叶绿素敏化纳米晶太阳能电池性能的研究
染料敏化TiO_2太阳能电池的研究进展
2009年6月材 料 开 发 与 应 用文章编号:1003-1545(2009)03-0081-05染料敏化T iO 2太阳能电池的研究进展冯 蕾,程永清,秦华宇,罗东卫(西北工业大学理学院应用化学系,陕西西安 710129)摘 要:介绍染料敏化纳米晶T i O 2太阳能电池的结构及其原理,对影响其光电转换效率的关键因素,如纳米T i O 2膜、敏化染料、电解质等做了探讨。
同时,对有机太阳能电池所面临的问题进行讨论,并提出今后的研究方向。
关键词:T i O 2;太阳能电池;染料敏化;纳米薄膜中图分类号:O 643.3 文献标识码:A收稿日期:2008-11-26作者简介:冯蕾,女,1986年生,硕士研究生,主要从事环境材料方面的研究。
能源危机与环境污染是人类在21世纪面临的两大挑战,开发和利用可再生绿色能源已成为人类社会所面临的重大课题。
近几年来,很多国家已投入大量资金从事太阳能电池的研究和开发工作,用单晶或多晶硅膜制备的太阳能电池其最高效率可达20%以上,但成本过高。
开发低成本光电活性材料,对充分利用太阳能资源有重要意义,目前ZnO 、CdS 、CdSe 、CdTe 、Fe 2O 3、SnO 2、T i O 2等许多化合物被用于光电转换。
虽然CdSe 、CdTe 等光电池有一定的应用前景,但它们是剧毒物质,容易对环境带来危害。
T i O 2染料敏化电池(Dye-sensitized So lar Ce lls,简称DSCs)则彻底摒弃了传统的硅电池工艺,它的最大优势是廉价的成本以及非常简单的制作工艺,因此有很好的应用前景,其制备与应用研究受到各国学术界的重视,并成为化学和材料科学研究的前沿领域。
瑞士M.Gr ¾tze l 教授领导的研究小组开发的染料敏化纳米晶Ti O 2太阳能电池掀起了太阳能电池研究的一次热潮。
经过十几年的迅速发展,现在DSC s 电池的最高转换效率已达11.04%[1]。
染料敏化纳米晶太阳能电池的历史发展及研究现状
第一章染料敏化纳米晶太阳能电池的历史发展及研究现状1-2法国科学家Henri Becquerel于1839年首次观察到光电转化现象3，但是直到1954年第一个可实用性的半导体太阳能电池的问世，“将太阳能转化成电能”的想法才真正成为现实4。
在太阳能电池的最初发展阶段，所使用的材料一般是在可见区有一定吸收的窄带隙半导体材料，因此这种太阳能电池又称为半导体太阳能电池。
尽管宽带隙半导体本身捕获太阳光的能力非常差，但将适当的染料吸附到半导体表面上，借助于染料对可见光的强吸收，也可以将太阳能转化为电能，这种电池就是染料敏化太阳能电池。
1991年，瑞士科学家Grätzel等人首次利用纳米技术将染料敏化太阳能电池中的转化效率提高到7%5。
从此，染料敏化纳米晶太阳能电池(即Grätzel电池)随之诞生并得以快速发展。
1.1 基本概念1.1.1大气质量数6对一个具体地理位置而言，太阳对地球表面的辐射取决于地球绕太阳的公转与自转、大气层的吸收与反射以及气象条件（阴、晴、雨）等。
距离太阳一个天文单位处，垂直辐射到单位面积上的辐照通量（未进入大气层前）为一常数，称之为太阳常数。
其值为1.338～1.418 kW·m-2，在太阳电池的计算中通常取1.353 kW·m-2。
太阳光穿过大气层到达地球表面，受到大气中各种成分的吸收，经过大气与云层的反射，最后以直射光和漫射光到达地球表面，平均能量约为1kW·m-2。
