序言：

能源利用一直伴随着人类科技和经济发展的进程，从最初的利用天然火源到主动利用火，人类走过了从燃烧木材、木炭到燃烧煤炭的过程，从发现石油、天然气到利用清洁能源，人类逐渐走上了部分替代煤炭、石油、天然气等化石能源的清洁能源之路。
20世纪50年代以来，人类逐渐认识到化石能源的危害，化石能源不可再生并逐渐走向枯竭，化石能源燃烧利用带来了严重的大气污染以及随之而来的温室效应。人们除了研究化石能源的清洁利用之外，如何发现和利用清洁能源成为各国科研人员共同面临的挑战。
太阳能作为已知的清洁能源，取之不尽、用之不竭，没有污染，人类利用太阳能有长久的历史，但科学利用太阳能始于20世纪，经过不断发展和进步，太阳能逐步走向能源利用的前台。目前，太阳能的开发与利用也带动了21 世纪相关领域的科技发展，太阳能广泛利用的时代已初现端倪。
太阳能利用和储能技术涉及物理、光学、材料、化学，涉及光电转换等物质运动形态转换规律及利用技术，还涉及相关的工业设备和仪器，这都带动不同学科的发展和进步。如光伏材料和新型光伏电池的不断研究开发，促进了物理、化学、材料等学科的发展，还促进了太阳能系统设备等工程学科的研究和发展。太阳能等可再生能源的利用，也促进了储能技术领域的持续研究热潮和发展，等等。
站在能源利用替代和发展的历史节点，我国科研人员需要大视野、大格局、大情怀，不断突破行业固有桎梏，从规划、研究、技术应用等方面进行努力，运用学科综合思维和多领域交叉糅合等进行思维和技术调整，在已有基础上阔步前进，为我国能源科技进步提供有力支撑。
正是基于能源科技中太阳能等可再生能源的重要性，21世纪以来，太阳能一直被列为我国中长期发展规划中的重要部分，在国家政策扶植和支持序下，太阳能等可再生能源技术取得了长足的进步，如：光伏光电材料性能不断改善；电池效率不断提高，成本不断下降；新型电池研究取得一定突破；光热发电、储能方面也有多个示范项目等。三年前，在化学工业出版社积极协调和提议下，考虑组织编写“太阳能利用前沿技术丛书”。
根据丛书设置的初衷，拟定的出版方向包括：光伏、光热、光生物、光化学、储能、光电技术应用等领域，具体分册如下：
1. 太阳电池物理与技术应用（沈辉）
2. 基于纳米材料的光伏器件（戴宁）
3. 铜基化合物半导体薄膜太阳电池（孙云）
4. 染料敏化太阳电池（林原）
5. 高效晶体硅太阳能电池技术（丁建宁）
6. 柔性太阳电池材料与器件（宋伟杰）
7. 光伏电池检测技术及应用（吴建国）
8. 植物的太阳能固能机制及应用（杨春虹）
9. 光电净化水处理技术（孙卓）
10. 太阳能高温集热原理及应用（王志峰）
11. 钠电池储能技术（温兆银）
12. 储能技术概论（陈海生）
各册主编均为国内相关行业领域的知名专家，经编委会各位同仁及出版社编辑的积极努力，丛书初具雏形，后续还将补充出版相关领域的内容。希望丛书的出版，能为我国太阳能领域与储能领域的各位技术人员提供一定的借鉴。
目前，我国太阳能、储能等新型能源技术不断发展，在绿色无污染的优势前提下，希望我国太阳能等能源技术不断应用和布局，为我国的绿色、进步提供动力。

