染料敏化太阳能电池关键材料的制备与表征

1、实验一染料敏化太阳能电池关键材料的制备与表征在众多新能源中，太阳能因具有清洁、环保、无污染、取之不尽、用之不竭等诸多优点，被认为是未来最有希望的新能源之一。太阳能电池是通过光电效应或光化学效应直接把光能转化成电能的装置。太阳能电池产业，已成为世界主要国家抢占新一轮经济和科技发展制高点的重大战略之一。在众多太阳能电池中，硅基太阳能电池技术最为成熟，但制作工艺复杂、价格昂贵、设备要求较高而不适合开展大学生实验。纳米二氧化钛（）晶体太阳能电池是最近发展起来的一种新型太阳能电池，其优点在于其低廉的成本、简单的工艺以及相对稳定的性能。其光电效率稳定在10%以上，而制作成本仅为硅太阳能电池的，寿命却能达到

2、年以上。但是的禁带宽度为，只能吸收波长小于375nm的紫外光。为了使其吸收红移至可见光区，增大对全光谱范围的响应，年，瑞士洛桑高等工业学院（）的研究小组开发了染料敏化太阳能电池（，简称），它由吸附了染料光敏化剂（过渡金属钌的有机化合物）的纳米多孔薄膜制成，其光电转换效率可达7.1%。1993年，他将光电转换效率提高到了10%，1998年，该研究组进一步研制出全固态，使用固体有机空穴传输代替液体电解质，单色光光电转化效率达到，引起了全世界的科学家对的关注。近年来，染料敏化太阳能电池的研究主要集中在阳极材料的改性、染料的改进、电解质的研究、以及阴极对的影响等方面。“染料敏化太阳能电池的制备、组装及

3、测试”实验涵盖材料制备实验（水热反应制备纳米颗粒、热解法制备催化剂、丝网印刷技术制备光阳极薄膜、玻璃工操作、材料热处理等）、仪器分析实验（台阶仪测量薄膜厚度、射线衍射仪表征材料的结构与成分、扫描电子显微镜观测形貌、紫外-可见吸收光谱测试光谱吸收效果）等多种实验方法。由于实验步骤繁多、周期较长，因此根据其HOOCCOOHHOOCRuHOOCCOOHHOOCNSHOOCCOOHHOOCRuHOOCCOOHHOOCNSHOOCCNNNNCNSHOOCNSNNCRuNNCNS特点分为两部分，第一部分为关键材料的制备与表征；第二部分为器件的组装与COOHCOOHCOOH测试。本实验为第一部分。下图为实验

4、室制备的。图实验室制备的使用不同染料敏化剂的图实验室制备的使用不同染料敏化剂的【实验目的】（1）了解染料敏化太阳能电池的工作原理及性能特点。（2）掌握染料敏化太阳能电池光阳极、对电极等关键材料的制备方法。（3）掌握相关材料的表征方法。【实验原理】染料敏化太阳能电池的结构与工作原理：染料敏化太阳能电池的结构是一种“三明治”结构，如图1所示，主要由以下几个部分组成：导电玻璃、染料光敏化剂、半导体纳米晶薄膜、电解质和铂电极。其中吸附了染料的半导体纳米晶薄膜称为光阳极，铂电极称为对电极。图组成与结构示意图图组成与结构示意图光阳极：目前，常用的光阳极是纳米是一种价格便宜，应光阳极：目前，常用的光阳极是纳

5、米是一种价格便宜，应用广泛，无污染，稳定且抗腐蚀性能良好的半导体材料。有锐钛矿型（）和金红石型（）两种不同晶型，其中锐钛矿型的带隙（）略大于金红石型的能带隙（），且比表面积略大于金红石，对染料的吸附能力较好，因而光电转换性能较好。因此目前使用的都是锐钛矿型的TiO2。研究发现，锐钛矿在低温稳定，高温则转化为金红石，为了得到纯锐钛矿型的，退火温度为450。染料敏化剂的特点和种类：用于电池的敏化剂染料应满足以下几点要求：牢固吸附于半导体材料；氧化态和激发态有较高的稳定性；在可见区有较高的吸收；有较长寿命的激发态；足够负的激发态氧化还原势以使电子注入半导体导带；对于基态和激发态氧化还原过程要有低的动

