染料敏化太陽電池光電能量轉(zhuǎn)換效率的測定實驗報告

1、染料敏化太陽電池光電能量轉(zhuǎn)換效率的測定一、 實驗目的1. 了解染料敏化太陽電池的基本工作原理，學習CHI630電化學工作站的基本功能和調(diào)諧方法(或恒電位儀測量光電流的方法)；2. 了解染料敏化太陽電池的基本結(jié)構(gòu)，測定方法；3. 掌握利用I-V曲線計算染料敏化太陽電池的能量轉(zhuǎn)換效率二、 實驗原理太陽能的利用是一個永恒的課題。染料敏化納米晶光電化學電池以其低成本和高效率而成為硅太陽能電池的有力競爭者。染料敏化太陽電池是由透明導電玻璃、TiO2多孔納米膜、電解質(zhì)溶液以及鍍鉑鏡對電極構(gòu)成的“三明治”式結(jié)構(gòu)。圖1染料敏化太陽電池的結(jié)構(gòu)示意圖與p-n結(jié)固態(tài)太陽能電池不同的是，在染料敏化太陽電池中光的吸收和

2、光生電荷的分離是分開的。圖2是染料敏化太陽電池的能級分布和工作原理圖。圖2染料敏化納米晶太陽能電池的工作原理Ecb半導體的導帶邊;Evb半導體的價帶邊; D,D分別是染料的基態(tài)和激發(fā)態(tài); I,I是氧化還原電解質(zhì)。對電極表面鍍一層金屬鉑 上圖表示在光照射太陽電池后,電池內(nèi)的電子直接轉(zhuǎn)移過程。(1)染料分子的激發(fā)。(2)染料分子中激發(fā)態(tài)的電子注入到TiO2的導帶,CB和VB分別表示TiO2的導帶底和價帶頂。從圖中可以看出染料分子的能帶最好與TiO2的能帶重疊,這有利于電的注入。(3)染料分子通過接受來自電子供體的電子,得以再生。(4)注入到TiO2導帶中的電子與氧化態(tài)染料之間的復合,此過程會減少流

3、入到外電路中電子的數(shù)量,降低電池的光電流。(5)注入到TiO2導帶中的電子通過TiO2網(wǎng)格,傳輸TiO2膜與導電玻璃的接觸面后流入到外電路,產(chǎn)生光電流。(6)在TiO2中傳輸?shù)碾娮优c間的復合反應(yīng)。(7) 離子擴散到對電極被還原再生,完成外電路中電流循環(huán)。太陽能電池的性能測試系統(tǒng)主要分為五部分，分別為光源，透鏡，電池器件，電化學工作站(恒電位儀)，計算機，通過對太陽能電池光照下的電流/電壓曲線的分析，來測試染料敏化TiO2納米晶光電化學電池的光電壓，光電流，光電轉(zhuǎn)換效率等性能。衡量光電化學太陽能電池的性能主要有五個評價參數(shù)：短路光電流(ISC)、開路光電壓(VOC)、填充因子(FF)、入射光子到

4、電子的轉(zhuǎn)換效率(IPCE)和能量轉(zhuǎn)換效率()。(1) 短路光電流(ISC)：太陽能電池在短路條件下的工作電流。此時，電池輸出的電壓為零。(2) 開路光電壓(VOC)：太陽能電池在開路條件下的輸出電壓。此時，電池的輸出電流為零。(3) 填充因子(FF)：填充因子定義為：FF= Pmax / ISC VOC。(4) 能量轉(zhuǎn)換效率()：定義為太陽能電池的最大功率輸出與入射太陽光的能量(Plight)之比。三、 儀器裝置和樣品1. 染料敏化的納米晶太陽電池（未注入電解液）2. 微量進樣器3. 標準電解液：0.1 mol/L LiI ， 0.05mol/L I2 ，0.5 mol/L 4叔丁基吡啶（溶劑

