染料敏化太阳电池

1、目 录绪论1第1章太阳能电池基本知识21.1 太阳能光伏电池系统的组成21.2太阳能光电系统的特点21.3太阳能光伏电池的工作原理及其应用3第2章染料敏化太阳能电池42.1 染料敏化太阳能电池的基本结构42.2 染料敏化太阳能电池工作原理42.4 染料敏化太阳能电池的用途4第3章染料敏化太阳能电池的制备过程及性能测试53.1 染料敏化太阳能电池的制备材料、药品和设备53.2 实训步骤63.3 测试8第4章实验总结9参考文献1012绪 论染料敏化太阳电池（简称DSSC）是在1991年EPFL（瑞士联邦高等工业学院）的Gratze教授提出的一种新型光化学太阳电池，主要是由透明导电玻璃、纳米二氧化钛

2、多孔半导体薄膜、染料光敏化剂、电解质和对电极五个部分组成，纳米二氧化钛多孔薄膜在染料敏化太阳能电池中起着关键作用，由于它的多孔性，相比于单晶材料有更大的比表面积和更高的染料分子覆盖率，所以半导体电极有很大的光吸收系数和光电转换效率。近年来，DSSC电池以其简单的制备工艺、低廉的成本、较高的光电转换效率、广阔的应用前景而受到世界各国科学家和企业的广泛关注。DSSC电池通常由透明导电玻璃、吸附染料的多孔纳米二氧化钛薄膜光阳极、电解质溶液、镀铂对、电极组成。当太阳光照射到电池上时，染料分子吸收光能被激发，激发态电子不稳定，快速注入到二氧化钛导带，再通过多孔的二氧化钛薄膜传输到光阳极，从外电路通过负载

3、传输到对电极，同时失去电子的氧化态染料分子很快被还原，实现了电荷分离；电解质中的氧化还原电对将空穴传输到对电极，与电子复合，从而完成一个循环。在这一循环中，二氧化钛薄膜的表面均匀性及与导电基材的附着性对电子传输到外电路有很重要的作用，电池要有高的转化效率，需有平整且与导电基材附着性良好的光阳极薄膜。染料敏化太阳能电池，是一种模仿光合作用原理的、廉价的薄膜太阳能电池。它是基于由光敏电极和电解质构成的半导体，是一个电气化学系统。它可以用低廉的材料制成，不需要用精细的仪器制造，其制造过程比以前的电晶体电池更便宜。它可以被制成软片，机械强度大，不需要特别保护来防止树枝的撞击及冰雹。虽然它的能量转换效率

4、比最好的薄膜电池低，但理论上它们的性能比已足够高，在完成市电平价的情况下可以与化石燃料相提并论。第1章 太阳能电池基本知识1.1 太阳能光伏电池系统的组成太阳能光伏电池的基本原理是光电效应，由太阳光的光量子与半导体材料相互作用而产生的电势，从而把光能转换成电能。这种进行能量转换的光电元件称为太阳电，也可称为光伏电池。由太阳能电池板、太阳能控制器、蓄电池（组）组成。如输出电源为交流220V或110V，还需要配置逆变器。各部分的作用分别为： 1）太阳能电池板：太阳能电池板是太阳能发电系统中的核心部分，也是太阳能发电系统中价值最高的部分。其作用是将太阳的辐射能力转换为电能，或送往蓄电池中存

5、储起来，或推动负载工作。 2） 太阳能控制器：太阳能控制器的作用是控制整个系统的工作状态，并对蓄电池起到过充电保护、过放电保护的作用，也就是说为了保护蓄电池和用电器，需要控制器来监控充放电状态。在温差较大的地方，合格的控制器还应具备温度补偿的功能以及其他附加功能如光控开关、时控开关等，都应当是控制器需要考虑的选项。 3） 蓄电池：因为太阳能板只能在白天晴天才能发电，夜间和阴雨天气不能发电，所以在白天晴天发生的电，需要蓄电池来存储电力。一般为铅酸电池，小微型系统中，也可用镍氢电池、镍镉电池或锂电池。其作用是在有光照时将太阳能电池板所发出的电能储存起来，到需

6、要的时候再将电能释放出来。 4） 逆变器：太阳能的直接输出一般都是12VDC、24VDC、48VDC。如果用电器是直流的，就可以直接带动。但是，为能向220VAC的电器提供电能，需要将太阳能发电系统所发出的直流电能转换成交流电能，因此需要使用DC-AC逆变器。图1-1 太阳能电池组件1.2太阳能光电系统的特点1）是清洁环保能源，无空气污染，零排放。  2）无燃烧过程，不需要燃料。3）无转动部分，不产生噪音。4）维护保养简单，维护费用低。 5）运行可靠，使用寿命长，硅体太阳能电池使用寿命可长达25年以上。1.3太阳能光伏电池的工作原理及其应用&#

