天然染料敏化TiO太陽(yáng)能電池的制備及光電性能測(cè)試試驗(yàn)報(bào)告

1、天然染料敏化 TiO 太陽(yáng)能電池的制備及光電性能測(cè)試實(shí)驗(yàn)報(bào)告集團(tuán)文件版本號(hào)：(M928T898M248-WU2669-I2896-DQ586M1988)天然染料敏化TiO2太陽(yáng)能電池的制備及光電性能測(cè)試一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?. 了解染料敏化納米TiO：太陽(yáng)能電池的工作原理及性能特點(diǎn).2. 掌握合成納米TiO,溶膠的方法、染料敏化太陽(yáng)能電池光陽(yáng)極的制備 方法以及電池的組裝方法.3. 掌握評(píng)價(jià)染料敏化太陽(yáng)能電池性能的方法.二、實(shí)驗(yàn)原理一、DSSC結(jié)構(gòu)和工作原理DSSC結(jié)構(gòu)：染料敏化太陽(yáng)能電池的結(jié)構(gòu)是一種“三明治結(jié)構(gòu),如 圖1所示,主要由以下兒個(gè)局部組成：導(dǎo)電玻璃、染料光敏化劑、多孔 結(jié)構(gòu)的TiOi半導(dǎo)體納

2、米晶薄膜、電解質(zhì)和鉗電極.其中吸附了染料的半 導(dǎo)體納米晶薄膜稱為光陽(yáng)極,鉗電極叫做對(duì)電極或光陰極.DSSC電池的工作原理：電池中的TiO：禁帶寬度為3.2 eV,只能吸收 紫外區(qū)域的太陽(yáng)光,可見光不能將它激發(fā),于是在TiO：膜外表覆蓋一層 染料光敏劑來(lái)吸收更寬的可見光,當(dāng)太陽(yáng)光照射在染料上,染料分子中 的電子受激發(fā)躍遷至激發(fā)態(tài),由于激發(fā)態(tài)不穩(wěn)定,并且染料與TiO：薄膜 接觸,電子于是注入到TiO,導(dǎo)帶中,此時(shí)染料分子自身變?yōu)檠趸瘧B(tài).注 入到TiO：導(dǎo)帶中的電子進(jìn)入導(dǎo)帶底,最終通過(guò)外電路流向?qū)﹄姌O,形成 光電流.處于氧化態(tài)的染料分子在陽(yáng)極被電解質(zhì)溶液中的復(fù)原為基 態(tài),電解質(zhì)中的I被從陰極進(jìn)入的電

3、子復(fù)原成,這樣就完成一個(gè)光電 化學(xué)反響循環(huán).但是反響過(guò)程中,假設(shè)電解質(zhì)溶液中的V在光陽(yáng)極上被TiO,導(dǎo)帶中的電子復(fù)原,那么外電路中的電子將減少,這就是類似硅電池中 的“喑電流.整個(gè)反響過(guò)程可用如下表示：(1) 染料D受激發(fā)由基態(tài)躍遷到激發(fā)態(tài)D*：D +力r ? D*(2) 激發(fā)態(tài)染料分子將電子注入到半導(dǎo)體導(dǎo)帶中：廳？ D*+ e-(3) 廠復(fù)原氧化態(tài)染料分子：3r 4- 2D+ ?13+ 2D(4) I擴(kuò)散到對(duì)電極上得到電子使廠再生：+2J? 3廠(5) 氧化態(tài)染料與導(dǎo)帶中的電子復(fù)合：?+ e- ? D(6) 半導(dǎo)體多孔膜中的電子與進(jìn)入多孔膜中叮 復(fù)合：叮+2J ? 31- 其中,反響(5)的

4、反響速率越小,電子復(fù)合的時(shí)機(jī)越小,電子注入的效率 就越高；反響(6)是造成電流損失的主要原因.光陽(yáng)極目前,DSSC常用的光陽(yáng)極是納米TiO：o TiO：是一種價(jià)格廉價(jià),應(yīng)用 廣泛,無(wú)污染,穩(wěn)定且抗腐蝕性能良好的半導(dǎo)體材料.TiO,有銳鈦礦型 (Anatase)和金紅石型(Rutile)兩種不同晶型,其中銳鈦礦型的TiO：帶隙 (3. 2eV)略大于金紅石型的能帶隙(3.1 eV),且比外表積略大于金紅石, 對(duì)染料的吸附水平較好,因而光圖1 DSSC結(jié)構(gòu)與工作原理圖電轉(zhuǎn)換性能較好.因此目前使用的都是銳鈦礦型的TiO：.研究發(fā)現(xiàn),銳 鈦礦在低溫穩(wěn)定,高溫那么轉(zhuǎn)化為金紅石,為了得到純銳鈦礦型的TiO

