《新能源材料》染料敏化太陽(yáng)能電池

制備二氧化鈦膠體溶膠凝膠法制備：控制Ti(OCH(CH3)2)4等鈦鹽在一定條件下水解得到溶膠，經(jīng)過水熱處理使晶體生長(zhǎng)得到TiO2納晶，進(jìn)一步加入添加劑等以制備TiO2膠體。通過控制水解和水熱過程的各種條件參數(shù)，可以調(diào)節(jié)和控制納晶多孔薄膜的微結(jié)構(gòu)。溶膠凝膠法制備二氧化鈦膠體（1）水解過程：pH=2的300ml醋酸水溶液保持在溫度為0℃左右的冰浴中。在劇烈攪拌條件下，將36mL異丙氧醇鈦與36mL異丙醇的混合溶液逐滴加入醋酸水溶液中，異丙氧醇鈦水解得到澄清透明溶液。將上述溶液在室溫下攪拌過夜。水解過程主要受酸度和溫度的影響，不同的pH值和溫度將影響初始生成的TiO2顆粒的大小。溶膠凝膠法制備二氧化鈦膠體（2）膠溶過程：將攪拌過夜后的溶液放入沙浴中，在恒溫80℃的條件下劇烈攪拌使溶液中異丙醇揮發(fā)完全。此過程能夠破壞水解過程中產(chǎn)生的TiO2聚集體，使TiO2顆粒分散均勻，形成淡藍(lán)色透明溶液。

溶膠凝膠法制備二氧化鈦膠體（3）水熱過程：淡藍(lán)色透明溶液放置到內(nèi)嵌Teflon杯的鈦制高壓釜中，在溫度為230℃的條件下水熱12小時(shí)，可得到白色的TiO2沉淀。待溶液冷卻后超聲分散30分鐘。在高溫高壓的水熱條件下TiO2顆粒重新溶解后再結(jié)晶并逐漸生長(zhǎng)。水熱過程的溫度直接影響TiO2顆粒的粒徑分布及晶型，從而影響薄膜電極的性能。溶膠凝膠法制備二氧化鈦膠體（4）濃縮過程：水熱過程后得到的5％TiO2膠體溶液，在溫度為120℃的沙浴中不斷攪拌蒸發(fā)，得到最終固含量約為12-17％的TiO2膠體溶液。在較低溫度下攪拌蒸發(fā)使TiO2膠體溶液中的一部分水和醋酸蒸發(fā)掉，以增加膠體的固含量，調(diào)節(jié)所涂膜的厚度。固含量太低時(shí)，膠體的粘度小，涂膜時(shí)發(fā)生薄膜收縮現(xiàn)象，嚴(yán)重影響薄膜的均勻性；固含量太高時(shí)，涂膜時(shí)薄膜表面出現(xiàn)凹凸不平整現(xiàn)象，薄膜的均勻性也比較差。

溶膠凝膠法制備二氧化鈦膠體溶膠凝膠制備得到的二氧化鈦TEM圖譜粉末配制法制備二氧化鈦膠體去離子水和P25粉末按質(zhì)量比89:11混合?；旌衔锍暦稚?5min，加入質(zhì)量約為P25粉末9%的乙酰丙酮以防止TiO2顆粒重新結(jié)塊，并加入質(zhì)量約為P25粉末4.5%的表面活性劑TritonX-100。加入質(zhì)量約為P25粉末30%的聚乙二醇（PEG，分子量為20，000），以增加TiO2膜的孔隙率。

粉末配制法制備二氧化鈦膠體粉末配制法得到的二氧化鈦TEM圖譜

粉末配制法制備二氧化鈦膠體TiO2可分為銳鈦型(Anatase)、金紅石型(Rutile)和板鈦型(Brookite)三種。金紅石穩(wěn)定而致密，有較高的硬度、密度、介電常數(shù)及折射率;銳鈦型為不穩(wěn)定晶型，在可見光短波部分的反射率比金紅石型二氧化鈦要高，帶藍(lán)色色調(diào)，并且對(duì)紫外線的吸收能力比金紅石型低。相同膜厚條件下，20×80nm棒狀金紅石晶型構(gòu)成的薄膜電池的開路光電壓沒有變化，其短路光電流只有銳鈦礦晶型薄膜電池的30%，金紅石晶型薄膜一方面是染料吸附量低，另一方面電子傳輸速度慢，而且金紅石晶型對(duì)染料的降解作用比銳鈦礦晶型大，會(huì)影響電池的長(zhǎng)期穩(wěn)定性能，應(yīng)避免金紅石晶型出現(xiàn)。

二氧化鈦電極制備將導(dǎo)電基底裁成小片，采用乙醇/丙酮混合溶劑超聲15分鐘以除去基片表面的灰塵及部分表面油脂，放入加有洗滌劑的去離子水中再超聲清洗15分鐘，除去殘留的部分油脂和表面有機(jī)物。將實(shí)驗(yàn)片放入去離子水中，再次超聲清洗15分鐘，洗去含污物的洗滌劑和一些無機(jī)污染物。再用去離子水超聲15分鐘進(jìn)行漂洗，漂洗結(jié)束后，將基片置于潔凈工作臺(tái)內(nèi)，待晾干后放入異丙醇溶液中浸泡保存，需要時(shí)隨時(shí)取用。

