发态（近似LUMO）和基态（HOMO），TiO2电极的费米能级和介体的氧化还原电位（I- / I3-）在电解质中。
纳米类似的形态
在DSSC中，电极由烧结的半导体纳米颗粒组成，主要是TiO 2或ZnO。 这些纳米粒子DSSC依赖于通过半导体纳米粒子的陷阱限制扩散来进行电子传输。 这限制了设备效率，因为它是一种缓慢的传输机制。 重组更可能发生在较长波长的辐射上。 此外，纳米颗粒的烧结需要约450℃的高温，这限制了这些细胞制造成坚固的刚性固体基质。 已经证明，如果烧结的纳米颗粒电极被特别设计的具有外来“纳米植物样”形态的电极取代，则DSSC的效率会提高。
操作
阳光通过透明的SnO2：F顶部接触进入细胞，撞击TiO2表面的染料。 以足够的能量撞击染料的光子被吸收产生染料的激发态，电子可以从中直接“注入”到TiO2的导带中。 从那里它通过扩散（由于电子浓度梯度）移动到顶部的透明阳极。
同时，染料分子失去了电子，如果没有提供另一个电子，分子就会分解。 染料从TiO2中的电解质中的碘化物中剥离出一种，将其氧化成三碘化物。 与注入的电子与氧化的染料分子重新结合所花费的时间相比，该反应非常快地发生，从而防止了有效地使太阳能电池短路的重组反应。
然后三碘化物通过机械扩散到电池底部来恢复其缺失的电子，其中反电极在流过外部电路之后重新引入电子。
效率
几种重要的措施用于表征太阳能电池。 最明显的是对于照射在电池上的给定量的太阳能产生的总电功率。 以百分比表示，这被称为太阳能转换效率。 电功率是电流和电压的乘积，因此这些测量的最大值也很重要，分别是Jsc和Voc。 最后，为了理解基础物理学，“量子效率”用于比较一个光子（特定能量）将产生一个电子的机会。
在量子效率方面，DSSC非常有效。 由于它们在纳米结构中的“深度”，光子被吸收的可能性非常高，并且染料在将它们转换成电子方面非常有效。 DSSC中存在的大部分小损失是由于TiO2和透明电极中的传导损耗或前电极中的光学损耗。 绿光的总量子效率约为90％，“损失的”10％主要归因于顶部电极中的光学损耗。 传统设计的量子效率根据其厚度而变化，但与DSSC大致相同。
理论上，这种电池产生的最大电压只是TiO2的（准）费米能级与电解质的氧化还原电位之间的差值，在太阳光照条件下（Voc）约为0.7V。 也就是说，如果一个发光的DSSC连接到一个“开路”的电压表，它的读数约为0.7V。就电压而言，DSSC的Voc比硅略高，约为0.7V，而0.6V。相当小的差异，因此现实世界的差异主要是当前的生产，Jsc。
虽然染料在将吸收的光子转换成TiO2中的自由电子方面非常有效，但只有染料吸收的光子最终会产生电流。 光子吸收速率取决于敏化的TiO 2层的吸收光谱和太阳通量光谱。 这两个光谱之间的重叠决定了最大可能的光电流。 与硅相比，通常使用的染料分子在光谱的红色部分中通常具有较差的吸收，这意味着太阳光中较少的光子可用于产生电流。 这些因素限制了DSSC产生的电流，相比之下，传统的硅基太阳能电池提供约35 mA / cm2，而目前的DSSC提供约20 mA / cm2。
当前DSSC的总峰值功率转换效率约为11％。 目前的原型记录为15％。
降解
DSSCs在暴露于紫外线辐射时会降解。 2014年，常用的无定形Spiro-MeOTAD层的空气渗透被确定为降解的主要原因，而不是氧化。 通过添加适当的屏障可以避免损坏。
阻挡层可包括UV稳定剂和/或UV吸收发光发色团（其以较长波长发射）和抗氧化剂以保护和提高电池的效率。
优点
DSSC是目前最有效的第三代（2005年基础研究太阳能利用16）太阳能技术。 其他薄膜技术通常在5％至13％之间，传统的低成本商用硅面板在14％至17％之间运行。 这使得DSSCs成为“低密度”应用（如屋顶太阳能集热器）中现有技术的替代品，其中无玻璃收集器的机械坚固性和轻量化是主要优势。 对于大规模部署而言，它们可能不那么具有吸引力，因为更高成本的更高效率电池更可行，但即使DSSC转换效率的小幅增加也可能使它们适合于这些角色中的某些。
DSSC的另一个领域特别具有吸引力。 将电子直接注入TiO 2的过程与传统电池中发生的电子定性地不同，在传统电池中，电子在原始晶体内被“促进”。 理论上，由于生产率低，硅中的高能电子可以与其自身的孔重新结合，发出光子（或其他形式的能量）并导致不产生电流。 虽然这种特殊情况可能并不常见，但是在另一个分子中产生的电子很容易碰到先前光激发中留下的孔。
相比之下，DSSC中使用的注入工艺不会在TiO2中引入空穴，只会引入额外的电子。 虽然在能量上可能使电子重新组合回染料中，但与染料从周围电解质中重新获得电子的速率相比，发生这种情况的速度非常慢。 直接从TiO 2重组到电解质中的物质也是可能的，尽管对于优化的装置，该反应相当慢。 相反，从铂涂覆的电极到电解质中的物质的电子转移必然非常快。