中国科学院院士
国家能源集团首席科学家
中科院上海技术物理研究所研究员
2020年10月  

前言：

能源是人类发展的关键要素，只有充足的能源供应才能保证人类社会的正常运行。工业革命以来人类对能源的需要呈指数性增长，煤、石油、天然气等化石能源被大量地开采和使用，带来一系列的资源和环境问题。20世纪末，全球各国政府逐渐认识到了发展可再生能源的必要性和紧迫性，采取大量措施发展可再生能源。
相比化石能源，可再生能源（水能除外）应用的最大问题是成本高，要发展可再生能源一方面是采取政府补贴的方式，另一方面则要靠科技进步。20世纪末，硅太阳电池的价格高达每瓦40元左右，并且由于需求旺盛价格还有上升的趋势，此时染料敏化太阳电池应运而生。一方面，其新颖的结构、简便的制作工艺、低廉的成本和较高的光电转换效率对相关产业具有吸收力，根据材料成本估算，染料敏化太阳电池的价格可以低至每瓦5元左右，具有巨大的市场应用潜力；另一方面，染料敏化太阳电池是一种有机-无机复合太阳电池，其不同于传统太阳电池的独特工作原理和高的光电转换效率，吸引了世界上各国科学家来深入探索其内在机理，并尝试进一步提高其光电转换效率。应用和理论两方面的推力使得染料敏化太阳电池自诞生起就受到广泛关注，并投入了大量人力、物力进行相关研究。
染料敏化太阳电池涉及了无机纳晶半导体、有机染料、电解质、氧化还原对、催化对电极等很多相关的研究方向。近30年来科学家们对染料敏化太阳电池的探索获得了大量的科研成果，开发出大量宽光谱有机染料、新结构纳米半导体材料、高性能氧化还原电对及高催化活性对电极，这些研究成果对于光化学、电化学、电催化等领域的研究都有很大促进，并催生了量子点敏化太阳电池和钙钛矿太阳电池的诞生。此外，染料敏化太阳电池在大面积模块以及实际应用中也取得了初步成效。因此很有必要对这些工作进行一个比较系统的总结和梳理，并确定未来的目标。这就是本书编写的初衷。
《染料敏化太阳电池》共分12章，第1章的太阳能与太阳电池由林原编写，主要介绍了可再生能源的基本情况和太阳电池，特别是染料敏化太阳电池的工作原理。第2章的染料敏化太阳电池光阳极材料以及第3章的染料敏化太阳电池光阳极结构由傅年庆编写，主要介绍了构成染料敏化太阳电池的半导体材料的种类，以及纳米半导体的微结构状态和制备方法。第4章的染料敏化太阳电池金属-有机配合物染料以及第5章的染料敏化太阳电池纯有机染料由方艳艳、程红波、檀伟伟编写，介绍了金属-有机配合物染料及纯有机染料两类染料的结构、性能及在电池中的表现。第6章的染料敏化太阳电池电解质体系由李敏玉编写，主要介绍了染料敏化太阳电池中的液态、准固态以及固态电解质的组成与性能。第7章的染料敏化太阳电池氧化还原电对由向万春编写，主要介绍了卤素、有机及金属配合物氧化还原电对，以及这些电对的特点和在提高染料敏化电池效率方面的贡献。第8章的染料敏化太阳电池对电极由王桂强编写，主要介绍了铂、合金、金属氧化物、金属硫化物、金属氮化物、有机半导体以及碳基和碳基复合对电极的研究进展。第9章的叠层染料敏化太阳电池由李胜军编写，介绍了叠层染料敏化电池的工作原理、分类以及研究进展。第10章的柔性染料敏化太阳电池由段彦栋编写，介绍了柔性染料敏化太阳电池的材料、结构特点和特殊的制备工艺等。第11章的染料敏化太阳电池的测量与研究手段由张敬波编写，主要介绍了染料敏化太阳电池性能测试和机理研究所涉及的方法和原理。第12章的染料敏化太阳电池展望与启示由林原编写，论述了染料敏化太阳电池未来在理论、效率及应用等各方面的发展前景。此外，本书大量的校对工作和格式整理等方面的工作主要由马品和殷雄负责。
目前，商品硅太阳电池产业链的完善和生产规模的扩大导致其价格一路狂降，现已低至每瓦2～3元，并还有进一步下降的趋势。同时，钙钛矿太阳电池的迅猛发展使全世界科学家的目光大部分转向了钙钛矿太阳电池。硅电池成本的降低和钙钛矿电池效率的快速提升两方面的因素使得近年来染料敏化太阳电池的研究暂时处于一个低谷期，但是随着新型染料和新型氧化还原对的开发，染料敏化太阳电池的光电转换效率仍有较大的提升空间。此外，在实用方面，染料敏化太阳电池在弱光、室内、柔性、装饰等方面有其特殊的优点。因为无论是科研探索还是实际应用，染料敏化太阳电池仍有很大的价值，故其相关的研究仍将继续进行。
在本书的编写过程中，编著者力求文字叙述简洁，图表表述清晰，数据提供准确，文献参考权威。本书对染料敏化太阳电池进行了一个比较完整的综述，希望对从事新型太阳电池研究的学者、研究生以及大学生提供有益的帮助。由于编者的知识水平有限、时间紧迫，书中难免存在不妥和疏漏之处，衷心希望得到广大读者和各位专家的批评与指正。

