染料敏化太阳能电池实验报告共9篇.docx

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染料敏化太阳能电池实验报告共9篇

染料敏化太阳能电池实验报告（共9篇）

染料敏化太阳能电池实验

天然染料敏化TiO2太阳能电池的制备及光电性能测试姓名：

蓝永琛班级：

新能源材料与器件学号：

20112500041

一、实验目的

1.了解染料敏化纳米TiO2太阳能电池的工作原理及性能特点。

2.掌握合成纳米TiO2溶胶的方法、染料敏化太阳能电池光阳极的制备方法

以及电池的组装方法。

3.掌握评价染料敏化太阳能电池性能的方法。

二、实验原理

略

三、仪器与试剂

一、仪器设备

可控强度调光仪、紫外-可见分光光度计、超声波清洗器、恒温水浴槽、多功能万用表、电动搅拌器、马弗炉、红外线灯、研钵、三室电解池、铂片电极、饱和甘汞电极、石英比色皿、导电玻璃、镀铂导电玻璃、锡纸、生料带、三口烧瓶（500mL）、分液漏斗、布氏漏斗、抽虑瓶、容量瓶、烧杯、镊子等。

二、试剂材料

钛酸四丁酯、异丙醇、硝酸、无水乙醇、乙二醇、乙腈、碘、碘化钾、TBP、丙酮、石油醚、绿色叶片、红色花瓣、去离子水

四、实验步骤

一、TiO2溶胶制备

目前合成纳米TiO2的方法有多种，如溶胶-凝胶法、水热法、沉淀法、电化

学沉积法等。

本实验采用溶胶-凝胶法。

（1）在500mL的三口烧瓶中加入1：

100（体积比）的硝酸溶液约100mL，将三口烧瓶置于60-70oC的恒温水浴中恒温。

（2）在无水环境中，将5mL钛酸丁酯加入含有2mL异丙醇的分液漏斗中，将混合液充分震荡后缓慢滴入（约1滴/秒）上述三口烧瓶中的硝酸溶液中，并不断搅拌，直至获得透明的TiO2溶胶。

二、TiO2电极制备

取4片ITO导电玻璃经无水乙醇、去离子水冲洗、干燥，分别将其插入溶胶中浸泡提拉数次，直至形成均匀液膜。

取出平置、自然晾干，再红外灯下烘干。

最后在450oC下于马弗炉中煅烧30min得到锐态矿型TiO2修饰电极。

可用XRD粉

末衍射仪测定TiO2晶型结构。

三、染料敏化剂的制备和表征

（1）叶绿素的提取

采集新鲜绿色幼叶，洗净晾干，去主脉，称取5g剪碎放入研钵，加入少量石油醚充分研磨，然后转入烧杯，再加入约20mL石油醚，超声提取15min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20mL丙酮提取，过滤后收集滤液，即得到取出了叶黄素的叶绿素丙酮溶液，作为敏化染料待用。

（2）花色素的提取

称取5g黄花的花瓣，洗净晾干，放入研钵捣碎，加入95%乙醇溶液淹没浸泡5min后转入烧杯，继续加入约20mL乙醇，超声波提取20min后过滤，得到花红素的乙醇溶液，作为敏化染料待用。

（3）染料敏化剂的UV-Vis吸收光谱测定

以有机溶剂（丙酮或乙醇）做空白，测定叶绿素和花红素的紫外-可见光吸收光谱。

由此确定染料敏化剂的电子吸收波长范围。

四、染料敏化电极制备

（1）敏化电极制备

o经过煅烧后的4片TiO2电极冷却到80C左右，分别浸入上述两类染料溶液

中，浸泡2~3h后取出，清洗、晾干，即获得经过染料敏化的4个TiO2电极。

然后采用锡薄膜在未覆盖TiO2膜的导电玻璃上引出导电极，并用生料带外封。

五、数据记录与处理

（1）染料敏化剂的UV-Vis吸收曲线

图3A.不同波长下染料敏化剂的UV-Vis吸收曲线B.截取放大部分UV-Vis吸

收曲线

图A中可以现实出现两个股底，出现在428nm到434nm一段和在640nm到680nm一段。

在图B放大428nm到434nm一段可以看到在431nm吸收最低，为4.7%。

（2）记录波长及对应的的开路电压和短路电流。

图4A.不同波长对应的开路电压（OCV）B.不同波长对应的短路电流图A看出随着波长的增大，开路电压大体呈降低趋势；在660到700nm区间出现明显波峰，开路电压升高。

图B的短路电流中，可以看出和染料敏化剂的UV-Vis吸收曲线成负相关。

同样的，在428nm到434nm一段可以看到在431nm短路电流最高。

可见图5.