二氧化鈦鈦電極制制備將基片清清洗烘干干，貼好好真空膠膠帶以留留出引線線電極。?；系蔚渭覶iO2膠體，用用刀片（（玻棒））展開成成膜，膠膠帶控制制膜厚。。膜在紅外外燈下烘烘干，放放入馬弗弗爐中450℃℃保持30min。。高溫?zé)裏Y(jié)除去去有機(jī)雜雜質(zhì)，形形成良好好的電接接觸。在導(dǎo)電玻玻璃基片片上涂膜膜溶膠-凝凝膠法制制備TiO2膠體，20nm納晶晶顆粒。。淺藍(lán)色色透明。。二氧化鈦鈦薄膜TiO2互聯(lián)形成成三維多多孔網(wǎng)絡(luò)絡(luò)結(jié)構(gòu)N3Blackdye3.2染染料染料要求求：吸收收盡可能能多的太太陽(yáng)光,與納納晶能帶帶匹配,激發(fā)態(tài)態(tài)壽命長(zhǎng)長(zhǎng),緊密密吸附在在納晶表表面（－－COOH,-SO3H,－－PO3H2））,長(zhǎng)期期穩(wěn)定性性3.2染染料N3染料料對(duì)紅光光及近紅紅外區(qū)的的吸光能能力不足足。Blackdye吸吸光能力力好,但但穩(wěn)定性性差。太陽(yáng)光譜譜圖UVVisibleInfrared48%太陽(yáng)光輻輻照強(qiáng)度度AM1.5太太陽(yáng)光譜譜氙燈光譜譜DSSC中N3染料的的單色光光響應(yīng)譜譜IPCE--N719dyeto16+4μμmTiO2filmIPCE=83%AM1.5(1000W/mcm2)current=16.9mA/cm2染料敏化化的二氧氧化鈦電電極染料的吸吸附：將將納晶TiO2薄膜電電極在100℃℃烘箱箱中加熱熱1小時(shí)時(shí)后取出出，隨即即浸入5×10-4mol/L4，4′-二二羧酸聯(lián)聯(lián)吡啶釕釕染料（（順－二二硫氰根根-二（（2，2′-聯(lián)聯(lián)吡啶-4，4′－二二羧酸））合釕（（Ⅱ）））的無水水乙醇溶溶液中，，吸附12小時(shí)時(shí)。取出出用無水水乙醇沖沖洗后晾晾干。染料的脫脫附：把把吸附了了的染料料的薄膜膜電極在在一定體體積（10ml）的的0.05mol/L的的氫氧化化鈉水溶溶液中浸浸泡120分鐘鐘，待染染料完全全脫附后后，用紫紫外-可可見分光光光度計(jì)計(jì)（UV-120-02）室室溫下測(cè)測(cè)定染料料脫附液液在520nm的吸光光度，通通過測(cè)量量脫附液液的吸收收光譜，，計(jì)算薄薄膜電極極的染料料吸附量量C(molcm-2)。。染料敏化化前后的的二氧化化鈦電極極表面粗糙糙度納晶多孔孔薄膜電電極具有有很大的的比表面面積，可可以通過過測(cè)量表表面粗糙糙度，即即電極的的實(shí)際面面積與幾幾何面積積之比來來反映。。用已知知單分子子面積A0的染染料分子子（（順順-二硫硫氰根－－二（2，2′′-聯(lián)吡吡啶4，，4′-二羧基基）合釕釕（Ⅱ）））（已已知A0約為1nm2），，通過在在半導(dǎo)體體納晶多多孔薄膜膜電極上上的吸附附再脫附附來推算算電極的的真實(shí)面面積（S），和和電極的的幾何面面積（S0）相相比即可可確定表表面粗糙糙度。3.3電電解質(zhì)質(zhì)材料液態(tài)染料料敏化太太陽(yáng)能電電池效率率高,但但長(zhǎng)期期穩(wěn)定性性差。0.5mol/LKI/0.05mol/LI2/丙丙稀碳酸酸脂（PC）-乙烯碳碳酸脂（（EC））混合溶溶液（體體積比2：8））為電解解質(zhì)溶液液。液態(tài)電解解質(zhì)的缺缺點(diǎn)：(1)溶溶劑易易揮發(fā);(2)密密封工工藝復(fù)雜雜;(3)易易導(dǎo)致致敏化染染料的脫脫附;(4)與與敏化化染料作作用導(dǎo)致致染料降降解;(5)存存在其其他氧化化還原反反應(yīng);……3.4電電解質(zhì)質(zhì)固體化化固態(tài)染料料敏化太太陽(yáng)能電電池長(zhǎng)期期穩(wěn)定性性好,但但效率低低：固態(tài)態(tài)電解質(zhì)質(zhì)粘度大大,擴(kuò)散散系數(shù)小小,多孔孔ＴｉＯＯ2電極僅有有20ｎｎｍ左右右孔徑,固體體電解質(zhì)質(zhì)不容易易填充并并與ＴｉｉＯ2及染料取得良良好導(dǎo)電接觸觸,商業(yè)化目標(biāo)：：電解質(zhì)固體體化是提高電電池長(zhǎng)期穩(wěn)定定性和使用壽壽命的根本辦辦法。