编著者
2020年1月

目录：

第1章　太阳能与太阳电池 001
1.1　可再生能源与太阳能 002
1.1.1　可再生能源利用的意义 002
1.1.2　可再生能源的种类 002
1.1.3　可再生能源利用的难点 003
1.2　太阳能的利用与太阳电池 004
1.2.1　太阳能的特点和利用方式 004
1.2.2　太阳电池的分类 005
1.2.3　太阳电池发电的历史和现状 005
1.3　太阳电池的工作原理 009
1.3.1　半导体物理基础 009
1.3.2　半导体中的光电转换过程 010
1.3.3　表征太阳电池性能的参数 011
1.3.4　太阳电池的转换效率 012
1.4　染料敏化太阳电池 014
1.4.1　染料敏化太阳电池的历史 014
1.4.2　染料敏化纳晶太阳电池的工作原理 016
参考文献 019

第2章　染料敏化太阳电池光阳极材料 021
2.1　染料敏化太阳电池光阳极材料功能与性能要求 022
2.1.1　染料敏化太阳电池光阳极材料的功能 022
2.1.2　染料敏化太阳电池光阳极性能要求 022
2.2　染料敏化太阳电池中常用光阳极材料 025
2.2.1　二元氧化物半导体光阳极材料 026
2.2.2　三元氧化物半导体材料 031
2.2.3　复合物光阳极材料 032
2.3　染料敏化太阳电池光阳极材料及电极制备工艺 038
2.3.1　光阳极纳米材料的制备方法 038
2.3.2　多孔纳晶薄膜光阳极的制备方法 042
参考文献 049

第3章　染料敏化太阳电池光阳极结构 059
3.1　染料敏化太阳电池光阳极的维度 060
3.1.1　零维光阳极结构 060
3.1.2　一维光阳极结构 062
3.1.3　三维光阳极结构 073
3.1.4　分级杂化有序光阳极 077
3.2　光吸收增强型光阳极 083
3.2.1　光散射光阳极结构 084
3.2.2　光子晶体光阳极 087
3.2.3　金属等离子体激元增强型光阳极 090
3.3　光谱响应拓宽型光阳极结构 094
3.3.1　多染料共敏化光阳极 094
3.3.2　上/ 下转换发光增强光阳极 098
3.4　光阳极的掺杂改性与表面修饰 101
3.4.1　光阳极的掺杂改性 101
3.4.2　光阳极的表面修饰 104
参考文献 107

第4章　染料敏化太阳电池金属-有机配合物染料 123
4.1　用于染料敏化太阳电池的染料的研究与发展 124
4.2　金属-有机配合物染料概述 125
4.2.1　多吡啶钌配合物染料 125
4.2.2　其他金属- 有机配合物染料 131
4.2.3　金属卟啉配合物染料 132
4.3　金属-有机配合物染料的发展展望 139
参考文献 139

第5章　染料敏化太阳电池纯有机染料 147
5.1　纯有机染料概述 148
5.2　香豆素类有机染料 149
5.3　吲哚啉类有机染料 150
5.4　三芳胺类有机染料 155
5.5　其他有机染料 161
5.6　有机染料的发展展望 165
参考文献 165

第6章　染料敏化太阳电池电解质体系 171
6.1　液态电解质 172
6.1.1　有机溶剂电解质 172
6.1.2　离子液体电解质 174
6.2　准固态（凝胶）电解质 176
6.2.1　聚合物凝胶电解质 176
6.2.2　离子液体聚合物凝胶电解质 180
6.2.3　纳米复合凝胶电解质 182
6.2.4　有机小分子凝胶剂型凝胶电解质 186
6.2.5　化学交联型凝胶电解质 187
6.3　固态电解质 190
6.3.1　无机P型半导体固态电解质 191
6.3.2　有机P型半导体固态电解质 192
6.3.3　离子导电聚合物固态电解质 196
6.3.4　其他类型固态电解质 199
6.4　展望 200
参考文献 201