一旦光子进入大气层，它们就会由于水、二氧化碳、臭氧和其他物质的吸收和散射，使连续的光谱变成谱带。
因此太阳光光谱在不同波长处存在许多尖峰，特别是在红外区域内。
现在通过太阳模拟器，在室内就能够得到模拟太阳光进行试验。
在太阳辐射的光谱中，99%的能量集中在276～4960nm之间。
由于太阳入射角不同，穿过大气层的厚度随之变化，通常用大气质量（air mass，AM）来表示。
并规定，太阳光在大气层外垂直辐照时，大气质量为AM0，太阳入射光与地面的夹角为90º时大气质量为AM1。
染料敏化纳米TiO_2薄膜太阳能电池的研究进展
Ａｎ 等［１４］以 ＴｉＣｌ４ 或 ＴｉＣｌ３ 为前驱体 ，向 电 解 液 中 加 入 阳离子表面活性剂溴化十六烷三甲基铵（ＣＴＡＢ），通 过 阴 极电沉积法制备了 ＴｉＯ２ 薄膜。 乔俊强等［１５］采用直流复合 电 沉 积 法 ， 在 纳 米 镍 镀 液 中 加 入 平 均 粒 径 为 １５ ｎｍ 的 ＴｉＯ２ 纳 米颗粒，采用机械搅拌，成功地制备出 ＴｉＯ２／Ｎｉ 纳 米复合涂层。 ３．３ 化学气相沉积法
物）制备纳米晶。 这种方法对设备要求不高、容易操作，其中的水热熟
化过程还可以控制产物的结晶和长大， 因而使半导体氧 化物的颗粒尺寸和分布， 以及薄膜的孔隙率成为可以控 制的因素，并且效果良好。Ｄａｖｉｄ Ｇｒｏｓｓｏ 小组观察到在一 定的水热处理温度下，薄膜出现“自组装”现象，呈现理想 的表面形态［２６］。 这对于获得有利于 ＤＳＳＣ 光电转换的光电 极意义非常重大。 水热合成法的局限性是它必须进行高 温和高压处理，这限制了基底材料的选用。 如目前研究得 比较多的用柔性有机聚合物取代玻璃作基底材料就会受 到高温处理过程的限制。 此外，水热合成法需时较长，整 个过程需要十几个小时，且不能及时获得光电极。 水热合 成法需要耐温、耐压、耐酸腐蚀的反应釜，操作复杂，有机 溶剂的毒性、可燃性有潜在环保和安全问题。 目前大多研 究集中在粉体制备上， 但基本上都停留在实验室几十毫 升至几升的小高压釜水平上，难以产业化。
当电极反应中， 有 Ｈ＋ 参加反应时，ｐＨ 值的大小直接 影响到不同元素的离子能否在阴极上共沉积以及沉积薄 膜中不同元素原子的比例， 而且电解质溶液的酸度也决 定被还原物质的氧化态和还原态的形式，溶液的 ｐＨ 值对 电化学反应和成膜反应都有较大的影响， 通常只有在一 定的 ｐＨ 值范围内，才能形成指定结构的膜材料。 在调整 沉积物的物理特性问题上，ｐＨ 值比其它因素更加重要。 3.2.4 温度
浅析染料敏化纳米晶太阳能电池的结构及工作原理
浅析染料敏化纳米晶太阳能电池的结构及工作原理摘要：人类的生存和社会经济的发展离不开能源，新能源尤其是可以再生的绿色能源的开发与利用是关系一个国家生死存亡的重大问题，太阳能是一种无污染并且取之不尽的能源，每年向地球辐照的能量大约是5.4×1024J，是人类每年消耗总能量的几万倍，如何有效利用太阳能成为解决能源危机和环境污染的焦点。
太阳能电池也随着全世界的研究快速出现，目前使用最多的太阳能电池都是采用二氧化钛作为光阳极，由于氧化锌具有和二氧化钛几乎相同的带隙和相似的导带能级，被认为是最有可能超越二氧化钛取得更高转化效率的光阳极材料。
本文以二氧化钛纳米晶粉体材料为例，详细介绍太阳能电池的结构和工作原理，染料敏化剂对太阳能电池的重要性进行详细分析。
关键词：太阳能电池；二氧化钛；染料敏化纳米晶引言太阳能的变换和存储的重点研究对象之一是太阳能电池。
和普通电池不同的是，太阳能电池是一个把“太阳光的能量转化成电能的机器”。
