天然染料敏化tio2太陽(yáng)能電池的制備及光電性能測(cè)試試驗(yàn)報(bào)告資料

1、天然染料敏化 天然染料敏化 TiO TiO2太陽(yáng)能電池的制備及光電性能測(cè)試 太陽(yáng)能電池的制備及光電性能測(cè)試一、 一、 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?實(shí)驗(yàn)?zāi)康?. 了解染料敏化納米 TiO2太陽(yáng)能電池的工作原理及性能特點(diǎn)。2. 掌握合成納米 TiO2 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、 二、 實(shí)驗(yàn)原理 實(shí)驗(yàn)原理 一、 一、DSSC DSSC 結(jié)構(gòu)和工作原理 結(jié)構(gòu)和工作原理DSSC

2、 DSSC 結(jié)構(gòu)： 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，主要由以下幾個(gè)部分組成: 導(dǎo)電玻璃、染料光敏化劑、多孔結(jié)構(gòu)的 TiO2 半導(dǎo)體納米晶薄膜、電解質(zhì)和鉑電極。其中吸附了染料的半導(dǎo)體納米晶薄膜稱為光陽(yáng)極，鉑電極叫做對(duì)電極或光陰極。DSSC DSSC 電池的工作原理 電池的工作原理：電池中的 TiO2 禁帶寬度為 3.2 eV，只能吸收紫外區(qū)域的太陽(yáng)光，可見(jiàn)光不能將它激發(fā)，于是在 TiO2 膜表面覆蓋一

3、層染料光敏劑來(lái)吸收更寬的可見(jiàn)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 TiO2 薄膜接觸，電子于是注入到TiO2 導(dǎo)帶中，此時(shí)染料分子自身變?yōu)檠趸瘧B(tài)。注入到 TiO2 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 I- 還原為基態(tài)，電解質(zhì)中的 I3-被從陰極進(jìn)入的電子還原成 I-，這樣就完成一個(gè)光電化學(xué)反應(yīng)循環(huán)。但是反應(yīng)過(guò)

4、程中，若電解質(zhì)溶液中的I-在光陽(yáng)極上被TiO2導(dǎo)帶中的電子還原， 則外電路中的電子將減少， 這就是類似硅電池中的“暗電流”。整個(gè)反應(yīng)過(guò)程可用如下表示:(l) 染料 D 受激發(fā)由基態(tài)躍遷到激發(fā)態(tài) D*： D + hv ? 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： D* ? D+ + e-(3) I-還原氧化態(tài)染料分子： 3I- + 2D+ ? I3- + 2D(4) I3-擴(kuò)散到對(duì)電極上得到電子使 I-再生： I3- +2e-

5、 ? 3I-(5) 氧化態(tài)染料與導(dǎo)帶中的電子復(fù)合： D+ + e- ? D(6) 半導(dǎo)體多孔膜中的電子與進(jìn)入多孔膜中 I3- 復(fù)合：I3- +2e- ? 3I-其中，反應(yīng)(5)的反應(yīng)速率越小，電子復(fù)合的機(jī)會(huì)越小，電子注入的效率就越高；反應(yīng)(6)是造成電流損失的主要原因。光陽(yáng)極 光陽(yáng)極目前，DSSC 常用的光陽(yáng)極是納米 TiO2。TiO2 是一種價(jià)格便宜，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。TiO2 有銳鈦礦型(Anata

6、se)和金紅石型(Rutile)兩種不同晶型，其中銳鈦礦型的 TiO2 帶隙(3.2eV)略大于金紅石型的能帶隙(3.l eV)，且比表面積略大于金紅石，對(duì)染料的吸附能力較好，因而光光陰極 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 ITO(摻 In 的 SnO2 膜)和 FTO(摻 F 的 SnO2 膜)。 導(dǎo)電玻璃的透光率要求在 85%以上，其方塊電阻為 10- 20Ω/cm

7、 2，導(dǎo)電玻璃起著電子的傳輸和收集的作用。I3-在光陰極上得到電子再生成 I-離子，該反應(yīng)越快越好，但由于I3-在光陰極上還原的過(guò)電壓較大，反應(yīng)較慢。為了解決這個(gè)問(wèn)題，可以在導(dǎo)電玻璃上鍍上一層 Pt，降低了電池中的暗反應(yīng)速率，這可提高太陽(yáng)光的吸收率。二、染料敏化太陽(yáng)能電池性能指標(biāo) 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/m2 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：

8、開(kāi)路電壓(Voc)、短路電流密度(Isc)、染料敏化太陽(yáng)電池的 I-V 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(?global)。開(kāi)路電壓指電路處于開(kāi)路時(shí) DSSC 的輸出電壓， 表示太陽(yáng)能電池的電壓輸出能力。 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。Voc 和 Isc 是 DSSC 的重要性能參數(shù)，要提高 DSSC 的光電性能，就要有高的 Voc 和 I

9、sc。判斷染料敏化太陽(yáng)能電池輸出特性的主要方法是測(cè)定其光電流和光電壓曲線即I-V特性曲線。 填充因子是指太陽(yáng)能電池在最大輸出功率(Pmax)時(shí)的電流(Im)和電壓(Vm)的乘積與短路電流和開(kāi)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)

10、Ne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)表示其光電性能。?global 定義為電池的最大輸出功率與入射光強(qiáng)的比。三、 三、 儀器與試劑 儀器與試劑一、儀器設(shè)備 可控強(qiáng)度調(diào)光儀、紫外-可見(jiàn)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、鉑片電極、 飽和甘汞電極、石英比色皿、導(dǎo)電玻璃、鍍鉑導(dǎo)電玻璃、錫紙、生料

11、帶、三口燒瓶（500mL）、分液漏斗、布氏漏斗、抽慮瓶、容量瓶、燒杯、鑷子等。二、試劑材料鈦酸四丁酯、異丙醇、硝酸、無(wú)水乙醇、乙二醇、乙腈、碘、碘化鉀、 TBP、丙酮、石油醚、綠色葉片、紅色花瓣、去離子水四、 四、 實(shí)驗(yàn)步驟 實(shí)驗(yàn)步驟一、TiO2溶膠制備目前合成納米 TiO2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。本實(shí)驗(yàn)采用溶膠-凝膠法。（1）在 500mL 的三口燒瓶中加入 1：100（體積比）的硝酸溶液約 50