染料敏化太陽(yáng)能電池

1、新能源課程染料敏化太陽(yáng)能電池（DSSC）裝置的制作教學(xué)實(shí)驗(yàn)報(bào)告電氣01 王平09041020 4/22 星期一染料敏化太陽(yáng)能電池（DSSC）裝置的制作教學(xué)實(shí)驗(yàn)一、 研究背景：隨著工業(yè)發(fā)展和技術(shù)進(jìn)步，人類對(duì)能源的需求與日俱增。因此開發(fā)新的綠色能源，減少對(duì)環(huán)境的沖擊影響，是迫切需要研究的課題。綠色能源種類很多，本實(shí)驗(yàn)將針對(duì)染料敏化太陽(yáng)能電池（DSSC）進(jìn)行實(shí)驗(yàn)制作，以了解其設(shè)計(jì)原理及機(jī)制。二、 實(shí)驗(yàn)?zāi)康模毫私馊玖厦艋?yáng)能電池（DSSC）發(fā)電原理，掌握DSSC基本制作方法和的電池性能測(cè)定；理解決定DSSC性能的材料方面的影響因素，實(shí)驗(yàn)比較不同燃料、不同光線對(duì)電池性能的效果。三、 實(shí)驗(yàn)技能：學(xué)習(xí)研磨

2、制樣、材料的選擇、萬(wàn)用電表的使用、涂布coating及組裝、測(cè)試太陽(yáng)能電池。四、 工作原理：本實(shí)驗(yàn)所制備的染料敏化太陽(yáng)能電池（DSSC），是一個(gè)電化學(xué)反應(yīng)過程裝置。由正極、負(fù)極、電解質(zhì)液組成。其中正極為涂布有石墨的導(dǎo)電玻璃；負(fù)極為涂布有二氧化鈦的導(dǎo)電玻璃；二氧化鈦為多孔納米結(jié)構(gòu)，吸附有染料或光敏劑；電解液為含碘化合物，能夠產(chǎn)生I2/I-,被填充在正、負(fù)極之間。DSSC太陽(yáng)能電池是由一系列電子傳遞過程完成光能-電能轉(zhuǎn)換的。當(dāng)光線照在負(fù)極側(cè)，染料吸收光能發(fā)生電子躍遷，染料被氧化，電子經(jīng)二氧化鈦半導(dǎo)體傳導(dǎo)，流動(dòng)到負(fù)極的導(dǎo)電玻璃片進(jìn)入外電路；電子到達(dá)正極后，電解液中的I2/I-氧化還原作用使得染料被還

3、原到原始狀態(tài)。這樣構(gòu)成電子回路，產(chǎn)生電。五、 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備：1. 材料：A 導(dǎo)電玻璃：具有高透過率、導(dǎo)電率，如ITO、FTOB 正極：導(dǎo)電能力強(qiáng)、有一定催化活性，如炭、鉑C 二氧化鈦：具有催化能力，高活性、比表面積大、分散均勻D 染料：具有吸光產(chǎn)生電子躍遷的有機(jī)材料。天然光敏劑：價(jià)格便宜，性能不優(yōu)化。如自然界中的葉綠素、葉紅素，水果榨汁等合成染料：價(jià)格貴，性能優(yōu)化。如N3、N749等圖 相對(duì)太陽(yáng)光強(qiáng)度（灰線）與葉綠素（黑線）的吸收光譜E 電解液：注：高效率的DSSC需要：a.高比表面積TiO2電極；b.具有適當(dāng)電位、低禁帶的染料；c.高催化能力的正極；d.快速氧化還原能力的電解質(zhì)；e.寬工作電壓的

4、溶劑2. 儀器設(shè)備：電子天平、瑪瑙研缽、藥匙、微量吸管、透明導(dǎo)電玻璃、濾紙、鑷子、萬(wàn)用電表、膠帶、剪刀、直尺、塑膠滴管、玻璃棒、瓷坩堝、高溫電爐、坩堝鉗、隔熱板、玻璃培養(yǎng)皿、2b鉛筆、燕尾夾、標(biāo)準(zhǔn)光源箱、白熾燈、乳膠手套、紙巾。六、 實(shí)驗(yàn)流程：電池效能測(cè)試組裝太陽(yáng)能電池制備石墨正極制備TiO2負(fù)極 1. 配置稀硝酸溶液吸取20ul濃硝酸（15m），配成0.001m稀硝酸300ml；2. 稱取1g二氧化鈦，放入瑪瑙研缽中，滴加10滴稀硝酸，研磨均勻，再重復(fù)滴加-研磨（共加入約50滴稀硝酸），制得二氧化鈦膠體溶液；3. 用95%乙醇清洗導(dǎo)電玻璃表面，濾紙吸干后，萬(wàn)用電表測(cè)出導(dǎo)電面；（注意：鑷子拿取

