IPCE简介及其在DSSC中的应用

1、IPCE 简介及其在 DSSC 中的应用摘要：本文简明扼要的对 IPCE 做了介绍，其中包括原理、基本的概念、在太阳能方面的使用。也对其测试仪器系统做了介绍，包括仪器的组成、原理、使用的方法等。最后着重介绍了其在 DSSC 中的使用，并分析了其在 DSSC 中所起的重要作用，通过具体实例可以加强对 IPCE 的理解和认识。关键字：IPCE;光电转换效率；DSSC；应用1. 随着人类社会的进步能源问题和环境问题已经成为了制约人类社会发展的两大热点问题。太阳能作为一种绿色、安全、无污染、取之不尽用之不竭的新能源，已经成为了目前最有潜力取代常规化石能源的成为人类社会主流能源之一的新能源。染料敏化纳米

2、晶太阳能电池（Dye Sensitized Solar Cells 简称 DSSC）作为太阳能电池的一种，自 1991 年瑞士科学家 Grtzel 报道以来，以其寿命长、生产工艺简单、能源回收周期短、成本低、生产过程中无毒无污染的优势迅速发展为行业内备受人们关注的研究热点4。对其表征和测试也就显得尤为重要，IPCE 作为太阳能电池方面的一种重要的测试手段，科研工作者有必要了解。1.1 IPCE 简介 IPCE 我们一般称之为光电转化效率或单色光光电转换效率，学术术语为入射单色光子-电子转化效率(monochromatic incident photon-to-electron conversi

3、on efficiency，用缩写 IPCE 表示)。IPCE 的定义为：单位时间内外电路中产生的电子数 Ne 与单位时间内的入射单色光子数 Np 之比，其数学表达式为：IPCE= 1240 Isc / (l Pin)，其中 Isc、l 和 Pin 所使用的单位分别为 A cm-2 、nm 和 W m-2。实际应用中，考虑到 IPCE 与光捕获效率 LHE (l)、电子注入量子效率 finj 及注入电子在纳米晶膜与导电玻璃的后接触面上的收集效率 fc 三部分相关，对公式进行修正。所以对于同一体系，两者相比，IPCE (l)能更好地表示电池对太阳能的利用程度，因为 f (l)只考虑了被吸收光的光

4、电转化，而 IPCE (l) 既考虑了被吸收光的光电转化又考虑了光的吸收程度。譬如，若某电极的光捕获效率为 1%，而实验测得量子效率 f (l) 为 90%，但其 IPCE (l) 只有 0.9%。作为太阳能电池，必须考虑所有入射光的利用，所以用 IPCE (l) 表示其光电转化效率更合理；作为 LB 膜或自组装膜敏化平板电极的研究主要用来筛选染料而不太注重光捕获效率，所以常用 f (l)表示光电转化效果。在染料敏化太阳能电池即 DSSC 中，IPCE (l) 与入射光波长之间的关系曲线为光电流工作谱1。太阳能电池的 IPCE 是指太阳能电池的电荷载流子数目与照射在太阳能电池表面一定能量的光子

5、数目的比率。因此，太阳能电池的 IPCE 与太阳能电池对照射在太阳能电池表面的各个波长的光的响应有关。太阳能电池的 IPCE 与光的波长或者能量有关。如果对于一定的波长，太阳能电池完全吸收了所有的光子，并且我们搜集到由此产生的少数载流子（例如，电子在 P 型材料上） ，那么太阳能电池在此波长的 IPCE 为 1。对于能量低于能带隙的光子，太阳能电池的 IPCE 为 0。理想中的太阳能电池的 IPCE 图形是一个正方形，也就是说，对于测试的各个波长的太阳能电池 IPCE 是一个常数2。但是，绝大多数太阳能电池的 IPCE 会由于再结合效应而降低，这里的电荷载流子不能流到外部电路中。用专业术语来说

6、的话，综合器件的厚度和入射光子规范的数目来说，太阳能电池的量子效率可以被看作是太阳能电池对单一波长的光的吸收能力。 1.2 IPCE 测试系统太阳能电池的 IPCE 通过用波长可调的单色光照射太阳能电池，同时测量太阳能电池在不同波长的单色光照射下产生的短路电流,从而得到太阳能电池的 IPCE。通常太阳能电池 IPCE 的测试需要由宽带光源、单色仪、信号放大、模块、光强校准模块、计算机控制和数据采集处理模块组成。IPCE 测试系统的特点是用调制光代替直流光，减少了杂散光、噪声等对测量精度的影响。同时采用锥腔型热释电探测器代替热电堆探测器，用锁相测量仪器代替直流测量仪器并增加温度控制，以便提高测量

