［摘 要］染料敏化太陽能電池結合了染料敏化劑和無機半導體的優(yōu)勢，具有較寬的光譜響應范圍，理論光電轉換效率高、透明度高、制造工藝簡單、成本較低、對原料純度要求不高、壽命長、對環(huán)境友好、應用前景廣闊等，因而在最近的二十年中引起人們的廣泛興趣。染料光敏化劑是染料敏化太陽能電池中一個關鍵的組成部分，起吸收太陽光并向載體轉移電子的作用，它的性能將直接影響電池的光電轉換效率。文章以卟啉及其配合物為主線，簡要介紹了染料敏化太陽能電池的基本構造和光電原理，重點介紹了各種卟啉類光敏劑在染料敏化納米晶太陽能電池中的應用。

　　［關鍵詞］卟啉及其金屬配合物；染料敏化劑；太陽能電池；應用

　　［中圖分類號］TQ ［文獻標識碼］A ［文章編號］1007-1865（2011）06-0095-02

　　Research Progress of Porphyrin- Based Dye Sensitized Solar Cells

　　Xu Haiyun， Tian Dong， Xu Jun

　　（Department of Chemistry and Chemical Technology， Huainan Normal College， Huainan 232001， China）

　　Abstract： Dye-sensitized solar cell （DSSC） has attracted extensive interest in the last twenty years， due to its advantages of both photosensitized dyes and inorganic semi-conductor materials such as wider light response range， high theory photoelectric conversion efficiency， high grade of transparence， simple manufacturing process， relatively low cost， no high demand for law materials purity， long working life， environment friendly property and wide perspective in applications. Dye-photosensitizer is a key component of the DSSC and can absorb the sunlight and transfer electron to the carrier， and its performance has decisive effect on the photoelectric conversion efficiency. This paper focuses mainly on the sensitizers based on porphyrin and its corresponding metal complexes. The structure and working principle of DSSC were introduced briefly， and the applications of various porphyrin-based dye sensitizers in the DSSC were emphasized on discussion.

　　Keywords： porphyrin and its metal complexes；dye sensitizer；solar cell；application

　　太陽能作為一種可再生能源，具有其它能源所不可比擬的優(yōu)點：取之不盡、用之不竭；不會造成生態(tài)環(huán)境污染；成本較低、功率巨大；不受地理條件限制等。太陽能電池作為一種開發(fā)利用太陽能的重要方式而備受人們關注［1］。

　　太陽能電池的發(fā)展已有幾十年的歷史，目前技術最成熟并且已經產業(yè)化的是硅系太陽能電池。在目前的市場上，硅基太陽能電池占絕對優(yōu)勢，但由于無機材料制備加工工藝復雜、材料要求苛刻、價格昂貴，而且材料缺乏柔性，有些對生物具有毒性，因而難以大面積制備電池板，大規(guī)模供應能源，而無法從根本上解決或者緩解能源危機［2］。1991 年瑞士 Gratzel 教授［3］領導的小組首次報道了一種納米晶染料敏化太陽能電池（Dye-Sensitized Solar Cells， DSSCs），實現了高效、低成本的光電轉換，這種電池的出現為太陽能電池的發(fā)展帶來了新方法，從而也掀起了新型太陽能電池研究的熱潮。

　　1 基本結構與原理

　　DSSC 主要由：透明導電玻璃基板、TiO2 或其它半導體氧化

　　物多孔納米晶薄膜、染料敏化劑、電解質溶液（或固體電解質）和透明對電極（一般涂有 Pt）組成的“三明治”式結構［4］（圖 1）。

　　圖 1 液態(tài)電解質染料敏化太陽能電池的結構

　　Fig.1 Liquid electrolyte dye-sensitized solar cell structure

　　DSSC 的工作原理如圖 2 所示［5］：首先太陽光照射到敏化電極上，染料分子吸收光子，由基態(tài)（S）受激躍遷到激發(fā)態(tài)（S*），完成光電轉化。激發(fā)態(tài)電子被注入半導體 TiO2 薄膜的導帶中，從而產生電荷分離，導帶電子被瞬間傳導至導電玻璃，并通過導線流向外電路，輸出電能；與此同時，處于氧化態(tài)的染料分子（S*）由電解質（I3-/ I-：Red/Ox）溶液中的電子供體（I-）提供電子而回到基態(tài)，使染料得以再生，電解質溶液中的電子供體（I-）在提供電子以后（I3-），擴散到對電極，得到電子而還原。從而，完成一個光電化學反應循環(huán)，也使電池各組分都回到初始狀態(tài)。

　　圖 2 液態(tài)電解質染料敏化太陽能電池的工作原理

　　Fig.2 Work reason of liquid electrolyte dye-sensitized solar cell

　　2 常見染料敏化劑

　　染料敏化太陽能電池的關鍵問題之一就在于敏化材料的選擇，其中染料敏化劑性能的優(yōu)劣對整個裝置的光電轉化效率起著決定性作用。

　　作為理想的染料敏化劑，應當滿足以下幾個條件［6］：（1）染料電子吸收光譜盡量覆蓋整個太陽光譜，即為全吸收染料；（2）染料的光量子產率高；（3）激發(fā)態(tài)壽命足夠長，且具有很高的電荷傳輸效率；（4）能與金屬氧化物半導體以化學鍵形式吸附，降低電子轉移過程的能量損失；（5）染料的激發(fā)態(tài)能級與半導體導帶匹配，有利于染料的激發(fā)態(tài)電子向半導體轉移；（6）染料應有比電解質更正的氧化還原電位；（7）化學穩(wěn)定性強，在自然光照射下可進行 108 次氧化還原反應，即 20 年的太陽光照。

　　目前人們研究較多的染料敏化劑主要有聯吡啶金屬絡合物系列、酞菁系列、卟啉系列、純有機染料系列等，其中聯吡啶金屬配合物是最早被應用到 DSSC 領域并且迄今為止仍然是性能最好，應用最多的一類光敏染料，尤以 N3［7］、N71［7］、Z907［8］及“黑染料”（Black dye）［9］為代表。這些以釕基多吡啶配合物為染料敏化劑的 DSSC 一直保持著能量轉化效率（η）》 10 %的最高記錄，并有著良好的長期穩(wěn)定性。

　　純有機染料節(jié)約稀貴金屬，消光系數比金屬配合物高得多，環(huán)境友好，成本較低，分子結構靈活多樣，可通過引入不同取代