IPCE簡介及其在DSSC中的應(yīng)用

1、IPCE簡介及其在DSSC中的應(yīng)用摘要：本文簡明扼要的對IPCE做了介紹，其中包括原理、基本的概念、在太陽能方面的使用。也對其測試儀器系統(tǒng)做了介紹，包括儀器的組成、原理、使用的方法等。最后著重介紹了其在DSSC中的使用，并分析了其在DSSC中所起的重要作用，通過具體實(shí)例可以加強(qiáng)對IPCE的理解和認(rèn)識。關(guān)鍵字：IPCE;光電轉(zhuǎn)換效率；DSSC；應(yīng)用1. 隨著人類社會的進(jìn)步能源問題和環(huán)境問題已經(jīng)成為了制約人類社會發(fā)展的兩大熱點(diǎn)問題。太陽能作為一種綠色、安全、無污染、取之不盡用之不竭的新能源，已經(jīng)成為了目前最有潛力取代常規(guī)化石能源的成為人類社會主流能源之一的新能源。染料敏化納米晶太陽能電池（Dye

2、Sensitized Solar Cells 簡稱DSSC）作為太陽能電池的一種，自1991年瑞士科學(xué)家Grätzel報(bào)道以來，以其壽命長、生產(chǎn)工藝簡單、能源回收周期短、成本低、生產(chǎn)過程中無毒無污染的優(yōu)勢迅速發(fā)展為行業(yè)內(nèi)備受人們關(guān)注的研究熱點(diǎn)4。對其表征和測試也就顯得尤為重要，IPCE作為太陽能電池方面的一種重要的測試手段，科研工作者有必要了解。1.1 IPCE簡介 IPCE我們一般稱之為光電轉(zhuǎn)化效率或單色光光電轉(zhuǎn)換效率，學(xué)術(shù)術(shù)語為入射單色光子-電子轉(zhuǎn)化效率(monochromatic incident photon-to-electron conversion efficiency

3、，用縮寫IPCE表示)。IPCE的定義為：單位時間內(nèi)外電路中產(chǎn)生的電子數(shù)Ne與單位時間內(nèi)的入射單色光子數(shù)Np之比，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為：IPCE= 1240 Isc / (l Pin)，其中Isc、l和Pin所使用的單位分別為A cm-2 、nm和W m-2。實(shí)際應(yīng)用中，考慮到IPCE與光捕獲效率LHE (l)、電子注入量子效率finj及注入電子在納米晶膜與導(dǎo)電玻璃的后接觸面上的收集效率fc三部分相關(guān)，對公式進(jìn)行修正。所以對于同一體系，兩者相比，IPCE (l)能更好地表示電池對太陽能的利用程度，因?yàn)閒 (l)只考慮了被吸收光的光電轉(zhuǎn)化，而IPCE (l) 既考慮了被吸收光的光電轉(zhuǎn)化又考慮了光的吸收

4、程度。譬如，若某電極的光捕獲效率為1%，而實(shí)驗(yàn)測得量子效率 f (l) 為90%，但其IPCE (l) 只有0.9%。作為太陽能電池，必須考慮所有入射光的利用，所以用IPCE (l) 表示其光電轉(zhuǎn)化效率更合理；作為LB膜或自組裝膜敏化平板電極的研究主要用來篩選染料而不太注重光捕獲效率，所以常用f (l)表示光電轉(zhuǎn)化效果。在染料敏化太陽能電池即DSSC中，IPCE (l) 與入射光波長之間的關(guān)系曲線為光電流工作譜1。太陽能電池的IPCE是指太陽能電池的電荷載流子數(shù)目與照射在太陽能電池表面一定能量的光子數(shù)目的比率。因此，太陽能電池的IPCE與太陽能電池對照射在太陽能電池表面的各個波長的光的響應(yīng)有關(guān)

