染料敏化太阳能的制备及性能分析

1、染料敏化太阳能的制备及性能分析1染料敏化太阳能的结构与原理1.1染料敏化太阳能的结构一个典型的DSSC （如图1所示）主要包括：纳米多孔TiO2半导体薄膜、 透明导电玻 璃、染料光敏化剂、空穴传输介质和对电极。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DSSC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，最常用的是丨3 一/ I hv91染料敏化太阳能电池的结构1.2染料敏化太阳能的原理染料敏化一般涉及 3个基本过程：染料吸附到半导体表

2、面，附态染料分子吸收光子 被激发，激发态染料分子将电子注入到半导体导带。该过程中，T iO2不仅作为光敏染料的支持剂，同时也作为电子的受体和导体。在入射光的照射下，镶嵌在纳米二氧化钛表面的光敏染料分子（Dye）受到光激发吸收光子，电子从金属轨道跃迁至联毗吮配体的*轨道，产生金属到配体的电荷转移激发态（Dye*） :Dye+ h Dye*处于激发态的染料分子向低能级的二氧化钛半导体的导带内注入电子（电子注入的速度为飞秒到皮秒的时间尺度），染料光敏剂分子自身转化成为氧化态的正离子（Dye+）,借以实现电荷分离，实现了光诱导电子转移： Dye * Dye + e-（ T iO2）注入导带中的电子从半

3、导体电极流出，经外电路时对外做功，产生工作电流，流回到电极：E-（ T iO2 ）e-（ BC） 处于氧化态的染料正离子（Dye+）与电解液中的氧化 还原电子对（I-/ I-3 ）反应，获得电子被还原回 到基态（Dye） :Dye+ 1. 5I- Dye+ 0. 5I-3I-3扩散到对电极（CE）上得到电子再生：0. 5I-3 + e（ CE） 1.5I-半导体导带上的一部分光生电子可以将电解质中的I-3还原：1-3 + 2e-（ TiO2） 3I-半导体导带上的一部分光生电子可以将被氧化的染料还原： Dye+ e-（ T iO2） Dye电路形成一个完整的循环。整个过程中，表观上化学物质没有

4、发生变化,而光能转化成为电能。染料激发态的寿命越长，越有利于电子的注入，而激发态的寿命越短，激发态分子可能来不及将电子注入到半导体的导带中就已经通过非 辐射衰减而回到基态。步骤、为决定电子注入到半导体效率的关键步骤。电子注入效率常数与逆反应速率常数之比越大，电荷复合的机会越小，电子注入的效率就越高。I-还 原氧化态染料的速率常数越大，电子回传被抑制的程度越大，这相当于I-对电子回传进行了拦截。步骤是造成电流损失的一个主要原因，因此只有当电子在纳米半导体网络中的传输速度（步骤 ）越大、电子与1-3复合的速率常数越小时，电流损失才会越小，从而光生 电流越大。步骤生成的1-3扩散到对电极得到电子变成

5、1-（步骤），从而使I-再生并完成电流循环。原理示意图如图2所示图2染料敏化太阳能电池原理示意图2染料敏化太阳能的光阳极电池的制备2.1染料敏化太阳能电池的制备的结构设计以TiO2（平均粒径21 nm, Degussa P25）作为DSSC中光电极所需的材料以透明 ITO （I ndium Tin Oxide，10Q/sq, 2.5 cm X2 cm）导电玻璃当作基底.ITO的清洗步骤依次以丙酮、二次去离子水及乙醇间隔2 min在超音波震荡器下洗净.电泳悬浮液配置为IPA与TiO2纳米粉末（TQ2/IPA）以比例1000:3混合，且在超音波震荡器下连续震 荡3 h.完成后的TQ2/IPA静置冷