1991年，瑞士科学家Gratzel等人首次利用纳米技术将染料敏化太阳能电池的转化效率提高到7%。
由于生产过程中没有高真空等高能耗环节，氧化锌和二氧化钛等原材料易得，发电成本比其它电池更低。
不会造成严重的环境污染。
因此，在过去的二十年中，染料敏化纳米晶太阳能电池（即Gratzel电池）在世界范围内得到广泛研究，并取得了一系列的突破，为染料敏化太阳能电池的实用化打下了坚实的基础。
本文就染料敏化太阳能电池的结构及工作原理做一个简要的介绍。
一、太阳能电池的结构染料敏化纳米晶太阳能电池的结构可分为三部分：工作电极、电解质和对电极。
在透明导电基底上制备一层纳米多孔半导体薄膜，然后再将染料分子吸附在多孔膜的表面，这样就构成工作电极，通常称为光阳极。
由于光阳极输出的是电子，从电源的角度看，光阳极其实是电源的负极，对电极才是电源的正极。
对电极一般是镀有一层铂的导电玻璃，当然也可以用碳或其他它金属代替铂，不过电池转化效果最好的还是铂。
染料敏化太阳能电池实验报告(共9篇)
染料敏化太阳能电池实验报告(共9篇) 染料敏化太阳能电池实验天然染料敏化TiO2太阳能电池的制备及光电性能测试姓名：蓝永琛班级：新能源材料与器件学号：20112500041一、实验目的1. 了解染料敏化纳米TiO2太阳能电池的工作原理及性能特点。
2. 掌握合成纳米TiO2溶胶的方法、染料敏化太阳能电池光阳极的制备方法以及电池的组装方法。
3. 掌握评价染料敏化太阳能电池性能的方法。
二、实验原理略三、仪器与试剂一、仪器设备可控强度调光仪、紫外-可见分光光度计、超声波清洗器、恒温水浴槽、多功能万用表、电动搅拌器、马弗炉、红外线灯、研钵、三室电解池、铂片电极、饱和甘汞电极、石英比色皿、导电玻璃、镀铂导电玻璃、锡纸、生料带、三口烧瓶（500mL）、分液漏斗、布氏漏斗、抽虑瓶、容量瓶、烧杯、镊子等。
二、试剂材料钛酸四丁酯、异丙醇、硝酸、无水乙醇、乙二醇、乙腈、碘、碘化钾、TBP、丙酮、石油醚、绿色叶片、红色花瓣、去离子水四、实验步骤一、TiO2溶胶制备目前合成纳米TiO2的方法有多种，如溶胶-凝胶法、水热法、沉淀法、电化学沉积法等。
本实验采用溶胶-凝胶法。
（1）在500mL的三口烧瓶中加入1：100（体积比）的硝酸溶液约100mL，将三口烧瓶置于60-70oC的恒温水浴中恒温。
（2）在无水环境中，将5mL钛酸丁酯加入含有2mL异丙醇的分液漏斗中，将混合液充分震荡后缓慢滴入（约1滴/秒）上述三口烧瓶中的硝酸溶液中，并不断搅拌，直至获得透明的TiO2溶胶。
二、TiO2电极制备取4片ITO导电玻璃经无水乙醇、去离子水冲洗、干燥，分别将其插入溶胶中浸泡提拉数次，直至形成均匀液膜。
取出平置、自然晾干，再红外灯下烘干。
最后在450oC下于马弗炉中煅烧30min 得到锐态矿型TiO2修饰电极。
可用XRD粉末衍射仪测定TiO2晶型结构。
三、染料敏化剂的制备和表征(1) 叶绿素的提取采集新鲜绿色幼叶，洗净晾干，去主脉，称取5g剪碎放入研钵，加入少量石油醚充分研磨，然后转入烧杯，再加入约20mL石油醚，超声提取15min后过滤，弃去滤液。
纳米晶化学太阳能电池的制备与检测——一个关于新能源材料的大学综合实验
等 传 统 材 料 专业 ，所 涉及 到 的 内容较 为 抽 象 ，故 仅 仅 依 靠 学 生 在 课 堂 上 所 能 完 成 的教 学 任 务 很 难 实现 让 学 生对 新 能 源材 料 的 了解 和认 识 。 作 为 理 论 教 学 的 补 充 和 延 伸 ， 开 展 综 合 实 验 ，培 养 学 生 实 践 能 力 的 同 时 ，增 加 他 们 对 新 能 源材 料 的初 步认 识 显得 尤 为 重要 。 该 实验 选 题 较 为 新 颖 ，学 生 参 与 积 极 性 高 ，帮 助 学