5、。太陽能電池的IPCE與光的波長或者能量有關(guān)。如果對于一定的波長，太陽能電池完全吸收了所有的光子，并且我們搜集到由此產(chǎn)生的少數(shù)載流子（例如，電子在P型材料上），那么太陽能電池在此波長的IPCE為1。對于能量低于能帶隙的光子，太陽能電池的IPCE為0。理想中的太陽能電池的IPCE圖形是一個正方形，也就是說，對于測試的各個波長的太陽能電池IPCE是一個常數(shù)2。但是，絕大多數(shù)太陽能電池的IPCE會由于再結(jié)合效應(yīng)而降低，這里的電荷載流子不能流到外部電路中。用專業(yè)術(shù)語來說的話，綜合器件的厚度和入射光子規(guī)范的數(shù)目來說，太陽能電池的量子效率可以被看作是太陽能電池對單一波長的光的吸收能力。 1.2 IPCE測

6、試系統(tǒng)太陽能電池的IPCE通過用波長可調(diào)的單色光照射太陽能電池，同時測量太陽能電池在不同波長的單色光照射下產(chǎn)生的短路電流,從而得到太陽能電池的IPCE。通常太陽能電池IPCE的測試需要由寬帶光源、單色儀、信號放大、模塊、光強(qiáng)校準(zhǔn)模塊、計(jì)算機(jī)控制和數(shù)據(jù)采集處理模塊組成。IPCE測試系統(tǒng)的特點(diǎn)是用調(diào)制光代替直流光，減少了雜散光、噪聲等對測量精度的影響。同時采用錐腔型熱釋電探測器代替熱電堆探測器，用鎖相測量儀器代替直流測量儀器并增加溫度控制，以便提高測量系統(tǒng)的靈敏度和光譜響應(yīng)度標(biāo)準(zhǔn)的平坦程度，進(jìn)而提高準(zhǔn)確度。以以雙單色儀代替單色儀，大大減少雜散光，同時增加了光譜響應(yīng)度的絕對定標(biāo)6。該系統(tǒng)可以根據(jù)用戶

7、靈活地根據(jù)客戶需求進(jìn)行變形、組合?？梢酝瓿衫缣柲茈姵豂PCE測試，光電器件光譜響應(yīng)度分析等實(shí)驗(yàn)。1.3 IPCE的使用方法 打開光源（檢查氙燈 300瓦），讓其穩(wěn)定10-15分鐘。開電腦、單色儀和功率計(jì)；打開軟件開始測試；選擇掃描波段；掃描參比光強(qiáng)數(shù)據(jù)并保存；導(dǎo)入?yún)⒈裙鈴?qiáng)數(shù)據(jù)和所用標(biāo)準(zhǔn)電池的校準(zhǔn)數(shù)據(jù)；掃描樣品的量子效率；測試完成，關(guān)閉軟件再關(guān)機(jī)，關(guān)閉光源、電源。其測量原理是通過光源從單色儀出射的單色光，分別照射在被測染料敏化太陽能與標(biāo)準(zhǔn)硅探測器上，二者接在A、B兩個通道上，可以相互轉(zhuǎn)換。然后測量它們的短路電流，在比較電流值的方法得出光譜響應(yīng)度3。其中標(biāo)準(zhǔn)硅探測器的光譜響應(yīng)度數(shù)據(jù)由中國計(jì)量院

8、給出5。其直流測量法原理圖如下圖所示：圖1-1 IPCE的直流測量法原理圖22 IPCE在DSSC中的應(yīng)用 如圖2-2所示，對染料的IPCE測定以及對太陽能電池中TiO2的IPCE的測定。在實(shí)驗(yàn)開始測試時，首先用A通道接標(biāo)準(zhǔn)硅電池，通過調(diào)節(jié)短路電流，保證達(dá)到一定的信噪比，確保測量的精確度。通過測試出的結(jié)果和從已知數(shù)據(jù)中導(dǎo)入的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)進(jìn)行校正，就可以在用軟件進(jìn)行處理時扣除儀器等因素的影響，從而提高準(zhǔn)確度。從下圖中可以看出TiO2主要在400nm處有強(qiáng)吸收峰，在對染料敏華太陽能電池的光陽極進(jìn)行參雜修飾時可以除去TiO2的影響，從而分析所參雜物質(zhì)對應(yīng)的吸收峰，以此來探究影響染料敏化太陽能電池光電轉(zhuǎn)換