图5不同波长对应的短路电流和UV-Vis吸收曲线

七、提问与思考

1、影响染料敏化太阳能电池光-电转化效率的因素有哪些？

个人总结有以下7种因素：

①膜的制备

一般沉积到导电玻璃上的TiO2薄膜厚约10μm,TiO2粒子粒径约20nm。

薄膜

厚度过小太阳光能量吸收不完全光电转化效率不高厚度过大深层的染料敏化剂没有光照激发不能产生电子膜也容易发生脱落。

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膜的表面修饰

电极中的反应都是在表面上进行的,电极的表面修饰可有效提高电池的转化效率。

ShumingYang等[5]用Sr2+离子对二氧化钛表面进行修饰,也可减小电荷复合,

使光电转化效率提高了27%。

③膜的耦合

Gr?

tzel型太阳能电池的半导体与电解液界面上没有过渡层,因此反向电子转移（即进入半导体导带的电子与敏化剂氧化态间的电荷复合）是限制太阳能电池效率的一个重要因素。

④膜的参杂或复合

单一纳米膜的光电性能不是很理想,而适当掺杂或复合可以增强其光电性能。

⑤染料的吸收光谱与太阳光谱的匹配

为了获得最大光电转化效率,染料吸收光谱应尽可能与太阳光谱相匹配

[15-16]。

从理论上讲,全光谱吸收的黑色染料应有理想的光电转化效果。

HuangChunhui和Gr?

tzel等都合成了一些比N3具有更宽吸收范围的黑色染料,

将Gr?

tzel型太阳能电池进行优化,其光电转化效率是可以得到提高的。

⑥染料的设计合成

在Gr?

tzel型太阳能电池中,目前发现多吡啶钌配合物在光电转化效率方面是最好的。

因此,人们通过改进,对多吡啶配体进行修饰或者合成多核的具有天线作用的超分子体系,使其具有更好的吸附性能和与太阳光具有更好的匹配性,从而来提高Gr?

tzel型太阳能电池性能。

⑦电解质的制备

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。

另外,电解质的

-氧化还原速率、扩散程度也会影响到光电转化效率。

I3在对电极上得到电子再生

-成I离子,该反应越快,光电响应越好。

可利用在导电玻璃上镀上一层铂镜或多孔碳电极作为对电极来催化此反应。

电解质可为液态或固态。

液体电解质的转化效率较高,但易导致敏化染料脱附、密封困难等问题。

2、敏化剂在DSSC电池中的作用有哪些？

在DSSC中,染料敏化剂就像光捕获天线,起着收集能量的作用,类似于叶绿素和胡萝卜素在自然界光合作用中起到的作用；染料敏化剂的性能直接影响到DSSC的光电转换效率,具有非常重要的作用。