展 综 合 实 验 ，培 养 学 生 实 践 能 力 的 同 时 ，增 加 他 们 对 新 能 源 材 料 的初 步 认 识 显得 尤 为 重 要 。 在 太 阳 能 电 池 中 ，虽 然 硅 基 太 阳 能 光 伏 电池 具 有 原
１ ２
—
时间 （ ） 天
内容
料 丰 富 、无 毒 以及 与转 换 效 率 高 等优 点 ，但 由 于其 工 艺
复 杂 、价 格 昂贵 ，且 无 论 是 在 单 晶 、 多 晶 还 是 非 晶 硅 电
介 绍 常 见 光 电 材 料 种 类 、制 备 技 术 及 表 征 手 段 ，参 观 光 电 性 能 实 验 室 ，结 合 表 征 设 备 讲 解 表征太阳能电池参数 ； 查 阅 相 关 资 料 ，初 步 制 定 实 验 方 案 ，具 体 内容 分配到个人
Ｉｃ（ ｓ ｍＡ）
Ｏ． ５ １ Ｏ． ５ ３
以硫 酸 钛 和 尿 素 为 原 料 ，制 备 ＴＯ 溶 胶 ，在 制 得 ｉ，
的 ＴＯ ｉ 溶 胶 中 ，加 入 一 定 量 的 纳 米 Ｔ Ｏ ｉ 粉 （ 米 ＴＯ 纳 ｉ
３
１Ｏ ３
染料敏化纳米晶TiO2太阳能电池的组装和光电性质测试
染料敏化纳米晶TiO2太阳能电池的组装和光电性质测试2）把握组装电池的基本技能。
3）把握光电流一电压和单色光转换效率仪器的用法技能。
4）了解电流产生的原理。
2．试验原理染料敏化纳米晶TiO2太阳能电池的原理图2-5-1所示。
1)基态的染料光敏剂（D）受光激发，由基态跃迁到激发态（D*）： D0（TiO2）——→D*（TiO2）（1） 2)激发态染料分子将电子注入半导体氧化物（TiO2)的导带中： D*（TiO2）——→D+（TiO2）＋e-（2) 3)氧化态的染料（D+）被电解质溶液中的电子给体I-还原，使基态的染料再生： D+（TiO2)+3/2I——→D（TiO2)＋1/2 I3-(3) 4）注入半导体导带中的电子，在TiO2纳米晶网络中传输到导电玻璃的后接触面，经外电路运送到对电极，在对电极上，I-可以由I3-还原再生，完成囫囵电路循环：I3-+2e-——→3I-（4) 在入射光的照耀下，染料分子从基态跃迁到激发态1)；光生电子可以从激发态的染料分子注入半导体的导带中2)，激发态的寿命越长越利于电子的注入，反之，激发态的寿命越短，激发态的分子有可能来不及将电子注入半导体的导带中，就会通过非辐射衰减而跃迁到基态；溶液中的I-可以还原氧化态的染料从而使染料再生，这样就可以使电子不断地注入半导体的导带中3)；反应3)生成的I3-离子蔓延到对电极上得到电子，使I-再生，这样就完成了电流的循环过程。
3．仪器和药品 (1）仪器三口烧瓶；烘箱；水热釜；马弗炉；磁力搅拌器；旋转蒸发仪；DSC热封仪；电热板；超音波焊接机；丝网印刷机（手动）；小型台钻（打孔机）；J-V测试仪器；IPCE测试仪器、Keithley2400多功能电源电表等。
(2）药品；；高碘酸锂；四丁基吡啶；；偏氟乙烯-全氟丙烯共聚物；1--丙基咪唑碘；；钛酸四正丁酯；；浆料；导电玻璃(FTO);N719染料；surly胶；；。
4．试验步骤 (1)TiO2膜电极的制备纳米晶多孔TiO2膜采纳典型的“刮涂法”制备，有以下两种制备办法。
染料敏化纳米晶太阳能电池的结构和工作原理
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色素敏化太阳能电池的研究进展