9、效率的因素，從而更好的提高其光電轉(zhuǎn)換效率，已達(dá)到實(shí)用目的。此外，通過此圖，還可以看出不同染料對光的響應(yīng)波段不同，當(dāng)所合成制備出的材料在800nm以上對光有響應(yīng)時，就只能用在此波段有光電轉(zhuǎn)換的染料，也就是圖中的黑色線4。否則，所產(chǎn)生的機(jī)理也就不同于染料敏化電池，也就不能通過IPCE來表征。此外，對上轉(zhuǎn)換材料在染料敏化太陽能電池中的應(yīng)用，通過IPCE也能進(jìn)行很好的觀察，比如在近紅外波段，假如合成的某物質(zhì)對光有吸收，就可以將其通過上轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換到可見光區(qū)，從而提高太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率。 圖2-2 染料及TiO2的IPCE4 從圖2-3，我們可以看出十鎢酸鋰負(fù)載TiO2粉體與P25共混之后制備的電池所

10、測IPCE與空白即P25大致走勢一致，其中十鎢酸鋰負(fù)載的粉體制備的電池所測IPCE在510nm左右處有最大值，而十鎢酸鈉負(fù)載的粉體制備電池后所測IPCE在520nm處有峰值。從圖中可以看出，十鎢酸鋰0.05與P25共混后所得效果最佳，而且較空白提升最大，峰值達(dá)到了45%，整個不同含量的十鎢酸鋰與P25共混后在400nm到700nm之間均有提高，同樣可以看到十鎢酸鋰0.05的提升幅度最大而且是在整個所測波長范圍內(nèi)均有提升。這通過其他儀器所測的J-V曲線圖以及所測紫外-可見光吸收光譜是一致的。通過不同儀器的共同表征，從而可以更加確定其結(jié)果。圖2-3 不同含量的十鎢酸鋰負(fù)載的TiO2粉體制備的DSS

11、C的IPCE圖2-4 十鎢酸/鹽負(fù)載的TiO2粉體制備的DSSC的IPCE從圖2-4可以看出不管是十鎢酸還是十鎢酸鹽負(fù)載TiO2制備的DSSC的單色光效率和空白相比較均有所改善，其中十鎢酸鋰0.05負(fù)載TiO2制備的DSSC的單色光效率有最優(yōu)改善，這和其J-V曲線所測光電轉(zhuǎn)化效率是一致的。在第主族里，選擇了氫、鋰、鈉這三個元素，從IPCE上可以看出三者最小劑量的與TiO2負(fù)載后再與P25共混制備電池后所得效率最高，三者中鋰的效率最高，其次是氫、鈉。從圖中也可以看出，十鎢酸鋰0.05與P25共混后IPCE達(dá)到了45%，較P25空白提升了165%，十鎢酸和十鎢酸鈉的IPCE峰值分別為39%和29%

12、。通過IPCE我們就可以很容易的找到影響的因素，對同一主族元素規(guī)律的研究以及不同含量的研究使得我們可以在實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上做出可觀的改變，從而探尋改變光電轉(zhuǎn)換的機(jī)理及相應(yīng)影響因素，達(dá)到提高光電轉(zhuǎn)換效率的目的。這一部分是我自己近期做的結(jié)果，通過實(shí)際操作，可以發(fā)現(xiàn)存在的問題，從而更好地改進(jìn)對儀器的理解和使用。參考文獻(xiàn)： 1楊德仁. 太陽電池材料M. 北京: 化學(xué)工業(yè)出版社, 2007:1-4. 2高峰, 成曉玲. 染料敏化納米晶TiO2太陽能電池研究進(jìn)展, 廣州化工. 2006,34（7）:8-11. 3秦好麗, 古國榜，柳松.二氧化鈦非金屬氮摻雜的研究進(jìn)展J.材料導(dǎo)報(bào),2005,17 (19)：12-14. 4M. Grätzel. Perspectives for Dye-sensit