6、力势垒，以便在初级电子转移步骤中自由能损失最小。目前使用的染料可分为4类：第一类为钌多吡啶有机金属配合物。这类染料在可见光区有较强的吸收，氧化还原性能可逆，氧化态稳定性高，是性能优越的光敏化染料。用这类染料敏化的太阳能电池保持着目前最高的转化效率，但成本较高。第二类为酞菁和菁类系列染料。酞菁分子中引入磺酸基、羧酸基等能与表面结合的基团后，可用做染料敏化剂。分子中的金属原子可为、和等金属原子。它的化学性质稳定，对太阳光有很高的吸收效率，自身也表现出很好的半导体性质，而且通过改变不同的金属可获得不同能级的染料分子，这些都有利于光电转化。第三类为天然染料。自然界经过长期的进化，演化出了许多性能优异的

7、染料，广泛分布于各种植物中，提取方法简单。因此近几年来，很多研究者都在探索从天然染料或色素中筛选出适合于光电转化的染料。植物的叶子具有光-化学转化的功能，因此，从绿叶中提取的叶绿素具有一定的光敏活性。从植物的花中提取的花青素也有较好的光电性能，有望成为高效的染料敏化剂。天然染料突出的特点是成本低，所需的设备简单。第四类为固体染料。利用窄禁带半导体对可见光良好的吸收，可在纳米多孔膜表面镀一层窄禁带半导体膜。例如和，利用其半导体性质和纳米多孔膜的电荷传输性能，组成多结太阳能电池，但窄禁带半导体严重的光腐蚀阻碍了进一步应用。电解质：电解质在电池中主要起传输电子和空穴的作用。目前电解质通常为液体电解质

8、，主要由、等氧化还原电对构成。但液态电解质也存在一些缺点：液态电解质的存在易导致吸附在薄膜表面的染料解吸，影响电池的稳定性。溶剂会挥发，可能与敏化染料作用导致染料发生光降解。密封工艺复杂，密封剂也可能与电解质反应，因此所制得的太阳能电池不能存放很久。光阴极：电池的阴极一般由镀了的导电玻璃构成。导电玻璃一般为（掺的膜）和（掺的膜）。导电玻璃的透光率要求在以上，其方块电阻为，导电玻璃起着电子的传输和收集的作用。以上，其方块电阻为，导电玻璃起着电子的传输和收集的作用。膜表面覆盖一层染料光敏剂来吸膜表面覆盖一层染料光敏剂来吸在光阴极上得到电子再生成离子，该反应越快越好，但由于在光阴极上还原的过电压较大

9、，反应较慢。为了解决这个问题，可以在导电玻璃上镀上一层，降低电池中的暗反应速率，提高太阳光的利用效率。的工作原理是：电池中的禁带宽度为，只能吸收紫外区域的太阳光，可见光不能将它激发，于是在收更宽的可见光，当太阳光照射在染料上，染料分子中的电子受激发跃迁至激发态，由于激发态不稳定，并且染料与TiO2薄膜接触，于是电子注入到TiO2导带中，此时染料分子自身变为氧化态。注入到导带中的电子传输到导电玻璃，通过外电路流向对电极，形成光电流。处于氧化态的染料分子在阳极被电解质溶液中的还原为基态，电解质中的I-被从阴极进入的电子还原成，这样就完成一个光电化学反应循环。但是反应过程中，若电解质溶液中的在光阳极