5、為體積比為1：1的PC和乙氰的混合物）4. 恒電位儀，三電極體系（工作電極，參比電極，對電極）5. 輻照計（FZ-A型）6. 氙燈光源（功率500W）7. 光學導軌及透鏡四、 實驗步驟1. 調(diào)節(jié)光路：打開氙燈光源，將輻照計固定在導軌上。調(diào)節(jié)輻照計的相對距離，使輻照強度達到100mW/cm2并固定位置。2. 打開恒電位儀和計算機電源，屏幕顯示清晰后，再打開恒電位儀測量窗口。3. 使用微量進樣器抽取一定量的標準電解液，并將標準電解液沿縫隙邊緣灌注至染料敏化納米晶太陽電池中。將工作電極夾在電池的照光一端，參比電極和對電極夾在另一端。固定在步驟1中所述位置。4. 使用恒電位儀測量太陽電池的I-V曲線。

6、5. 重復測量輻射照度為75mW/cm2和50mW/cm2下太陽電池的I-V曲線。五、 結(jié)果處理1. 根據(jù)實驗數(shù)據(jù)作出染料敏化太陽電池的IV曲線圖1。圖1染料敏化太陽電池的I-V曲線2. 利用IV曲線作圖得到染料敏化太陽電池的功率輸出曲線圖2。圖2染料敏化太陽電池的P-V曲線3. 根據(jù)圖1和圖2得出：Plight（mW/cm2）ISC（mA）VOC（V）Pmax（mW/cm2）FF(%)(%)500.4135029620.0405133.10.081750.46010.30050.0441331.90.0591000.68450.36680.0800331.90.080注：FF=Pmax/(I

7、sc*Voc)六、思考題1. 討論影響太陽電池的光電能量轉(zhuǎn)化效率的因素。答：影響太陽電池的光電能量轉(zhuǎn)化效率的因素主要有：（1） 電池板材料的厚度和外形：我們知道，太陽能電池愈薄，電子的移動路徑愈短，則其光電轉(zhuǎn)化效率愈高。電池板的外形也會影響其光電轉(zhuǎn)化效率，這是由于光照射到電池板上，在正反兩面發(fā)生的反射、折射等現(xiàn)象，從而降低了電池的短路電流。適當?shù)碾姵赝庑偷母淖?如表面粗化處理、電極形狀)可以增加陽光入射量、太陽光版的角度調(diào)整等，從而提高其光電轉(zhuǎn)化效率；（2） 輻射強度：輻射強度不僅影響電流收集（短路電流）而且影響正向偏壓注入電流（開路電壓），因此會影響太陽能電池的光電轉(zhuǎn)化效率；（3） 電阻的大

8、?。焊鶕?jù)電路知識，太陽能電池等效為一個理想電流源、一個正向二極管、一個串聯(lián)電阻和一個并聯(lián)電阻。所以，在負載一定的情況下，串聯(lián)電阻越大，并聯(lián)電阻越小，那么電流在輸出的過程中的損耗就越大，即流經(jīng)負載上的電流就越小。最終其光電轉(zhuǎn)化效率越低，反之將越高。2. 不同輻照強度對能量轉(zhuǎn)化效率有何影響？答:由本次實驗結(jié)果可知：輻射強度越高，能量轉(zhuǎn)化效率越高。反之，能量轉(zhuǎn)化效率越低。3. 根據(jù)染料敏化太陽電池的結(jié)構(gòu)和原理，討論如何構(gòu)筑高效率的染料敏化太陽電池器件。答：1.為了盡量減少光學損失，我們主要有以下措施：1 電池表面的上接觸面積盡可能的小(盡管這可能會提高串聯(lián)電阻）2 光照面使用減反射膜3 利用表面刻蝕

9、減少反射4 增加電池厚度提高光吸收（盡管由于載流子復合吸收的光不一定貢獻電流）表面刻蝕與陷光結(jié)構(gòu)增加光在電池中的光路2. 減少電子空穴對的復合采用具有合適性能的半導體材料(尤其是光生載流產(chǎn)壽命長的材料)可以將載流產(chǎn)復合損失降至最低，也就是減少材料缺陷從而消除載流子復合通道。 3.電極設(shè)計電極就是與P-N結(jié)兩端形成緊密歐姆接觸的導電材料。這樣的材料應(yīng)該滿足：與硅可形成牢固的接觸而且接觸電阻小、導電性優(yōu)良、遮擋面積小、收集效率高等要求。所示設(shè)計原則：讓電池的輸出最大，即電池的串聯(lián)電阻盡可能小且電池的光照作用面積盡可能大。商品化電池生產(chǎn)中大量被采用的工藝是鋁漿印刷。4.減小串聯(lián)電阻，增大并聯(lián)電阻串聯(lián)電