由于这些有利的“差异动力学”，DSSC甚至在低光条件下也能工作。 因此，当电荷载流子迁移率低并且重组成为主要问题时，DSSC能够在多云天空和非直射阳光下工作，而传统设计在某些照明下限处会遭受“切断”。 截止频率非常低，甚至被提议用于室内，从房屋的灯光中为小型设备收集能量。
一个DSSC与大多数薄膜技术共享的一个实际优势是，电池的机械强度可间接导致更高温度下的更高效率。 在任何半导体中，升高的温度将促使一些电子“机械地”进入导带。 传统硅电池的脆弱性要求它们免受元件的影响，通常是将它们封装在类似于温室的玻璃盒中，并具有金属背衬以增强强度。 随着电池内部升温，这种系统的效率明显下降。 DSSC通常在前层只有一层薄薄的导电塑料制成，使它们更容易辐射热量，因此可以在较低的内部温度下工作。
缺点
DSSC设计的主要缺点是使用具有温度稳定性问题的液体电解质。 在低温下，电解质可能冻结，结束发电并可能导致物理损坏。 较高的温度导致液体膨胀，使得密封面板成为严重的问题。 另一个缺点是需要昂贵的钌（染料），铂（催化剂）和导电玻璃或塑料（接触）来生产DSSC。 第三个主要缺点是电解质溶液含有挥发性有机化合物（或VOC），溶剂必须小心密封，因为它们对人体健康和环境有害。 这与溶剂渗透塑料的事实一起，阻碍了大规模户外应用和集成到柔性结构中。
用固体代替液体电解质一直是一个主要的研究领域。 最近使用固化的熔融盐的实验已经显示出一些希望，但是目前在连续操作期间遭受更高的降解，并且不灵活。
光电阴极和串联电池
染料敏化太阳能电池用作光电阳极（n-DSC），其中光电流由敏化染料的电子注入产生。 与传统的n-DSC相比，光电阴极（p-DSC）以反向模式工作，其中染料激发之后是从p型半导体到染料的快速电子转移（染料敏化空穴注入，而不是电子注入） 。 这样的p-DSC和n-DSC可以组合以构建串联太阳能电池（pn-DSC），并且串联DSC的理论效率远远超过单结DSC。
标准串联电池由一个n-DSC和一个p-DSC组成，具有中间电解质层的简单夹层结构。 n-DSC和p-DSC串联连接，这意味着所得的光电流将由最弱的光电极控制，而光电压是加性的。 因此，光电流匹配对于高效串联pn-DSC的构建非常重要。 然而，与n-DSC不同，染料敏化空穴注入后的快速电荷重组通常导致p-DSC中的低光电流，因此妨碍了整个器件的效率。
研究人员发现，使用含有per烯单酰亚胺（PMI）作为受体的染料和与三苯胺作为供体的低聚噻吩，通过降低染料敏化空穴注入后的电荷重组率，大大改善了p-DSC的性能。 研究人员构建了一个串联DSC装置，在p-DSC侧使用NiO，在n-DSC侧使用TiO2。 通过调节NiO和TiO2膜厚度来控制光学吸收并因此匹配两个电极的光电流来实现光电流匹配。 该器件的能量转换效率为1.91％，超过了其各个元件的效率，但仍远低于高性能n-DSC器件（6％-11％）。 结果仍然很有希望，因为串联DSC本身就是不成熟的。 p-DSC性能的显着提高最终会使串联器件的效率远高于单独的n-DSC。
发展
早期实验细胞中使用的染料（大约1995年）仅在太阳光谱的高频端，紫外线和蓝色中敏感。 很快推出了更新版本（大约1999年），它具有更宽的频率响应，特别是“三羧基 – 钌三联吡啶”[Ru（4,4’，4“ – （COOH）3-terpy）（NCS）3]，这是有效的直接进入红光和红外光的低频范围。宽光谱响应导致染料具有深棕黑色，简称为“黑色染料”。染料具有很好的转换光子的机会在最近的染料中，最初约为80％，但几乎完美转化为电子，总效率约为90％，“损失”10％主要归因于顶部电极的光学损耗。
太阳能电池必须能够发电至少二十年，而不会显着降低效率（寿命）。 “黑色染料”系统经历了5000万次循环，相当于在瑞士暴露于太阳十年。 没有观察到可辨别的性能下降。 然而，染料在高光条件下会发生故障。 在过去十年中，已经开展了广泛的研究计划来解决这些问题。 较新的染料包括1-乙基-3甲基咪唑鎓四氰基硼酸盐[EMIB（CN）4]，它具有极轻和温度稳定性，铜 – 二硒[Cu（In，GA）Se2]提供更高的转换效率，其他染料具有不同的变化特殊用途的财产。
DSSC尚处于开发周期的开始阶段。 效率提高是可能的，并且最近开始进行更广泛的研究。 这些包括使用量子点将更高能量（更高频率）的光转换成多个电子，使用固态电解质以获得更好的温度响应，以及改变TiO2的掺杂以使其与所用的电解质更好地匹配。
新发展
2010
洛桑联邦理工学院和蒙特利尔魁北克大学的研究人员声称已经克服了DSC的两个主要问题：
已经为电解质创造了“新分子”，产生透明且无腐蚀性的液体或凝胶，这可以增加光电压并改善电池的输出和稳定性。
