染料敏化太陽能電池主要由表面吸附了染料敏化劑的半導(dǎo)體電極、電解質(zhì)、Pt對(duì)電極組成。

染料敏化太陽能電池結(jié)構(gòu)圖當(dāng)有入射光時(shí)，染料敏化劑首先被激發(fā)，處于激發(fā)態(tài)的染料敏化劑將電子注入半導(dǎo)體的導(dǎo)帶。氧化態(tài)的染料敏化劑被中繼電解質(zhì)所還原，中繼分子擴(kuò)散至對(duì)電極充電。這樣，開路時(shí)兩極產(chǎn)生光電勢(shì)，經(jīng)負(fù)載閉路則在外電路產(chǎn)生相應(yīng)的光電流。

染料敏化太陽能電池工作原理圖通過超快光譜實(shí)驗(yàn)可得出染料敏化太陽能電池各個(gè)反應(yīng)步驟速率常數(shù)的數(shù)量級(jí)：①染料(S)受光激發(fā)由基態(tài)躍遷到激發(fā)態(tài)（S*）：S+hυ→S*②激發(fā)態(tài)染料分子將電子注入到半導(dǎo)體的導(dǎo)帶中：S*→S++e-(CB)，kinj=1010~1012s-1③I-離子還原氧化態(tài)染料可以使染料再生：3I-+2S+→I3-+2S，k3=108s-1④導(dǎo)帶中的電子與氧化態(tài)染料之間的復(fù)合：

S++e-(CB)→S，kb=106s-1⑤導(dǎo)帶中的電子在納米晶網(wǎng)絡(luò)中傳輸?shù)胶蠼佑|面(backcontact，BC)后而流入到外電路中：e-(CB)→e-(BC)，k5=103~100s-1⑥納米晶膜中傳輸?shù)碾娮优c進(jìn)入TiO2膜的孔中的I3-離子復(fù)合：I3-+2e-(CB)→3I-，J0=10-11~10-9Acm-2⑦I3-離子擴(kuò)散到對(duì)電極上得到電子使I-離子再生：I3-+2e-(CE)→3I-，J0=10-2~10-1Acm-2激發(fā)態(tài)的壽命越長，越有利于電子的注入，而激發(fā)態(tài)的壽命越短，激發(fā)態(tài)分子有可能來不及將電子注入到半導(dǎo)體的導(dǎo)帶中就已經(jīng)通過非輻射衰減而返回到基態(tài)。②、④兩步為決定電子注入效率的關(guān)鍵步驟。電子注入速率常數(shù)（kinj）與逆反應(yīng)速率常數(shù)（kb）之比越大（一般大于三個(gè)數(shù)量級(jí)），電子復(fù)合的機(jī)會(huì)越小，電子注入的效率就越高。I-離子還原氧化態(tài)染料可以使染料再生，從而使染料不斷地將電子注入到二氧化鈦的導(dǎo)帶中。步驟⑥是造成電流損失的一個(gè)主要原因，因此電子在納米晶網(wǎng)絡(luò)中的傳輸速度(k5)越大，電子與I3-離子復(fù)合的交換電流密度(J0)越小，電流損失就越小。步驟③生成的I3-離子擴(kuò)散到對(duì)電極上得到電子變成離子I-(步驟⑦)，從而使I-離子再生并完成電流循環(huán)。DSC的結(jié)構(gòu)組成：主要由納米多孔半導(dǎo)體薄膜、染料敏化劑、氧化還原電解質(zhì)、對(duì)電極和導(dǎo)電基底等幾部分組成。納米多孔半導(dǎo)體薄膜通常為金屬氧化物（TiO2、SnO2、ZnO等），聚集在有透明導(dǎo)電膜的玻璃板上作為DSC的負(fù)極。對(duì)電極作為還原催化劑，通常在帶有透明導(dǎo)電膜的玻璃上鍍上鉑。敏化染料吸附在納米多孔二氧化鈦膜面上。正負(fù)極間填充的是含有氧化還原電對(duì)的電解質(zhì)，最常用的是I3/I-。

染料敏化太陽能電池工作原理

（1）染料分子受太陽光照射后由基態(tài)躍遷至激發(fā)態(tài)；

（2）處于激發(fā)態(tài)的染料分子將電子注入到半導(dǎo)體的導(dǎo)帶中；

（3）電子擴(kuò)散至導(dǎo)電基底，后流入外電路中；

（4）處于氧化態(tài)的染料被還原態(tài)的電解質(zhì)還原再生；

（5）氧化態(tài)的電解質(zhì)在對(duì)電極接受電子后被還原，從而完成一個(gè)循環(huán)；

（6）和⑺分別為注入到TiO2導(dǎo)帶中的電子和氧化態(tài)染料間的復(fù)合及導(dǎo)帶上的電子和氧化態(tài)的電解質(zhì)間的復(fù)合。

研究結(jié)果表明：只有非常靠近TiO2表面的敏化劑分子才能順利把電子注入到TiO2導(dǎo)帶中去，多層敏化劑的吸附反而會(huì)阻礙電子運(yùn)輸；染料色激發(fā)態(tài)壽命很短，必須與電極緊密結(jié)合，最好能化學(xué)吸附到電極上；染料分子的光譜響應(yīng)范圍和量子產(chǎn)率是影響DSC的光子俘獲量的關(guān)鍵因素。到目前為止，電子在染料敏化二氧化鈦納米晶電極中的傳輸機(jī)理還不十分清楚，有Weller等的隧穿機(jī)理、Lindquist等的擴(kuò)散模型等，有待于進(jìn)一步研究。