纳米二氧化钛太阳能电池的制备及其性能测试Word文档下载推荐.docx

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目前，合成纳米TiO2的方法有溶胶凝胶法、水热反应法、溅射法、醇盐水解法、溅射沉积法、等离子喷涂法和丝网印刷法等。

应用在DSSC中的TiO2多孔薄膜常用制备方法有胶体涂膜直接低温烧结法、水热法烧结、热液法烧结、微波烧结、紫外-化学气相沉积法等。

溶胶凝胶法是用水解钛酸正丁酯（或无机钛盐，如TiCl4）制得TiO2胶体溶液， 

后经由浸渍、提拉、丝网印刷、旋涂等方法在导电基底上生长纳米高温锻烧制备出纳米TiO2电极，向溶胶中加入聚合物则有助于TiO2纳米晶粒径的大小的控制。

虽然溶胶凝胶法工艺简单，但是有机物成本高、变量多、时间长，干燥后比较容易裂 

，制膜厚度不易于控制。

因此导致多孔膜的表面呈现不规则的碎片状，更不利于光阳极吸收染料。

水热法—般将溶胶在高压釜中高温高压长时间加热处理，因此水热法被视作溶胶-凝胶法的改进方法，即加入了水热熟化过程通过其控制产物的结晶和晶粒生长，从而对半导体氧化物的尺寸和分布进行控制。

大多水热法可得到平均粒径为15-20nm的TiO2颗粒，然后釆用blade或者丝网印刷法将装料刮涂在导电玻璃上。

除TiO2半导体材料被用作染料敏化太阳能电池的光阳极材料，ZnO、Nb2O5、 

SnO2、Fe2O3、WO3等也被用作光电转换材料。

但是这些材料不管是单晶的还是多晶的，掺杂的还是未掺杂的，他们的光电转化效率还是没有办法与以TiO2作为基底物质的电池相比。

（2）染料敏化剂 

敏化染料分子的性质是电子生成和注入的关键因素。

作为光敏剂的染料须具备以下条件：

①牢固吸附在半导体上；

②在可见光区具有较高的光吸收；

③氧化态和激发态有高的稳定性；

④激发态寿命长；

⑤足够负的激发态电势以使电子注入半导体导带；

⑥基态电势尽可能正。

钌吡啶敏化剂虽然性能优良，但价格较高，而卟琳类和酞菁类染料敏化剂成本较低，在近红外区有较好的吸收，且吸光系数高，结合两者优缺点联合使用，形成光谱特征的互补，使吸收光谱变宽,使得应用前景更为广阔。

纯有机染料不含中心金属离子，其优点为消光系数较高，包括香豆素、卟啉、类胡萝卜素、花菁素、半花菁、叶绿素及其衍生物等。

无机染料敏化剂多选用窄带隙半导体材料,并使无机敏化剂与TiO2进行半导体复合,由于具有2种不同能级的导带和价带，复合半导体受光照激发后电子和空穴将迁移至TiO2的导带和复合材料的价带当中，从而实现载流子的有效分离。

目前研究较多的无机敏化剂包括CdS、CdSe、WO3等。

综上所述，染料的发展方向包括设计和合成耐光照、光谱响应范围大、电子注入效率、热稳定性好的敏化剂。

二、实验部分

1、实验原理

（1）DSSC结构和工作原理 

如右图所示，DSSC是由导电玻璃、吸附了染料的纳米晶TiO2薄膜、两极间的电解质（常用I-/I3-）和镀铂导电玻璃对电极组成的夹心状电池。

其工作原理同自然界的光合作用一样，通过有效的光吸收和电荷分离把光能转变为电能。

由于二氧化钛的禁带宽度较大（3.2eV），可见光不能将其直接激发；

在其表面吸附一层染料敏化剂后，染料分子可以吸收太阳光而产生电子跃迁。

由于染料的激发态能级高于二氧化钛的导带，电子可以快速注入到二氧化钛导带，进而富集到导电玻璃片上，并通过外电路流向对电极，形成电流。

处于氧化态的染料分子则通过电解质溶液中的电子给体，自身恢复为还原态，使染料分子得到再生，被氧化的电子给体扩散至对电极，在电极表面被还原，从而完成一个光电化学反应循环。

整个光电化学反应过程如下：

①敏化剂（S）吸收光能激发，激发态的敏化剂（S*）向TiO2导带注入电子而成为氧化态的敏化剂（S+），反应式为：

②氧化态敏化剂被还原型物质（R）还原，反应式为：

③被氧化生成的氧化型物质（O）在阴极上再还原成还原型物质，参加下一个循环的反应，反应式为：

（2）TiO2纳米多孔膜的合成 

为了提高光子捕获效率和量子效率，可将TiO2多孔化、纳米化、薄膜化。

本实验主要使用溶胶凝胶法合成TiO2溶液，然后用浸泡提拉法修饰到导电玻璃上。

（3）染料敏化剂的特点 

染料敏化一般涉及三个基本过程：

①染料吸附到半导体表面；

②吸附态染料分子吸收光子被激发；

③激发态染料分子将电子注入到半导体的导带上。

染料分子与TiO2形成共价键结合，所以要求染料分子含有羧基、羟基等极性基团。

除此之外染料敏化剂一般要符合条件：

①能吸收大部分或者全部的入射光；

②其吸收光谱能与太阳光谱很好地匹配；

③激发态寿命长，保证激发态电子有效注入到TiO2的导带，且具有长期稳定性；

④有适当的氧化还原电势。

2、仪器与药品

（1）主要仪器

紫外可见分光光度计、超声波清洗器、数显恒温水浴锅、多功能万用表、电动搅拌器、马弗炉、红外线灯、研钵、石英比色皿、导电玻璃、锡纸、生料带、三口烧瓶、分液漏斗、烧杯、镊子等。