準(zhǔn)固態(tài)染料敏敏化太陽(yáng)能電電池：兼顧穩(wěn)穩(wěn)定性和效率率。3.5柔性化化重要開發(fā)方向向之一是柔性性太陽(yáng)能電池池。柔性電池具有有可彎曲,重重量輕,隨身身攜帶方便等等特點(diǎn)。擴(kuò)大大了使用范圍圍。目前最昂貴的的構(gòu)成材料為為透明導(dǎo)電玻玻璃(60%),柔性性電池有利于于降低成本。。柔性電池基板板不耐高溫,所以制作電電池的關(guān)鍵是是如何不通過過高溫?zé)崽幚砝磉^程而得到到高質(zhì)量的薄薄膜電極。準(zhǔn)固態(tài)電解質(zhì)質(zhì)材料采用性能較高高、穩(wěn)定性較較好的準(zhǔn)固態(tài)態(tài)電解質(zhì)體系系，制備準(zhǔn)固固態(tài)DSSC。電解質(zhì)體系是是I3-/I-電對(duì)，陽(yáng)陽(yáng)離子是Li+，以聚氧氧乙烯PEO（分子量為為2，000，000））作為聚電解解質(zhì)載體，聚聚氧乙烯上含含有氧乙烯單單元，能夠與與Li+進(jìn)行行絡(luò)合從而增增大導(dǎo)電能力力。配制聚合物電電解質(zhì)：將0.100g的LiI和0.019gI2按溶解在5mL乙腈和和5mL碳酸酸丙稀酯的混混合溶液中，，然后加入0.038gP25粉粉體，經(jīng)超超聲分散后加加入0.265g的聚氧氧乙烯PEO調(diào)節(jié)粘度，，最后加入44μL的四四特丁基吡啶啶，超聲分散散均勻。準(zhǔn)固態(tài)電解質(zhì)質(zhì)材料這種準(zhǔn)固態(tài)電電解質(zhì)粘度較較大，但又具具有一定的流流動(dòng)性，有利利于向TiO2薄膜中的的滲透和填充充。白色的顆顆粒物是加入入準(zhǔn)固態(tài)電解解質(zhì)中的P25粉體。3.6對(duì)電電極的制備染料敏化太陽(yáng)陽(yáng)能電池的對(duì)對(duì)電極目前主主要是在導(dǎo)電電玻璃上采用用負(fù)載鉑,提提高碘的還原原反應(yīng)速度。。制備熱分解鍍鍍鉑對(duì)電極：：將5mmoL的H2PtCl6異丙醇溶液液滴加到導(dǎo)電電玻璃的表面面，待液體完完全鋪展成均均勻的液膜后后，在空氣中中晾干，放入入380°°C的馬弗爐爐中燒結(jié)15min。。上述過程重重復(fù)數(shù)次可增增加Pt層厚厚度。3.6對(duì)電電極的制備實(shí)驗(yàn)表明，一一次鍍Pt的的對(duì)電極表面面呈現(xiàn)不連續(xù)續(xù)的暗黑色斑斑點(diǎn)或條紋，，多次鍍Pt的對(duì)電極表表面光亮如鏡鏡，這種Pt鏡效果的對(duì)對(duì)電極，一方方面對(duì)于聚合合物電解質(zhì)中中的氧化還原原反應(yīng)起到關(guān)關(guān)鍵性的催化化作用，使得得氧化還原對(duì)對(duì)在對(duì)電極上上得到電子的的反應(yīng)加快，，另一方面，，Pt鏡可以以對(duì)光進(jìn)行反反射，從而增增加了光在TiO2膜中中的吸收幾率率，減小了穿穿出電池的光光損失。對(duì)電極制備鉑電極:氯氯鉑酸溶液，，滴加到基板板上，380?C保持15min。?？瞻譌TO基基底Pt對(duì)電電極(載鉑量量6mg/cm2)3.7小面積電池器件樣機(jī)機(jī)3.8大面面積電池3.8大面面積電池主要采用絲網(wǎng)網(wǎng)印刷技術(shù),開展高速速大量且節(jié)能能的制造過程程。3.8大面面積電池3.8大面面積電池3.9電池池效率--光光電性能參數(shù)數(shù)入射光子-電電子轉(zhuǎn)化效率率（IPCE）），在給定波波長(zhǎng)下所產(chǎn)生生的光電子占占入射光子數(shù)數(shù)的百分?jǐn)?shù)；；短路電流ISC，電壓壓為零時(shí)的電電流值；開路電壓VOC，電流流為零時(shí)的電電壓值；填充因子FF，電池最最大輸出功率率除以短路電電流和開路電電壓的乘積；；光電轉(zhuǎn)化效率率η，電池輸出出功率與入射射光強(qiáng)度I之之比值。(ηη=ISC?VOC?FF/I)IV特性曲線線F