7、160;太阳能光伏电池是通过光电效应或者光化学效应直接把光能转化成电能的装置。太阳能光伏电池的工作原理：光电直接转换方式就是利用光电效应，将太阳辐射能直接转换成电能，光电转换的基本装置就是太阳能电池。太阳能电池是一种由于光生伏特效应而将太阳光能直接转化为电能的器件，是一个半导体光电二极管，当太阳光照到光电二极管上时，光电二极管就会把太阳的光能变成电能，产生电流。 其应用领域主要在太空航天器、通讯系统、微波中继站、电视差转台、工农业发电、家用发电系统、照明系统，太阳能路灯、太阳能信号灯、太阳能交通指示牌、太阳能电 动车、太阳能水泵。太阳能最实用的是缺电、少电地区，有些地方不好

8、架设电线，用小型的太阳能发电系统是最方便不过了。第2章 染料敏化太阳能电池2.1 染料敏化太阳能电池的基本结构染料敏化太阳能电池主要由纳米多孔半导体薄膜、染料敏化剂、氧化还原电解质、电极和导电基底等几部分组成。纳米多孔半导体薄膜通常为金属氧化物（TiO2、SnO2、ZnO等），聚集在有透明导电膜的玻璃板上作为染料敏化太阳能电池的负极。对电极作为还原催化剂，通常在带有透明导电膜的玻璃上镀上铂。敏化染料吸附在纳米多孔二氧化钛膜面上。正负极间填充的是含有氧化还原电对的电解质，最常用的是I3/I 。图2-1 染料敏化太阳能电池的组成示意图2.2 染料敏化太阳能电池工作原理（1）染料分子受太阳光照射后由

9、基态跃迁至激发态；（2）处于激发态的染料分子将电子注入到半导体的导带中；（3）氧化态的电解质在对电极接受电子后被还原，从而完成一个循环；（4）分别为注入到TiO2 导带中的电子和氧化态染料间的复合，及导带上的电子和氧化态的电解质间的复合。2.3 染料敏化太阳能电池的特点染料敏化太阳能电池与传统的太阳能电池相比有以下优势：（1）寿命长，使用寿命可达15-20年；（2）结构简单、易于制造，生产工艺简单，易于大规模工业化生产；（3）制备电池耗能较少，能源回收周期短；（4）生产成本较低，仅为硅太阳能电池的1/51/10，估计每单位的电池的成本在10元以内。（5）生产过程中无毒无污染。经过十几年时间，染

10、料敏化太阳电池研究在染料、电极、电解质等各方面取得了很大进展。同时在高效率、稳定性、耐久性、等方面还有很大的发展空间。2.4 染料敏化太阳能电池的用途染料敏化太阳能电池有着比硅电池更为广泛的用途：可用于塑料或金属薄板使之轻量化，薄膜化；可使用各种色彩鲜艳的染料使之多彩化；还可设计成各种形状的太阳能电池使之多样化。第3章 染料敏化太阳能电池的制备过程及性能测试3.1 染料敏化太阳能电池的制备材料、药品和设备1. AZO透明导电玻璃一片2. N719染料粉末59mg3. P25二氧化钛粉末6g4. 乙酸溶剂数毫升5. 乙基纤维素3g6. 松油醇3g 图3-1 二氧化钛、乙酸、乙基纤维素、松油醇7.

11、 0.5M碘化锂8. 0.05M碘9. 3-甲氧基丙腈10ml10. 无水乙醇，丙酮，去离子水11. 研钵和研杵一组12. 分析天平13. 滴管、棕色滴瓶、量筒、烧杯若干个14. 3M胶带一卷15. 圆柱型的玻璃棒16. 镊子一支17. 台式烘干机18. 小钢夹两个19. 氧化炉20. 万用表3.2 实训步骤1、器皿的清洗：将滴瓶，滴管，烧杯，量筒，玻璃棒用丙酮和无水乙醇各清洗一遍（最好使用超声波清洗机清洗），然后放在无尘的柜中晾干备用。用沾有丙酮的无尘布擦拭研钵、研杵。2、N719染料制备：将59mgN719染料，量取100ml无水乙醇，将N719染料溶解在乙醇中，在40下用搅拌器搅拌12小

12、时，得到5×10-4mol/L 的染料溶液。将制备好的溶液倒入棕色滴瓶中，密封避光保存。3、稀释乙酸溶液的配置：0.4ml浓缩乙酸（约1-2滴）混合到200ml去离子水中，置于滴瓶中密封避光保存。4、乙基纤维素的配置：将3g乙基纤维素溶解在30g无水乙醇中，搅拌30min（一边搅拌一边缓慢加入乙基纤维素粉末），置于滴瓶中密封保存。5、电解质的配置：将0.5M的LiI和0.05M的I2混合，并将混合物溶解在10ml 3-甲氧基丙腈，形成含有三价碘离子的碘化锂电解溶液。6、制备P25 二氧化钛纳米晶粒表面包裹乙酸分子的胶质体：使用分析天平秤取6g二氧化钛粉末，将6g P25二氧化钛粉末置