在阴极处，铂被硫化钴代替，硫化钴在实验室中更便宜，更有效，更稳定并且更容易生产。
2011
Dyesol和Tata Steel Europe于6月宣布开发世界上最大的染料敏化光伏组件，以连续的方式印刷在钢铁上。
Dyesol和CSIRO于10月宣布成功完成联合Dyesol / CSIRO项目的第二个里程碑。 Dyesol总监Gordon Thompson说：“在这次联合合作中开发的材料有可能显着推动DSC在一系列性能和稳定性是必不可少的应用中的商业化.Dyesol受到化学突破的极大鼓舞，允许生产目标分子。这为这些新材料的直接商业利用创造了一条道路。“
Dyesol和Tata Steel Europe于11月宣布了Grid Parity Competitive BIPV太阳能钢的目标开发，该项目不需要政府补贴的关税饲料。 TATA-Dyesol“太阳能钢”屋顶目前正在威尔士Shotton的可持续建筑围护中心（SBEC）上安装。
2012
西北大学的研究人员宣布解决DSSC的主要问题，即使用和含有液体电解质的困难，以及因此相对较短的器件使用寿命。 这是通过使用纳米技术和将液体电解质转化为固体来实现的。 电流效率约为硅电池的一半，但电池重量轻，生产成本可能低得多。
2013
在过去的5到10年间，开发了一种新的DSSC – 固态染料敏化太阳能电池。 在这种情况下，液体电解质由几种固体空穴传导材料中的一种代替。 从2009年到2013年，固态DSSC的效率从4％急剧上升到15％。 Michael Graetzel宣布制造固态DSSC，效率为15.0％，通过混合钙钛矿CH3NH3PbI3染料达到，随后从分离的CH3NH3I和PbI2溶液中沉积。
与罗曼德能源公司合作，在EPFL新会议中心进行首次建筑整合。 总面积为300平方米，1400个模块，50厘米×35厘米。 由艺术家Daniel Schlaepfer和Catherine Bolle设计。
2018
研究人员已经研究了金纳米棒上表面等离子体共振在染料敏化太阳能电池性能中的作用。 他们发现随着纳米棒浓度的增加，光吸收呈线性增长; 然而，电荷提取也对浓度敏感。 通过优化浓度，他们发现Y123染料敏化太阳能电池的总功率转换效率从5.31提高到8.86％。
通过两次溶剂热反应，直接在氟掺杂的氧化锡玻璃基板上合成一维TiO 2纳米结构。 另外，通过TiO2溶胶处理，可以提高双TiO2纳米线电池的性能，达到7.65％的功率转换效率。
已经报道了用于DSSC的不锈钢基对电极，与传统的基于铂的对电极相比，其进一步降低了成本，并且适用于户外应用。
来自EPFL的研究人员已经推出了基于铜配合物氧化还原电解质的DSSC，其在标准AM1.5G，100mW / cm2条件下实现了13.1％的效率，并且在1000勒克斯的室内光下实现了32％的效率。
市场介绍
一些商业提供商承诺在不久的将来提供DSC：
Dyesol于2008年10月7日在Queanbeyan澳大利亚正式开设新工厂。随后宣布与Tata Steel（TATA-Dyesol）和Pilkington Glass（Dyetec-Solar）合作开发和大规模生产DSC BIPV。 Dyesol还与默克，优美科，CSIRO，日本经济贸易部，新加坡航空航天制造公司以及与TIMO Korea（Dyesol-TIMO）的合资企业建立了合作关系。
Solaronix是一家瑞士公司，自1993年以来一直专注于生产DSC材料，并于2010年扩建其业务范围，以主持DSC模块的制造试验线。
SolarPrint于2008年由Mazhar Bari博士，Andre Fernon和Roy Horgan在爱尔兰成立。 SolarPrint是第一家参与光伏技术制造的爱尔兰商业实体。 SolarPrint的创新是溶剂型电解质的解决方案，迄今为止已禁止DSSC的大规模商业化。 该公司于2014年进入破产管理，并被清盘。
G24innovations成立于2006年，总部位于英国南威尔士的卡迪夫。 2007年10月17日，声称生产出第一批商业级染料敏化薄膜。
索尼公司开发的染料敏化太阳能电池的能量转换效率为10％，这是商业用途所必需的水平。
Tasnee与Dyesol达成战略投资协议。
H.Glass于2011年在瑞士成立。 H.Glass为DSSC技术创造了工业流程做出了巨大努力 – 这是2015年米兰世博会奥地利馆展出的第一批成果。 The milestone for DSSC is the Science Tower in Austria – it is the largest installation of DSSC in the world – carried out by SFL technologies.