5、2, 退火溫度為450°C.染料敏化劑的特點(diǎn)和種類用于DSSC電池的敏化劑染料應(yīng)滿足以下兒點(diǎn)要求：牢固吸附于 半導(dǎo)體材料；氧化態(tài)和激發(fā)態(tài)有較高的穩(wěn)定性;在可見區(qū)有較高的吸 收;有一長(zhǎng)壽命的激發(fā)態(tài);足夠負(fù)的激發(fā)態(tài)氧化復(fù)原勢(shì)以使電子注入 半導(dǎo)體導(dǎo)帶;對(duì)于基態(tài)和激發(fā)態(tài)氧化復(fù)原過(guò)程要有低的動(dòng)力勢(shì)壘,以便 在初級(jí)電子轉(zhuǎn)移步驟中自由能損失最小.目前使用的染料可分為4類：第一類為釘多毗嚨有機(jī)金屬配合物.這類染料在可見光區(qū)有較強(qiáng)的 吸收,氧化復(fù)原性能可逆,氧化態(tài)穩(wěn)定性高,是性能優(yōu)越的光敏化染 料.用這類染料敏化的DSSC太陽(yáng)能電池保持著目前最高的轉(zhuǎn)化效率.但 原料本錢較高.第二類為釀?shì)己洼碱愊盗腥玖?/p>

6、.釀?shì)挤肿又幸牖撬峄?、竣酸基?能與Ti02外表結(jié)合的基團(tuán)后,可用做敏化染料.分子中的金屬原子可為 Zn、Cu、Fe、Ti和Co等金屬原子.它的化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定,對(duì)太陽(yáng)光有很高 的吸收效率,自身也表現(xiàn)出很好的半導(dǎo)體性質(zhì).而且通過(guò)改變不同的金 屬可獲得不同能級(jí)的染料分子,這些都有利于光電轉(zhuǎn)化.第三類為天然染料.自然界經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的進(jìn)化,演化出了許多性能優(yōu) 異的染料,廣泛分布于各種植物中,提取方法簡(jiǎn)單.因此近兒年來(lái),很 多研究考都在探索從天然染料或色素中篩選出適合于光電轉(zhuǎn)化的染料. 植物的葉子具有光化學(xué)能轉(zhuǎn)化的功能,因此,從綠葉中提取的葉綠素應(yīng) 有一定的光敏活性.從植物的花中提取的花青素也有較好的光電性

7、能, 有望成為高效的敏化染料.天然染料突出的特點(diǎn)是本錢低,所需的設(shè)備 簡(jiǎn)單.第四類為固體染料.利用窄禁帶半導(dǎo)體對(duì)可見光良好的吸收,可在TiO：納米多孔膜外表鍍一層窄禁帶半導(dǎo)體膜.例如InAs和PbS,利用其 半導(dǎo)體性質(zhì)和TiO：納米多孔膜的電荷傳輸性能,組成多結(jié)太陽(yáng)能電池. 窄禁帶半導(dǎo)體充當(dāng)敏化染料的作用,再利用固體電解質(zhì)組成全固態(tài)電 池.但窄禁帶半導(dǎo)體嚴(yán)重的光腐蝕阻礙了進(jìn)一步應(yīng)用.電解質(zhì)電解質(zhì)在電池中主要起傳輸電子和空穴的作用.目前DSSC電解質(zhì)通 常為液體電解質(zhì),主要由17叮、SCNJ/SCN FeCN6A/FeCN臚等 氧化復(fù)原電對(duì)構(gòu)成.但液態(tài)電解質(zhì)也存在一些缺點(diǎn)：1液態(tài)電解質(zhì)的存 在易