（2）主要药品

钛酸四丁酯[Ti（O-Bu）4]、异丙醇、硝酸、无水乙醇、碘、碘化钾、丙酮、石油醚、去离子水、黄花、绿叶

3、实验内容

（1）TiO2溶胶的准备 

按下图装置，在无水的环境下，将5 

mL钛酸四丁酯加入含2 

mL异丙醇的分液漏斗中，将混合液充分震荡后缓慢滴入（1滴/s）60~70 

℃水浴恒温且含有1 

mL浓硝酸和100 

mL去离子水的三口烧瓶中，打开电动搅拌仪，直至获得透明的TiO2溶胶。

（2）TiO2电极制备 

ITO导电玻璃经无水乙醇、去离子水冲洗、干燥后，将其插入溶胶中浸泡提拉，直至形成均匀液膜，取出平置、自然晾干后，在红外灯下烘干，即制得TiO2修饰电极，最后在（450±

10）℃热处理30 

min即得锐钛矿TiO2修饰电极。

（3）叶绿素的提取 

采集新鲜的绿叶，洗净、晾干、去主脉，称取5 

g。

剪碎，放入研钵中加入少量石油醚充分研磨，然后转入烧杯中，再加入约20 

mL石油醚，超声波提取15 

min后过滤，弃去滤液，将滤渣自然风干后转入研钵中，再以同样的方法用20 

mL丙酮提取，顾虑后收集滤液，即得到去除叶黄素的叶绿素丙酮溶液。

（4）叶黄素的提取 

取少量新鲜黄花，加少许提取液（乙醇60 

%+石油醚40 

%）研磨，超声波提取15 

min，过滤，将滤液用乙醇定容至20 

mL。

（5）敏化TiO2电极的制备 

将热处理的两片TiO2电极冷却至80 

℃左右，分别浸入叶绿素丙酮溶液和叶黄素乙醇溶液中，浸泡3h后取出、清洗、晾干，即获得叶绿素和叶黄素敏化TiO2电极，然后采用铜薄膜在未覆盖TiO2膜的烟锡氧化物引出导电基，并用生料带外封。

（6）敏化剂的UV-Vis吸收光谱 

以有机溶剂做空白，测定叶绿素和叶黄素的可见吸收，由此确定这些染料敏化剂电子吸收波长范围。

（7）DSSC的光电流谱 

以敏化剂/ 

TiO2为光阳极，导电玻璃为阴极，按Gratzel型结构图组装电池，并测定I3-/I-电对存在时不同波长下DSSC产生的开路电压，分析光电响应的波长区间。

4、实验现象与结果

（1）染料敏化剂的UV-Vis吸收曲线

①叶黄素

波长λ（nm）

320

350

380

410

440

470

500

530

560

590

620

吸光度

2.429

2.341

2.674

1.965

1.222

0.987

0.281

0.185

0.181

0.147

0.118

叶黄素在320～410nm可见光区有较强吸收。

②叶绿素

2.425

1.997

1.594

1.741

1.757

1.088

0.239

0.117

0.127

0.197

0.301

叶绿素在320～440nm可见光区有较强吸收。

（2）光电转换响应

叶黄素开路电压（V）

叶绿素开路电压（V）

26.6

0.20

26.4

0.22

22.5

0.45

21.6

24.1

0.60

23.4

0.56

22.2

0.54

21.3

31.2

0.27

31.9

0.25

33.8

叶黄素开路电压-波长图

叶绿素开路电压-波长图

三、结果与讨论

1、结果讨论

由染料敏化剂（叶黄素和叶绿素）的UV-Vis吸收曲线可以看出，叶黄素在320～410nm可见光区有较强吸收，叶绿素在320～440nm可见光区有较强吸收。

而在光电转换响应实验中，由于比色皿过小，两个电极在比色皿中极易相互接触，同时万用电表的电线接触不良，导致出来的结果波动十分大，无法稳定。

2、染料敏化太阳能电池与p-n结型半导体太阳能电池比较，有哪些特点？

答：

传统的p-n结型半导体太阳能电池制造工复杂、价格昂贵，而且窄禁带宽度半导体易于被光腐蚀，不能利用大部分可见光能。

而染料敏化纳米晶TiO2太阳能电池光电转换效率大于10%，开率电压大于720mV，寿命高达15-20年，制造成本低廉。

而且具有永久性、清洁型和灵活性三大优点，只要有太阳光存在，就可以一次投资，长期使用。

3、影响染料敏化太阳能电池光电转换效率的主要因素有哪些？

①TiO2膜的制备方法。

主要影响TiO2粒子的大小，TiO2粒子尺寸过小，导带中的电子可能会发生隧道效应而降低光电转化效率；

尺寸过大，比表面积降低，吸附的染料分子减少，也会降低光电转化效率。

②敏化染料的选择。

作为敏化剂的染料一般要求有吸附性能良好的基团，这些连接基团直接引入到发色团中，可能会提高光电转化效率。

③电解质的选择。

电解质的选择随敏化剂的不同而不同，常用的有I-3/I-、Br2/Br-、Na2SO4/Na2S、[Fe（CN）6]3-/[Fe（CN）6]4-等。

电解质的组成及溶剂配方对太阳能电池的效率有很大影响。

电解质中还原剂必须能迅速地还原染料正离子，而自身还原电位要低于电池电位。

四、结论

叶绿素和叶黄素均可作为染料敏化剂用于太阳能电池的制作使用中，制作成本低，也可促进环境保护。

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