研究表明,高性能的敏化剂需要具有以下7点作用：

（1）染料分子的电子最低占据轨道（LUMO）的能量应该高于半导体导带边缘的能量,且需有良好的轨道重叠以利于电子的注入；

（2）染料分子需要牢固吸附于半导体的表面,这样染料激发生成的电子可以有效注入到半导体的导带中。

能在TiO2表面有效吸附的基团有—COOH、—OH、

—SO3H、—PO3H2和水杨酸盐等,其中应用最广泛、吸附性能最好的是羧基和磷酸

基；

（3）染料分子应该具有比电解质中的氧化还原电对更正的氧化还原电势,这样染料分子能够很快得到来自还原态的电解质的电子而重生；

（4）染料在长期光照下具有良好的化学稳定性,能够完成108次循环反应；

（5）染料的氧化态和激发态要有较高的稳定性；

（6）理想的染料在整个太阳光光谱范围内都应该有较强的吸收；

（7）染料分子能溶解于与半导体共存的溶剂,这样有利于在TiO2表面形成非

聚集的单分子染料层（聚集的染料分子会导致入射光的损耗和阻碍电子的运输,导致转换率降低。

3、光阳极的哪些性质会影响电池性能？

研究表明：

纳米晶TiO2膜光阳极的晶型、比表面积、粒子直径、膜厚度、

膜表面粗糙度等都是影响电池光电转换效率的重要因素。

就染料的吸附而言，比表面积越大，在半导体膜表面吸收的染料越多，越有利于光的吸收。

一般来说颗粒越小，孔隙越大，膜越厚，表面积越大，不过颗粒太小会影响染料的有效吸附半导体膜的表面粗糙度影响光在膜面上的吸收和反射率。

光阳极粗糙度增大，可见光在表面被来回反射，增加了孔内染料吸收光的几率。

4、与其他太阳能电池比较，DSSC电池有哪些优势和局限性？

优势：

优点在于它廉价的成本和简单的工艺及稳定的性能,已成为传统太阳能电池的有力竞争对手。

其光电效率稳定在10%,制作成本仅为硅太阳能电池的1/5～

1/10,寿命能达到20年以上。

制备电池耗能较少，能源回收周期短。

生产过程中无毒无污染。

结构简单、易于制造，生产工艺简单，易于大规模工业化生产。

局限：

DSSC使用液态电解质时，电池的光电转换效率较高，但由于液态电解质存在易挥发、易泄露等缺点影响了电池的长期稳定性。

液态电解质易挥发和渗漏，进而导致电池失效，因此，组装电池时电解质的添加一定要适量，防止渗漏.传统DSSC使用导电玻璃作为基底，但由于玻璃存在重量大、易破碎等缺点限制了电池的应用范围，使得染料敏化太阳能电池的广泛商业化一直难以实现。

参考文献

[1]O’RganB.，Gr?

tZelM.，Nature，（1991）,353（24）737-739

[2]黄春辉，黄岩谊，李富友.光电功能超薄膜（第一版）.北京:

北京大学出版社，2001.

[3]Peterwurfel著,陈红雨,匡代彬,郭长娟译.太阳能电池-从原理到新概念.北京:

化学工业出版社,2009.

[4]章伟光.综合化学实验.北京：

化学工业出版社，2008.

[5]YangShuming,HuangYanyi,HuangChunhui,etal.[J].ChemMater,2002,14（4）:

1500-1504.

篇二：

太阳能电池实验报告

实验报告

实验项目染料敏感化太阳能电池的制备及测试专业班级数学系11级2班姓名吴飞跃学号10114541指导教师李艳日期2011年12月8日

篇三：

染料敏化太阳能电池

新能源课程

染料敏化太阳能电池（DSSC）装

置的制作教学实验报告

电气01王平09041020

4/22Monday

《染料敏化太阳能电池（DSSC）装置的制作》教学实验

一、研究背景：

随着工业发展和技术进步，人类对能源的需求与日俱增。

因此开发新的绿色能源，减少对环境的冲击影响，是迫切需要研究的课题。

绿色能源种类很多，本实验将针对染料敏化太阳能电池（DSSC）进行实验制作，以了解其设计原理及机制。

二、实验目的：

了解染料敏化太阳能电池（DSSC）发电原理，掌握DSSC基本制作方法和的电池性能测定；理解决定DSSC性能的材料方面的影响因素，实验比较不同燃料、不同光线对电池性能的效果。

三、实验技能：

学习研磨制样、材料的选择、万用电表的使用、涂布coating及组装、测试太阳能电池。

四、工作原理：

本实验所制备的染料敏化太阳能电池（DSSC），是一个电化学反应过程装置。

由正极、负极、电解质液组成。

其中正极为涂布有石墨的导电玻璃；负极为涂布有二氧化钛的导电玻璃；二氧化钛为多孔纳米结构，吸附有染料或光敏剂；电解液为含碘化合物，能够产生I2/I-,被填充在正、负极之间。

DSSC太阳能电池是由一系列电子传递过程完成光能-电能转换的。

当光线照在负极侧，染料吸收光能发生电子跃迁，染料被氧化，电子经二氧化钛半导体传导，流动到负极的导电玻璃片进入外电路；电子到达正极