叶绿素敏化纳米晶太阳能电池性能的研究

1. 5 铂对电极的制备 电镀液的配制 : 将 0. 5 g 的 H 2 Pt Cl6 ∃ 6H 2 O、 5 g 的 ( NH 4 ) 2 H PO 4 、 15 g 的 Na 2 H P O4 配 制成 100 mL 水溶液. 将 导电玻璃切成 2 cm ∀ 1. 5 cm 的 小 块, 依次用清洗剂洗涤, 质量分数 10% 的 NaOH 溶 液超声 波清洗 , 除油剂 ( NaOH 76 g/ L 、 Na 3 P O4 26 g/ L 、 N a2 CO 3 30 g/ L ) 煮沸 , 去离子水冲 洗干净. 以 铂金片做阳极, 导电玻璃做阴极 , 在 80 % 、 电流密度 2 为 60 mA/ cm 条件下, 电镀 2 min, 在导电玻璃的导 电面上得到光亮的铂镜[ 7] . 1. 6 电池的组装 将着色后的电极从溶液中取出 , 用水清洗 , 再用 乙醇清洗一遍 , 放入烘箱 中 80 % 下烘干 , 将 电极的 着色面朝上放在桌上 , 并把铂对电极放在上面 , 将两 片玻璃稍微错开, 以便于利用未涂有 T iO 2 电极的 部分和反电极留出约 4 m m 宽的导电部分作为电池 的测 试用 . 用夹 子 将 电池 夹 住, 再 滴 入 两 滴 0. 5 mol/ L 的 KI 甘油 溶液作为电解质 , 由于毛细 管作 用原理, 电解质很快在两个电极间均匀扩散. 电池的 组装示意图如图 2 所示.
1 实验方法与过程
1. 1 主要实验材料及器材 2. 5 cm ∀ 4. 5 cm 的 FT O 导电玻璃 , 电阻率为 20 / cm 2 , 透 光 率 # 85% ; P 25 , w ( 锐 钛 矿 ) = 75% , w ( 金红石) = 25% , 粒径为 25 nm, 比表面积 为 55 m 2 / g ; 无水乙醇 ; 丙酮; 0. 5 mol/ L 的 KI 甘油
[ 图2 电池组装示意图 [ 1]
参
考
文
献
]
黄春辉 , 李富友 . 光电功能超导薄膜 [ M ] . 北 京 , 北京 大
第 23 卷第 1 期 学出版社 , 2001. [ 2] [ 3]
陈
洪等
叶绿素敏化 纳米晶太阳能电池性能的研究
67
fer and nano technolo: a natural dye sensitized nano cr ys ta lline ener gy conver ter [ R] . China A cademic Jour nal Electro nic P ublishing H ouse, 1997, 28( 4) : 231- 235. [ 6] [ 7] 洪法水 , 魏正贵 , 赵贵文 , 等 . 菠菜叶绿素的浸提和协 同 萃取反应 [ J] . 应用化学 , 18( 7) : 532- 535. 郝三存 , 吴季怀 , 林建明 , 等 . 铂修饰光阴极及其在纳 晶 太阳能电池中的应用 [ J] . 感光 科学 与光化 学 , 22( 3) : 176- 182.
陈
[摘
洪, 邹
朴, 杨贤镛
( 湖北工业大学机械工程学 院 , 湖北 武汉 430068) 要] 用叶绿素作为敏化剂 , 采用溶胶 - 凝胶与粉末 涂敷相结合 的方法在 FT O 上 制备 T iO 2 纳米 薄膜电
极 . 实验结果表明 , 叶绿素可使 T iO 2 薄膜电极对可见光敏感 . 用 Xe 灯作为光源 , 在光强为 72. 6 mW/ cm2 下 , 电池开路电压为 451 mV , 短路电流为 332 A/ cm 2 , 光电转换效率和填充因子分别为 0. 774% 和 38. 2% . [ 关 键词] 叶绿素 ; T iO 2 纳米薄膜 ; 太阳能电池 [ 中 图分类号 ] T K 514 [ 文献标识码 ] : A
图3 图 1 叶 绿素的吸收光谱
电池伏安特性曲线
2. 3 光电转换效率和填充因子 用 Xe 灯 作 为 光 源, 光 强 为 72. 6 mW/ cm 2 ( YF J 10 型阳光辐照计测得 ) , 由光电转换效率公式 = Pm / ( A t * Pin ) ∀ 100% 和填充因子公式 FF = Pm / ( Isc * Voc) = Im * Vm / ( I sc * Voc) , 可得染料敏化电池的光电效率和填充因子 = 0. 774% 及 FF = 38. 2% .