第7章　染料敏化太阳电池氧化还原电对 217
7.1　卤素氧化还原电对 218
7.1.1　碘氧化还原电对 218
7.1.2　溴电对 219
7.1.3　类卤素电对 220
7.2　金属配合物电对 220
7.2.1　钴配合物电对 221
7.2.2　铜配合物电对 231
7.2.3　铁配合物电对 233
7.2.4　其他金属配合物电对 234
7.3　有机电对 235
7.3.1　TEMPO 235
7.3.2　多硫电对 235
7.4　水电解质的氧化还原电对 237
7.5　混合电对体系 238
7.6　展望 241
参考文献 242

第8章　染料敏化太阳电池对电极 251
8.1　对电极的基本结构和功能 252
8.2　对电极的制备技术及性能分析方法 253
8.2.1　对电极的制备技术 253
8.2.2　对电极的性能分析方法 257
8.3　金属对电极 261
8.3.1　铂对电极 261
8.3.2　其他金属对电极 264
8.3.3　合金对电极 265
8.4　过渡金属化合物对电极 267
8.4.1　过渡金属硫化物和氧化物对电极 267
8.4.2　过渡金属氮化物和碳化物对电极 271
8.5　碳材料和掺杂碳材料对电极 273
8.5.1　碳材料对电极 274
8.5.2　掺杂碳材料对电极 280
8.6　导电聚合物对电极 284
8.6.1　聚苯胺对电极 284
8.6.2　聚吡咯对电极 287
8.6.3　聚（3，4-乙烯二氧噻吩）对电极 289
8.7　碳基复合对电极 291
8.7.1　Pt/碳复合对电极 292
8.7.2　过渡金属化合物/碳复合对电极 293
8.7.3　导电聚合物/碳复合对电极 297
参考文献 298

第9章　叠层染料敏化太阳电池 303
9.1　太阳电池的极限效率 304
9.1.1　S-Q极限效率 304
9.1.2　突破S-Q极限效率的几种方法 305
9.1.3　叠层太阳电池的结构与效率 307
9.2　串联结构叠层染料敏化太阳电池 309
9.3　并联结构叠层染料敏化太阳电池 311
9.4　共敏化结构染料敏化太阳电池 314
9.5　P-N叠层染料敏化太阳电池 317
9.5.1　P-N叠层染料敏化太阳电池的结构及工作原理 317
9.5.2　P-N叠层染料敏化太阳电池的光阴极 319
9.5.3　P-N叠层染料敏化太阳电池的研究现状 321
9.6　染料敏化太阳电池与其他光伏器件的叠层 322
9.7　叠层染料敏化太阳电池的应用 327
参考文献 330

第10章　柔性染料敏化太阳电池 337
10.1　引言 338
10.2　基于柔性衬底的光阳极 338
10.2.1　聚合物衬底 338
10.2.2　金属衬底 344
10.3　基于柔性衬底的对电极 345
10.3.1　铂对电极在塑料基底上的低温制备 345
10.3.2　在金属基底上制备铂电极 347
10.3.3　在柔性基底上制备碳材料 348
10.3.4　聚合物对电极 350
10.3.5　无机化合物 350
10.4　纤维型柔性染料敏化太阳电池 350
10.4.1　金属纤维材料 351
10.4.2　碳纤维材料 353
10.4.3　聚合物纤维材料 354
10.4.4　光纤材料 355
10.5　电解质 356
10.6　大面积全柔组件的制备 356
10.7　展望 358
参考文献 358

第11章　染料敏化太阳电池的测量与研究手段 361
11.1　光电转换性能的测量 362
11.1.1　J -V特性测试 363
11.1.2　光谱响应特性测试 365
11.2　染料敏化太阳电池能级结构的研究手段 367
11.2.1　电化学循环伏安法 367
11.2.2　Mott-Schottky法 369
11.3　染料敏化太阳电池光生电子动力学过程的研究手段 370
11.3.1　开路光电压衰减法 370
11.3.2　短路光电流衰减法 371
11.3.3　电化学阻抗测试 372
11.3.4　强度调制光电流谱 374
11.4　常规测试方法在染料敏化太阳电池中的应用 376
参考文献 378

第12章　染料敏化太阳电池展望与启示 380
12.1　染料敏化太阳电池效率展望 381
12.2　染料敏化太阳电池应用展望 384
12.3　染料敏化太阳电池基础研究展望 385
12.3.1　染料敏化太阳电池相关材料的研究 385
12.3.2　染料敏化太阳电池机理研究 386
12.3.3　染料敏化太阳电池应用研究 387
12.4　染料敏化太阳电池发展启示 387
参考文献 387