5、導(dǎo)電玻璃或手拿玻璃邊緣，不能碰觸玻璃表面）4. 保持導(dǎo)電玻璃面向上，用膠帶將玻璃三遍貼住，覆蓋34mm并固定再桌面，膠帶盡量保持平行；5. 在玻璃間隙處滴上研磨好的二氧化鈦膠體溶液，用玻璃棒平行輕推，使得膠體溶液均勻地涂布在玻璃表面；（注意：玻璃棒表面應(yīng)清潔、干凈、無(wú)凸起，著力應(yīng)均勻緩慢，以免刮破膠帶）6. 揭去膠帶，將涂布好的玻璃片在空氣（或低溫爐）中晾干后，置于坩堝中再高溫爐中以450處理20-30min。7. 配置染料溶液，N3染料0.0223g溶入到20ml乙醇中。（注：天然染料液由天然染料加水或乙醇研磨后，過濾分離。）8. 取出玻璃片，放在隔熱板上冷卻后，將玻璃片浸于盛有染料的培養(yǎng)皿

6、中30min。小心地將玻璃片取出，用水沖洗后再用乙醇沖洗，然后濾紙拭干，為負(fù)極待用。9. 取另一片導(dǎo)電玻璃，用蠟燭火焰將導(dǎo)電面涂一層薄碳，然后置于坩堝中450處理5min。取出冷卻后，用乙醇沖洗，濾紙拭干，為正極待用。10. 配置碘電解液（0.5m KI/0.05m I2的無(wú)水乙二醇溶液）（注意：由于碘與淀粉或蛋白反應(yīng)，注意防護(hù)皮膚接觸）11. 將正極負(fù)極相對(duì)（石墨層與二氧化鈦層接觸），并且兩片玻璃略微錯(cuò)開，作為電極連接點(diǎn)。12. 玻璃另兩邊末端用兩個(gè)燕尾夾夾緊固定，然后從接縫處滴入少量電解液。13. 連接電極連接點(diǎn)與測(cè)試設(shè)備，直接測(cè)量電壓、電流數(shù)據(jù)。比較不同光照、光照距離等條件下太陽(yáng)能電池的

7、效能。思考：決定DSSC性能的因素有哪些？ 1. TiO2結(jié)構(gòu)TiO2 是一種價(jià)廉、無(wú)毒、穩(wěn)定且抗腐蝕性能良好的半導(dǎo)體材料,它的吸收范圍在紫外區(qū),因此須進(jìn)行敏化處理。為了提高光捕獲效率和量子效率,可以將半導(dǎo)體二氧化鈦納米化、多孔化、薄膜化。這樣的結(jié)構(gòu)使TiO2 具有高比表面積,使其能吸附更多的單層染料分子,只有緊密吸附在半導(dǎo)體表面的單層染料分子才能產(chǎn)生有效的敏化效率。另外,這種結(jié)構(gòu)的電極,其表面粗糙度大,太陽(yáng)光在粗糙表面內(nèi)多次反射,可被染料分子反復(fù)吸收,從而大大提高太陽(yáng)光的利用率。TiO2納米晶電極微結(jié)構(gòu)，如粒徑、氣孔率對(duì)太陽(yáng)能電池的光電轉(zhuǎn)換效率有非常大的影響。首先,太陽(yáng)能電池所產(chǎn)生的電流與T

8、iO2 電極所吸附的染料分子數(shù)直接相關(guān)。一般來說,表面積越大,吸附的染料分子越多,因而光生電流也就越強(qiáng)。另一方面,TiO2 粒徑越小,它的比表面積越大,此時(shí)電極的孔徑將隨之變小。在低光強(qiáng)照射下,傳質(zhì)動(dòng)力學(xué)速度能夠滿足染料的再生,在此條件下孔徑大小對(duì)光電性質(zhì)影響不大;而在強(qiáng)光照射下,傳質(zhì)動(dòng)力學(xué)速度一般不再能夠滿足染料的再生,此時(shí)孔徑大小對(duì)光電性質(zhì)的影響較大。造成這些結(jié)果的主要原因是,小孔吸附染料后,剩余的空間很小,電解質(zhì)在其中擴(kuò)散的速度將大大降低,因此電流產(chǎn)生效率也將下降。所以,如何選擇合適大小的半導(dǎo)體粒度對(duì)電極的光電性質(zhì)影響很大。 2. 制約染料敏化太陽(yáng)能電池光電轉(zhuǎn)化效率的一個(gè)因素就是光電壓過

