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、绿叶片、红花瓣、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80 C左右，分别浸入上述两类染料溶液
中，浸泡2~3 h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3 A. 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4 A. 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太阳能玻璃种因素：
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
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