8、導(dǎo)致吸附在TiO：薄膜外表的染料解析,影響電池的穩(wěn)定性.2溶劑 會(huì)揮發(fā),可能與敏化染料作用導(dǎo)致染料發(fā)生光降解.3密封工藝復(fù) 雜,密封劑也可能與電解質(zhì)反響,因此所制得的太陽(yáng)能電池不能存放很 久.要使DSSC走向?qū)嵱?須首先解決電解質(zhì)問題,固體電解質(zhì)是解決上 述問題的有效途徑之一.光陰極電池的陰極一般由鍍了 Pt的導(dǎo)電玻璃構(gòu)成.導(dǎo)電玻璃一般用在DSSC 上的有兩種,它們分別是IT0摻In的SnOz膜和FTO摻F的SrA膜. 導(dǎo)電玻璃的透光率要求在85%以上,其方塊電阻為10- 20Q/cm2,導(dǎo)電玻 璃起著電子的傳輸和收集的作用.叮在光陰極上得到電子再生成離 子,該反響越快越好,但由于叮在光陰極上

9、復(fù)原的過(guò)電壓較大,反響較 慢.為了解決這個(gè)問題,可以在導(dǎo)電玻璃上鍍上一層Pt,降低了電池中 的暗反響速率,這可提升太陽(yáng)光的吸收率.二、染料敏化太陽(yáng)能電池性能指標(biāo)DSSC的性能測(cè)試目前通用的是使用輻射強(qiáng)度為1000 W/m的模擬太陽(yáng) 光,即AM1.5太陽(yáng)光標(biāo)準(zhǔn).評(píng)價(jià)的主要指標(biāo)包括：開路電壓VJ、短路 電流密度I、染料敏化太陽(yáng)電池的Z-7特性、填充因子FF、單色光 光電轉(zhuǎn)換效率IPCE和總光電轉(zhuǎn)換效率?小®.開路電壓指電路處于開路時(shí)DSSC的輸出電壓,表示太陽(yáng)能電池的電 壓輸出水平.短路電流指太陽(yáng)能電池處于短接狀態(tài)下流經(jīng)電池的電流大 小,表征太陽(yáng)能電池所能提供的最大電流.J和J是DSSC

10、的重要性能 參數(shù),要提升DSSC的光電性能,就要有高的J和判斷染料敏化太陽(yáng)能電池輸出待性的主要方法是測(cè)定其光電流和光 電壓曲線即Z-f特性曲線.填充因子是指太陽(yáng)能電池在最大輸出功率EJ 時(shí)的電流厶和電壓此的乘積與短路電流和開路電壓乘積的比值,是表 征因由電池內(nèi)部阻抗而導(dǎo)致的能量損失.DSSC的光電轉(zhuǎn)換效率是指在外部回路上得到最大輸出功率時(shí)的光電 轉(zhuǎn)換效率.對(duì)于光電轉(zhuǎn)換器件經(jīng)常用單色光光電轉(zhuǎn)換效率IPCE來(lái)衡量其 量子效率,IPCE定義為單位時(shí)間內(nèi)外電路中產(chǎn)生的電子數(shù)汕與單位時(shí)間 內(nèi)入射單色光電子數(shù)Np之比.由于太陽(yáng)光不是單色光,包括了整個(gè)波長(zhǎng), 因此對(duì)于DSSC常用總光電轉(zhuǎn)換效率來(lái)表示其光電性

11、能.？皿沁定義為電池 的最大輸出功率與入射光強(qiáng)的比.三、儀器與試劑一、儀器設(shè)備可控強(qiáng)度調(diào)光儀、紫外-可見分光光度計(jì)、超聲波清洗器、恒溫水浴 槽、多功能萬(wàn)用表、電動(dòng)攪拌器、馬弗爐、紅外線燈、研缽、三室電解 池、鉗片電極、飽和甘汞電極、石英比色皿、導(dǎo)電玻璃、鍍鉗導(dǎo)電玻 璃、錫紙、生料帶、三口燒瓶500mL、分液漏斗、布氏漏斗、抽慮 瓶、容量瓶、燒杯、躡子等.二、試劑材料鈦酸四丁酯、異丙醇、硝酸、無(wú)水乙醇、乙二醇、乙膳、碘、碘化 鉀、TBP、丙酮、石油醍、綠色葉片、紅色花瓣、去離子水四、實(shí)驗(yàn)步驟一、TiO：溶膠制備目前合成納米TiO：的方法有多種,如溶膠-凝膠法、水熱法、沉淀 法、電化學(xué)沉積法等.本