9、低這主要是由電極表面存在的電荷復(fù)合造成的。因?yàn)榧{米晶半導(dǎo)體中缺少空間電荷層,同時(shí)存在大量的表面態(tài),導(dǎo)帶中的電子很容易被表面態(tài)陷阱俘獲,大大增加了與氧化態(tài)電解質(zhì)復(fù)合的幾率。因此,如何降低電荷復(fù)合就成為改善光電轉(zhuǎn)換效率的關(guān)鍵。在電解質(zhì)中加入一定電荷復(fù)合抑制劑也可提高電池的性能,如吸附了染料的TiO2電極在4叔丁基吡啶中浸泡后,4-叔丁基吡啶通過吡啶氮與 TiO2表面剩余氧空位配位結(jié)合,可阻止TiO2表面光生電子與I3-的復(fù)合,通過4-叔丁基吡啶的處理,電池的開路光電壓和填充因子可分別提高74%和31%,總光電轉(zhuǎn)化效率也為未處理電極的2倍。目前有很多研究對(duì)電極表面修飾后,能使光電性能明顯提高。其一

10、，通過導(dǎo)電材料的復(fù)合 ，降低TiO2多孔薄膜的電導(dǎo)率，進(jìn)而使太陽(yáng)電池的性能提高。其二，通過其他半導(dǎo)體材料的復(fù)合 ，改變復(fù)合材料的能帶，即使電子躍遷時(shí)所克服的能量變小。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，能有效提高電池的開路電壓。3. 電解質(zhì)電解質(zhì)的組成及溶劑配方對(duì)太陽(yáng)能電池的影響很大。電解質(zhì)中還原劑必須能迅速地還原染料正離子，而自身還原電位要低于電池電位。電解質(zhì)可分為液體電解質(zhì)與固體電解質(zhì)，液體電解質(zhì)電池的轉(zhuǎn)化效率較高，典型的液體電解質(zhì)為L(zhǎng)iI和2 的乙睛溶液。但是液態(tài)電解質(zhì)存在以下缺點(diǎn)：（）液態(tài)電解質(zhì)導(dǎo)致TiO2表面的染料脫附，影響電池的穩(wěn)定性；（）溶劑可能與敏化染料作用導(dǎo)致染料發(fā)生光降解；（）密封困難；（）電解

11、質(zhì)本身不穩(wěn)定易導(dǎo)致太陽(yáng)能電池失效；（）載流子遷移速率很慢， 在高強(qiáng)度光照時(shí)不穩(wěn)定。固體電解質(zhì)可以避免這些缺點(diǎn)，但由于固體電解質(zhì)電導(dǎo)率比較低以及固體電解質(zhì)與電極界面接觸差等原因?qū)е庐?dāng)前固態(tài)納晶染料敏化太陽(yáng)能電池的光電轉(zhuǎn)換效率比較低。離子液體基電解質(zhì)固化劑的種類較多，大致可分為以下三類： 納米粉末膠凝劑，有機(jī)小分子膠凝劑，聚合物膠凝劑。4. 染料光敏化劑的性質(zhì)是將直接影響染料敏化納米晶太陽(yáng)能電池的光電轉(zhuǎn)換效率。對(duì)敏化染料分子的一般要求是：（）能緊密吸附在TiO2 表面，要求染料分子中含有羧基、羥基等極性基團(tuán)；（）對(duì)可見光具有吸收性能好；（）激發(fā)態(tài)能級(jí)與TiO2導(dǎo)帶能級(jí)匹配，激發(fā)態(tài)的能級(jí)高于TiO2

12、導(dǎo)帶能級(jí)，保證電子的快速注入；（）其氧化態(tài)和激發(fā)態(tài)要有較高的穩(wěn)定性和活性；（）激發(fā)態(tài)壽命足夠長(zhǎng)，且具有很高的電荷傳輸效率?？偨Y(jié)起來，對(duì)染料敏化納米晶太陽(yáng)能電池應(yīng)從以下幾個(gè)方面進(jìn)行研究：（）納米材料制備：電子在納米晶傳輸過程中會(huì)與電子受體發(fā)生復(fù)合從而引起電流損失，因此需要在探索電極微結(jié)構(gòu)與光電性質(zhì)的基礎(chǔ)上，尋找制備方法簡(jiǎn)單，性能優(yōu)異的TiO2納米晶材料，以減少電子在傳輸過程中的損失。（）界面特性：TiO2與染料之間，染料敏化劑和電解質(zhì)之間， TiO2與導(dǎo)電玻璃之間等都存在界面問題，因此需要對(duì)界面之間的電子注入和傳輸機(jī)理進(jìn)行研究。（）提高電池的開路電壓：現(xiàn)在所制得染料敏化納米晶太陽(yáng)能電池的開路電壓較低，