7、系统的灵敏度和光谱响应度标准的平坦程度，进而提高准确度。以以双单色仪代替单色仪，大大减少杂散光，同时增加了光谱响应度的绝对定标6。该系统可以根据用户灵活地根据客户需求进行变形、组合。可以完成例如太阳能电池 IPCE 测试，光电器件光谱响应度分析等实验。1.3 IPCE 的使用方法 打开光源（检查氙灯 300 瓦） ，让其稳定 10-15 分钟。开电脑、单色仪和功率计；打开软件开始测试；选择扫描波段；扫描参比光强数据并保存；导入参比光强数据和所用标准电池的校准数据；扫描样品的量子效率；测试完成，关闭软件再关机，关闭光源、电源。其测量原理是通过光源从单色仪出射的单色光，分别照射在被测染料敏化太阳能

8、与标准硅探测器上，二者接在 A、B 两个通道上，可以相互转换。然后测量它们的短路电流，在比较电流值的方法得出光谱响应度3。其中标准硅探测器的光谱响应度数据由中国计量院给出5。其直流测量法原理图如下图所示：图 1-1 IPCE 的直流测量法原理图22 IPCE 在 DSSC 中的应用 如图 2-2 所示，对染料的 IPCE 测定以及对太阳能电池中 TiO2的 IPCE 的测定。在实验开始测试时，首先用 A 通道接标准硅电池，通过调节短路电流，保证达到一定的信噪比，确保测量的精确度。通过测试出的结果和从已知数据中导入的标准数据进行校正，就可以在用软件进行处理时扣除仪器等因素的影响，从而提高准确度。

9、从下图中可以看出 TiO2主要在 400nm 处有强吸收峰，在对染料敏华太阳能电池的光阳极进行参杂修饰时可以除去TiO2的影响，从而分析所参杂物质对应的吸收峰，以此来探究影响染料敏化太阳能电池光电转换效率的因素，从而更好的提高其光电转换效率，已达到实用目的。此外，通过此图，还可以看出不同染料对光的响应波段不同，当所合成制备出的材料在 800nm 以上对光有响应时，就只能用在此波段有光电转换的染料，也就是图中的黑色线4。否则，所产生的机理也就不同于染料敏化电池，也就不能通过 IPCE 来表征。此外，对上转换材料在染料敏化太阳能电池中的应用，通过 IPCE 也能进行很好的观察，比如在近红外波段，假

10、如合成的某物质对光有吸收，就可以将其通过上转换转换到可见光区，从而提高太阳能电池的光电转换效率。 图 2-2 染料及 TiO2的 IPCE4 从图 2-3，我们可以看出十钨酸锂负载 TiO2粉体与 P25 共混之后制备的电池所测 IPCE与空白即 P25 大致走势一致，其中十钨酸锂负载的粉体制备的电池所测 IPCE 在 510nm 左右处有最大值，而十钨酸钠负载的粉体制备电池后所测 IPCE 在 520nm 处有峰值。从图中可以看出，十钨酸锂 0.05 与 P25 共混后所得效果最佳，而且较空白提升最大，峰值达到了45%，整个不同含量的十钨酸锂与 P25 共混后在 400nm 到 700nm

11、之间均有提高，同样可以看到十钨酸锂 0.05 的提升幅度最大而且是在整个所测波长范围内均有提升。这通过其他仪器所测的 J-V 曲线图以及所测紫外-可见光吸收光谱是一致的。通过不同仪器的共同表征，从而可以更加确定其结果。图 2-3 不同含量的十钨酸锂负载的 TiO2粉体制备的 DSSC 的 IPCE图 2-4 十钨酸/盐负载的 TiO2粉体制备的 DSSC 的 IPCE从图 2-4 可以看出不管是十钨酸还是十钨酸盐负载 TiO2制备的 DSSC 的单色光效率和空白相比较均有所改善，其中十钨酸锂 0.05 负载 TiO2制备的 DSSC 的单色光效率有最优改善，这和其 J-V 曲线所测光电转化效率

12、是一致的。在第主族里，选择了氢、锂、钠这三个元素，从 IPCE 上可以看出三者最小剂量的与 TiO2负载后再与 P25 共混制备电池后所得效率最高，三者中锂的效率最高，其次是氢、钠。从图中也可以看出，十钨酸锂 0.05 与 P25 共混后 IPCE 达到了 45%，较 P25 空白提升了 165%，十钨酸和十钨酸钠的 IPCE 峰值分别为 39%和29%。通过 IPCE 我们就可以很容易的找到影响的因素，对同一主族元素规律的研究以及不同含量的研究使得我们可以在实验基础上做出可观的改变，从而探寻改变光电转换的机理及相应影响因素，达到提高光电转换效率的目的。这一部分是我自己近期做的结果，通过实际操作，可以发现存在的问题，从而更好地改进对仪器的理解和使用。参考文献： 1杨德仁. 太阳电池材料M. 北京: 化学工业出版社, 2007:1-4. 2高峰, 成晓玲. 染料敏化纳米晶TiO2太阳能电池研究进展, 广州化工. 2006,34（7）:8-11. 3秦好丽, 古国榜，柳松.二氧化钛非金属氮掺杂的研究进展J.材料导报,2005,17 (19)：12-14. 4M. Grtzel. Perspectives for Dy