10、上被导带中的电子还原，则外电路中的电子将减少，这就是类似硅电池中的“暗电流”。整个反应过程可用如下表示：（）染料受激发由基态跃迁到激发态：（2）激发态染料分子将电子注入到半导体导带中：（）还原氧化态染料分子：()扩散到对电极上得到电子使再生：()氧化态染料与导带中的电子复合：()半导体多孔膜中的电子与进入多孔膜中复合：其中，反应(5)的反应速率越小，电子复合的机会越小，电子注入的效率就越高；反应(6)是造成电流损失的主要原因。【仪器与试剂】一、仪器设备X-ray衍射仪、紫外-可见分光光度计、电化学工作站、超声波清洗器、恒温水浴槽、多功能万用表、电动搅拌器、高压反应釜、真空干燥箱、箱式电阻炉、红

11、外线灯、吹风机、研钵、电解池、铂电极、饱和甘汞电极、石英比色皿、导电玻璃、三口烧瓶、量筒、烧杯、水浴锅、分液漏斗、容量瓶、玻璃刀、玻璃刻字笔、聚四氟乙烯镊子等。二、试剂材料染料、染料、染料、磷酸盐缓冲液()、钛酸四丁酯、冰醋酸、异丙醇、乙基纤维素、硝酸、无水乙醇、乙二醇、乙腈、碘、碘化钾、丙酮、去离子水等。【实验步骤】实验流程：图5DSSC制备、组装、测试实验流程图实验过程：本次实验完成第一部分，关键材料的制备与表征，主要是光阳极的制备。一、切割、清洗导电玻璃用万用表辨别的导电面，从导电面下刀，切割导电玻璃（建议尺寸为X）块。首先用洗衣粉轻轻搓洗，然后分别在去离子水、无水乙醇中超声清洗，用聚四

12、氟乙烯镊子夹住吹干，备用。图辨别导电面并使用玻璃刀切割操作图二、浆料的制备将适量的乙基纤维素、纳米粉末、松油醇及乙醇超声混合均匀。减压蒸馏除去大部分的水和乙醇后，用三辊机研磨混合物，并挥发掉剩余的水和乙醇，直至获得适于丝网印刷的浆料。三、多孔膜电极制备FTOTiOj.FTO图多孔膜电极制备示意图分段升温热处理。冷却至室温后，即得到多孔FTOTiOj.FTO图多孔膜电极制备示意图分段升温热处理。冷却至室温后，即得到多孔膜电极。用粉末衍射仪采用丝网印刷技术在表面印刷TiO2浆料，静置除去表面缺陷，125干燥后，测量薄膜的厚度。通过重复上述“印刷一静置一干燥”步骤，控制薄膜厚度。将薄膜进行的测定晶型

13、结构。四、染料敏化剂溶液的制备和表征染料敏化剂采用（或、），配制其乙醇溶液待用。测定敏化剂溶液的紫外-可见光吸收光谱，确定染料敏化剂的吸收波长范围。五、染料敏化电极制备和循环伏安曲线测定（1）敏化电极制备经过煅烧后的多孔膜电极冷却到左右，浸入上述染料敏化剂溶液中，浸泡后取出，用乙醇清洗后晾干，即获得染料敏化的电极（光阳极）。图染色前与染色后的多孔膜电极（2）电极循环伏安曲线测定为考察染料敏化剂在纳米TiO2电极上的电化学行为和可逆性，以染料敏化后的电极为工作电极，伯电极为对电极，饱和甘汞电极为参比电极，的磷酸盐缓冲液为支持电解质，测定电位区间的敏化电极的循环伏安曲线，改变扫描速度确定敏化剂发生电化学反应的可逆性。（1）实验各步骤现象照片、产物/样品照片、文字记录和分析。()导电薄膜的图，煅烧后的多孔薄膜的图。通过标准卡片比较的图，分析所测定的材料的结构与晶型。()通过分析薄膜的图，观察薄膜、颗粒形貌、粒径、粒径分布，并将粒