6、却至室温.将TQ2/IPA在不同添加量（10-510-3 mol/L）的Mg（NO3）2逅H2O作电解质，并测量 Zeta电势.电泳沉积实验将正电极(Al foil)与负电极(ITO)以平行方式置入电泳悬浮液，二者的间距为1 cm.电泳沉积的电压设定为 20100 V，并以多层电泳方式使厚度达到约10yn如图1所示的电泳示意图.每一层薄膜皆经 400 C的热处理(10 C /min).使用protel 99se，在不同 的layer中画出电池结构如图3所示：匚光阳极玻璃片 匚对电极玻璃片 .封装膜匚 TiO2光阳极2.2ITO玻璃的切割及清洗使用专门的玻璃切割器来切割不导电一面，规格为1.5c

7、m*2cm。通常先对ITO表面用湿法处理，即用洗涤剂清洗，再用乙醇，丙酮及超声波清洗或用有机溶剂的蒸汽洗涤，后用 红外灯烘干。洗净后对 ITO表面进行活化处理，使 ITO表面层含氧量增加，以提高 ITO 表面的功函数，也可以用过氧化氢处理ITO表面，用比例为水：双氧水：氨水=5 : 1 : 1的混合溶液处理后，使OLED器件亮度提高一个数量级。因为过氧化氢处理会使ITO表面过剩的锡含量减少而氧的比例增加，使ITO表面的功函数增加从而增加空穴注入的几率2.3纳米二氧化钛浆料的分散称一克二氧化钛放入烧杯中，加入20ml无水乙醇，搅拌均匀后放入超声波清洗机中进行长达10分钟的震荡，使其均匀，再加入适

8、量的乙基纤维素，搅拌后放入烘箱加热，重复 多次，直到成为黏糊状为止。2.4二氧化钛的光阳极薄膜丝网印刷丝网印刷的原理是利用丝网印刷图文部分网孔透油墨，非图文部分网孔不透油墨的基本原 理进行印刷。(1)进行ITO玻璃的定位：根据光阳极大小的需求，选择相应的图文部分网孔，然后通 过标记定位，调节承载物(ITO玻璃)到相应的位置。（2 ）印刷：首先将二氧化钛浆料搅拌均匀，然后在丝网印版上涂抹二氧化钛浆料，用挂印 板在丝网印版上的二氧化钛浆料部位施加一定压力，同时超丝网印版的另一端移动。二氧 化钛浆料在移动的过程中被刮板从图文部分的网孔中挤压到ITO玻璃上。由于二氧化钛的黏性作用可能将ITO玻璃粘附在

9、丝网上，所以在刮板移动完毕后用刮板的一端对丝网相应 的位置施加压力，使ITO玻璃与丝网脱落。（3 ）干燥：高温烘烤2.5二氧化钛光阳极薄膜的烧结印刷在ITO玻璃上的银浆电路须经过130度约30min烘箱的加热干燥才能固化，也只有经过这一工艺程序银浆电路才具有导电性能。2.6光阳极薄膜的敏化3.1染料敏化太阳能电池的封装1）将封装膜取出并用无水乙醇清洗晾干；2）将封装膜放在敏化好的光阳极玻璃片上，光阳极要完全处于封装膜内框内部;3）再将对电极玻片放上，注意对电极上的注射孔要位于封装膜内框内；4）用热风机加热封装完成。3.2电解液的注入使用微量注射器通过对电极上的小孔，将电解液注入封装好的电池内部，并使用匀 浆机处理，使电解液分布均匀，没有气泡，最后将小孔封住。图5电解液的注入与注入完成的电池3.3染料敏化太阳能电池的测试将电池两极连接到万用表，将电池置于强光下，测量电池两极间的电压。4 结论与分析4.1 测试结果4.1测试结果测得电池两极电压约为 400mv ，但是在缓慢降低。4.2 性能分析 电池的电压未达到标准值 600mv ，可能是由于光阳极烧结过程中，光阳极受到 污染，导致转化率降低，无法达到标准值； 电压降低则可能是由于电池封装的密封性不好，导致电解液泄露，致使电压逐 渐降低。5 总结通过这次实验，我大致了解了染料敏化太阳能电池的结构与原理