13、于定性滤纸上以微温加热烘干10min以除去去多余湿气，再用研钵和研杵将可能因贮存而产生团聚现象的TiO2粉末均匀的研磨开来。然后加入4-5滴经稀释过的乙酸溶剂，研磨5min，再加入数滴乙酸溶液和3g松油醇，再继续研磨，直至混合物形成质感滑顺的胶质态浮物，最后逐滴加入乙基纤维素溶液，不断的研磨，挥发多余的乙醇，直至获得粘稠状的胶质混合物。图3-2 充分研磨后7、检测AZO玻璃基板划片和表面清洗：用玻璃刀划取4x5cm的基板，先用去离子水冲洗基板2min，然后分别用无水乙醇、丙酮超声波清洗10min。再用无尘布擦拭干备用。8、将玻璃基板置于桌面，使用电表判断导电面，使可导电的面朝上，并将厚度约为2

14、0um的3M胶带粘附于玻璃基板的三侧边约1cm宽度，再另外用较宽的胶带将基板固定于实验桌面上，以利于下一实验步骤的进行。取胶质材料，将其沾附于导电基板上（有条件的话可先滴1-2滴TiO2溶液，有助于导电玻璃吸附胶质），然后使用直径均匀的玻璃棒将胶质均匀地涂抹于玻璃基板上。基板三侧边所粘贴的胶带的功能是用以提供约20um厚度的衬垫用，当用玻璃棒碾平TiO2胶质时，可以借以控制TiO2的涂抹厚度。图3-3 均匀涂抹9、涂抹完成后晾干，用微型镊子小心地除去玻璃基板上的胶带，小心不要刮伤所涂抹的TiO2胶质层，也尽量避免在胶质层完全干燥时才撕去胶带。10、将涂抹了TiO2胶质层的玻璃基板置于在化学抽风

15、烟柜中的平板式加热器的加热平板上，加热10-20分钟。在烘干过程中，胶质内的有机溶剂乙酸和介面活性剂乙基纤维素会逐渐被烘干，TiO2胶质的颜色会逐渐转变为棕色。持续加热，最后当乙酸和介面活性剂被完全驱离TiO2粒子的表面，而形成具有膨松多空的白色TiO2层膜，玻璃基板上颜色较深时可停止加热，然后让玻璃基板慢慢地冷却到室温。或者可以直接放置在高温炉中，使用450的温度烘烤且升温速率不得太快，玻璃基板和TiO2胶质层的受热会较均匀，进行烧结出来，加热约30分钟，最后所获得的太阳电池的效率有可能会较佳。11、将烘烤过的TiO2电极放置到染料溶剂中，浸泡2小时。当具有多孔性的TiO2层逐渐吸收染料，则

16、会使TiO2产生颜色变化，并使染料分子与TiO2分子中的Ti4+离子结合。12、用去离子水缓缓冲洗浸渍过染料的TiO2电极，接着再用乙醇溶剂冲洗，将附着于胶质层内的纳米级空洞中不易自行挥发的水分子清除干净，并将其烘干。13、另取一片镀铂导电玻璃基板（Pt对电极），先用无水乙醇和丙酮超声波清洗10min，然后吸附染料的TiO2胶质膜玻璃基板面与镀铂导电玻璃基板面彼此面对面错开一小段距离地堆叠在一起，用小钢夹夹紧两片玻璃基板，形成如三明治的组装。组装时，需使两玻璃面未涂抹任何膜的侧边分别作为三明治结构的左右两侧边，使其不属于三明治结构的一部分，作为电极外接的端点。图3-4 夹紧玻璃基板14、注入电

17、解液：用滴管将数滴配制所得的电解液从三明治组叠结构边缘两片玻璃基板的空隙中滴入。电解液会以毛细管的渗透作用方式，将电解液均匀的分布至两基板内。这样简易的染料敏化太阳电池就制作完成了。3.3 测试在AM1.5测试标准（光强1000W/m2 温度25±1下（1）开路电压：电路处于开路时染料敏化太阳电池的输出电压，表示太阳电池的电压输出能力。对于染料敏化太阳能电池来说，理论上开路电压可由下而上两个方程表示：Voc=|Efermi，TiO2-E（R/R*）Voc=（kT/e)ln（Ilinj/ncberI3-) 由公式可知，电池的开路电压不仅取决于TiO2费米能级于电解质的氧化氧化还原电势差

18、，还与电池的暗电流及激发态染料分子向TiO2导带注入电子的速率有关。图3-5 开路电压（2）短路电流：电池处于短接状态下流经电池的电流大小，表示太阳能电池所能提供的最大电流大小，它于染料的电子的注入速率，电子在中的复合速率，暗电流及电池的内阻等因素有关。图3-6 短路电流（3）电池转换效率：能量转换效率=Jsc*Voc*FF/Pin（4）提高转换效率途径：适当的电池外型的改变(如表面粗化处理、电极形状)可以增加阳光入射量、太阳光版的角度调整等，从而提高其光电转化效率。第4章 实验总结通过采用天然染料敏化纳晶二氧化膜的方法制备DSC太阳能电池，由此可大大降低DSC太阳能电池的制造成本，简化制备的过程。高效