CH EN H o ng , Z OU P u, YANG Xiang yong ( S chool of Mechani cal Engin . , H ubei Uni v . of T echnol ogy , W uhan 430068, China) Abstract: Nanocr yst alline T iO 2 f ilm s elect rode was made on FT O glass w it h sol gel met hod and pow der coat ing m et hod t og et her , w hich w ere sensitized by sing le dye of chlorophyll. T he result s of exper im ent show t hat t he N anocrystalline T iO 2 f ilm s sensit ized by chloro phyll can be sensit iv e t o v isible lig ht. An open circuit phot ov olt age of 451mV and a sho rt circuit curr ent densit y of 332 A/ cm 2 w ere measured under Xe lig ht illum inat ion w hich int ensit y w as 72. 6 m W/ cm . T he phot oelectr ic conversion eff iciency and FF w ere 0. 774% and 38. 2% separ at ely. Keywords: chloro phyll ; Nanocryst alline T iO 2 f ilms; solar cell [ 责任编校: 张 众]
3 结论
叶绿素在可见光区有良好的吸收性能, 这是其 可用于制备高效率纳米晶太阳能电池的一个重要因 素 . 利用叶绿素制成的太阳能电池的效率之所以不 高 , 主要是因为叶绿素染料中存在像植物类囊体薄 膜那样限制光吸收的光敏化染色分子薄层 . 改善的 途径 : 可以考虑根据所制备的纳米晶 T iO 2 多孔电极 具有很大的比表面积的特点 , 结合其他天然色素的 光吸收谱图 , 同时在 T iO2 电极上吸收不同种的、 范 围可以互补的单层染料 , 使电极在可见光区呈现较 宽的光电响应区域 , 进一步提高与太阳光谱的匹配, 从而更好地提高叶绿素敏化纳米晶 T iO2 太阳能电 池的光电转化效率 .
2 电池性能的测试
2. 1 开路电压和短路电流 用万用表测试电池的开路电压 V OC 和短路电流 I SC , 测得开路电压 V OC = 451 mV , 短路电流 I SC = 332 A/ cm 2 . 2. 2 I V 曲线 用电阻箱和万用表测试得电池的伏- 安特性曲 线 , 如图 3 所示. 从图中可以求出电池的最佳输出功 率点 Pm = 0. 562 m W.
[ 收稿日期 ] 2007- 12- 19 [ 作者简介 ] 陈 洪 ( 1959- ) , 男 , 湖北武汉人 , 湖北工业大学教授 , 研究方向 : 材料强韧化 , 新型金属材料 , 功能材料 .
66
湖
北
工
业
大
学
学
报
2wk.baidu.com08 年第 1 期
中, 再放入 5~ 6 片 4 mm ∀ 4 mm 的未研磨菠菜叶 ; 把 B 膜放人棕色瓶中 , 加入适量的丙酮把膜完全盖 住; 将棕色瓶放入黑暗中反应 24 h, 使酶有 充分的 时间与叶绿素反应, 同时使叶绿素充分吸附到 T iO 2 薄膜表面 . 1. 4 叶绿素吸收光谱的测定 菠菜中叶绿素 a 和 b 之比大约为 3 & 1, 用傅立 叶紫外可见分光光度计测试菠 菜叶绿素的吸 收光 谱. 叶绿素的可见光波段的吸收光谱 , 在蓝光 405 nm 和红光 680 nm 处各有一显著的吸收峰 . 图 1 说 明叶绿素在紫外和可见光区域 有良好的光吸 收特 性, 这就为叶绿素敏化 T iO 2 电极使其吸收 光谱红 移成为可能.