12、實(shí)驗(yàn)采用溶膠-凝膠法.1在500mL的三口燒瓶中參加1： 100 體積比的硝酸溶液約 50mL,將三口燒瓶置于65°C的恒溫水浴中恒溫.2在無(wú)水環(huán)境中,將5mL鈦酸丁酯參加含有2mL異丙醇的分液 漏斗中,將混合液充分震蕩后緩慢滴入約1滴/秒上述三口燒瓶中的 硝酸溶液中,并不斷攪拌,直至獲得透明的TiOj溶膠.二、TiO：電極制備取4片導(dǎo)電玻璃經(jīng)無(wú)水乙醇、去離子水沖洗、枯燥,分別將其插入 溶膠中浸泡提拉數(shù)次,直至形成均勻液膜.取出平置、自然晾干,在紅 外燈下烘干.最后在450£下于馬弗爐中鍛燒30min得到銳態(tài)礦型TiO：修 飾電極.三、染料敏化劑的制備和表征(1) 葉綠素的

13、提取釆集新鮮綠色幼葉,洗凈晾干,去主脈,稱取5g剪碎放入研缽,加 入少量石油瞇充分研磨,然后轉(zhuǎn)入燒杯,再參加約20mL石油醸,超聲提 取15min后過(guò)濾,棄去濾液.將濾渣自然風(fēng)干后轉(zhuǎn)入研缽中,再以同樣 的方法用20mL丙酮提取,過(guò)濾后收集濾液,即得到取出了葉黃素的葉綠 素丙酮溶液,作為敏化染料待用.(2) 花色素的提取稱取5g黃花的花瓣,洗凈晾干,放入研缽搗碎,參加95%乙醇溶液 淹沒浸泡5min后轉(zhuǎn)入燒杯,繼續(xù)參加約20mL乙醇,超聲波提取20min 后過(guò)濾,得到花紅素的乙醇溶液,作為敏化染料待用.(3) 染料敏化劑的UV-Vis吸收光譜測(cè)定以有機(jī)溶劑(丙酮或乙醇)做空白,在400-720n

14、m范圍內(nèi)以20nm為 間隔測(cè)定葉綠素和花紅素的紫外-可見光吸收光譜.由此確定染料敏化劑 的電子吸收波長(zhǎng)范圍.四、染料敏化電極制備、DSSC電池的組裝和光電性能測(cè)試(1)敏化電極制備經(jīng)過(guò)懶燒后的4片TiO2電極冷卻到80 °C左右,分別浸入上述兩類染 料溶液中,浸泡2、3 h后取出,清洗、晾干,即獲得經(jīng)過(guò)染料敏化的4 個(gè)Ti0:電極.然后采用錫薄膜在未覆蓋TiO：膜的導(dǎo)電玻璃上引出導(dǎo)電 極,并用水膠布外封.(2) DSSC電池組裝分別以染料敏化納米TiO2電極為工作電極,以空白導(dǎo)電電極為光陰 極,將電極與光陰極固定導(dǎo)電一面相對(duì),在其間隙中滴入以乙月青為溶 劑、以 0. 5mol/L KI+O. 5mol/L 12 + 0. 2 mol/L TBP 為溶質(zhì)的液態(tài)電解 質(zhì),封裝后即得到不同染料敏化的太陽(yáng)能電池.3光電性能測(cè)試將組裝好的DSSC電池放入分光光度計(jì)樣品室中,調(diào)節(jié)波長(zhǎng),用萬(wàn)用 表測(cè)電流并記錄數(shù)據(jù).五、數(shù)據(jù)記錄與處理1染料敏化劑的UV-Vis吸收曲線圖2.花青素敏化劑的UV-Vis吸收曲線圖3.葉綠素敏化劑的UV-Vis吸收曲線2波長(zhǎng)及對(duì)應(yīng)的短路電流曲線圖4.花青素敏化電池的短路電流曲線圖5.葉綠素敏化電池的短路電流【提問與思考