[ 1]
溶液, H 2 Pt Cl6 ∃ 6H 2 O, ( NH 4 ) 2 H PO 4 , Na 2 H P O4 . 电位差计, 微安表 , 47 k 可变电阻, 100 W Xe 灯作为光源 ( XQ GXQ GCQ 500W 直 流汞 氙灯 ) , YF J 10 型阳光辐照计, 傅立叶紫外可见分光光度计 等. 1. 2 TiO2 薄膜电极的制备 采用溶胶 - 凝胶 法与粉末涂敷法相结合制备 T iO2 纳米薄膜 [ 3] . 参照文献 [ 4] , 利用 Sol Gel 法在 F T O 上制备 T iO 2 多孔薄膜 A. 再利 P 25 在 A 薄膜 上涂敷一层 T iO2 薄膜 , 得到复合多空薄膜 B. 具体 方法如下: 称取 12g 二氧化钛粉 ( Degussa P25) 放 入研钵中, 一边研磨, 一边逐渐加入 20 mL 硝酸或 乙酸 ( pH 值为 3~ 4) , 每加入 1 m L 酸都必须使其 研磨得较均匀. 用透明 胶带盖住 A 的 4 边, 其 中 3 边约盖住 1~ 2 m m 宽 , 而第 4 边约盖 4~ 5 mm 宽 . 胶带的大部分与桌面相粘, 以确保玻璃不动, 这样形 成一个约 40~ 50 m 深的沟 , 在沟上滴 3 滴 T iO 2 乳 浊液, 然后用玻璃棒徐徐地滚动 , 使其均匀 . 待膜自 然晾干后 , 再撕去胶带 , 放入炉中, 在 500 % 下保温 0. 5 h. 烧 结后得到 T iO2 膜 B, 膜厚 大约在 7 ~ 10 m , 且多孔 , 与类囊体膜一样 , 有利于吸收太阳光 和收集电子[ 5] . 1. 3 叶绿素的提取及电极敏化 采用丙酮和乙醇混合液协同萃取叶绿素[ 6] . 方 法是 : 称菠菜叶 5 g 放入棕色试剂瓶中 , 加入 60 mL 物质的重为 1 & 1 的丙酮 和乙醇混合液 , 浸泡至发 白 , 即可得到初级染料 ; 将这些初始染料放入棕色瓶
第 23 卷第 1 期 Vol. 23 No. 1 [ 文章编号 ] 1003- 4684( 2008) 01 0065 03
湖 北 工 业 大 学 学 报 Journal of Hubei University of Technology
2008 年 2 月 Feb. 2008
叶绿素敏化纳米晶太阳能电池性能的研究
刘宝琦 , 赵晓鹏 . 混合植物染料敏化的太阳能电 池性能 [ J] . 光子学报 , 2006, 35( 2) : 184- 187. 罗欣莲 , 万发 荣 , 龙 毅 , 等 : 纳米 T iO2 薄膜的制 备方 法对 N PC 太 阳电池 性能的 影响 [ J] . 北 京科技大 学学 报 , 2003, 25( 3) : 241- 244.
20 世纪 70 年代发展起来的基于硅的高效光伏 电池 , 总能量转化效率达 到了 25% 以上 , 但 其昂贵 的成本及窄能带间隙半导体的的特征严重限制了它 的实际应用 . 1991 年 和 1993 年 , 一 种 全 新 的 太 阳 能 电 池 染料敏化纳米晶薄膜太阳能电池被报道 . 它 基于光合作用原理 , 以人工合成的羧酸联吡啶钌 II ( L H CII) 配合物为敏化染料, 其效率可与非晶硅太 阳能电池相媲美 . 虽然成本比非晶硅电池大大降低 , 但这种合成染 料仍不 是理 想材 料. 目 前染 料敏 化 T iO 2 太阳能电池的许多研究集中在染料的合成上 , 合成染料的成本较高 , 而且许多染料具有毒性 , 会造 成环境污染. 自然界中, 光合作用原始光能转换过程 的量子效率几乎是 100% , 研究证实 , 在 L H CII 复 合物中, 类胡萝卜素可作为 捕光天线! , 将捕集的光 能传递给反应中心叶绿素分子 [ 2] . 有鉴于此, 本实验 旨在通过叶绿素敏化纳米晶体 T iO2 太阳能电池 , 探讨叶绿素对纳米晶体 T iO2 太阳能电池光电性能 的影响.
[ 4] [ 5]
陈文梅 , 赵修建 . 溶 胶凝胶 法制备 T iO2 多孔纳米 薄膜 [ J] . 武汉工业大学学报 , 22( 1) : 6- 9. Smest ad G P, G ratzel M . demo nstr ating electro n trans
Study of the Performance of Nanocrystalline Photovoltaic Cell Sensitized by Chlorophyll