色素敏化太阳能电池的研究进展随着全球气候变暖问题的不断加剧，对于清洁能源的需求也越来越迫切。
而色素敏化太阳能电池作为目前较为成熟的可再生能源技术之一，受到了越来越多的关注。
本文将重点介绍色素敏化太阳能电池的原理及相关研究进展。
一、色素敏化太阳能电池的原理色素敏化太阳能电池与常规的硅太阳能电池相比，其工作原理有所不同。
常规的硅太阳能电池通过硅的p-n结将光能转换为电能，而色素敏化太阳能电池则是利用自然界中的花青素等天然色素吸收阳光中的光子，使得电子从色素分子中跃迁至半导体纳米晶体表面，从而产生电流。
色素敏化太阳能电池的结构与原理二、色素敏化太阳能电池的研究进展作为一项有前途的清洁能源技术，色素敏化太阳能电池的研究已经取得了不少成果。
以下将从材料、器件结构、效率三个方面介绍其相关研究进展。
1.材料色素是色素敏化太阳能电池中的重要组成部分，而好的色素需要具备吸收太阳能光谱范围宽、易于合成、稳定性强等特性。
近年来，研究人员通过设计合成新型花青素类色素、有机-无机杂化材料等，成功提高了色素敏化太阳能电池的效率。
2.器件结构器件结构对于电池的效率也具有重要影响。
随着器件结构的不断优化，色素敏化太阳能电池的效率也在逐步提高。
一些新型的器件结构如透明电极、反向式结构等，都取得了不错的效果。
3.效率效率是评价电池性能的重要指标之一，也是研究人员重点关注的部分。
目前，色素敏化太阳能电池的效率已经超过了10%，并且正在逐步提高。
研究人员通过优化色素、器件结构、透明电极等方面，推动着这项技术的进一步发展。
三、展望尽管色素敏化太阳能电池存在诸多优点，但是其仍然面临着一些挑战。
例如，色素稳定性、长期稳定性等问题仍然需要得到解决。
此外，其效率仍然远远低于硅太阳能电池，需要更多的研究投入。
总的来说，随着清洁能源需求的增加，色素敏化太阳能电池技术也将得到更多的关注和发展。
相信通过不断的研究，其效率和稳定性将得到进一步提高，最终成为一种成熟的清洁能源技术。
最新的色素敏化太阳能电池研究进展
最新的色素敏化太阳能电池研究进展随着现代工业的飞速发展，对电能的需要越来越大，然而传统的化石燃料已经难以满足人们日益增长的用能需求。
因此，发展可再生能源便成为当今世界的重要任务之一。
在各种可再生能源之中，太阳能因其广泛的分布、清洁的发电过程以及技术上的成熟而受到了广泛关注。
然而，早期的太阳能电池成本高，效率低，应用范围有限，限制了其的普及。
近年来，色素敏化太阳能电池（DSSC）成为了几乎所有太阳能电池技术中研究热点之一，主要是因其成本低和制备工艺简单。
一、什么是色素敏化太阳能电池？色素敏化太阳能电池是一种基于光电效应将太阳能转化为电能的太阳能电池。
与传统的硅太阳能电池相比，色素敏化太阳能电池的工作原理有所不同。
它利用染料分子（也称为色素分子）吸收阳光中的光子，以此吸引光电子并将其从半导体中抽出，然后通过电路进入一个负载，如电动汽车或手机电池等，从而导致电流的流动。
与硅太阳能电池相比，色素敏化太阳能电池可以在低光照强度条件下工作，而且响应光谱较广。
此外，由于其制备工艺简单，成本相对较低。
因此，色素敏化太阳能电池被认为是未来太阳能电池的重要候选者之一。
二、最新的色素敏化太阳能电池研究进展1. 原料改良近年来，科学家们对色素分子进行了大量研究，并发现了一些新的原料，能够提高太阳能电池的效率。
例如，最近有一项研究发现，使用全新的金属分子合成的红色溶剂可以帮助提高电池的光电转换效率。
该研究显示，使用该分子制造的 DSSC 比传统的DSSC 电池效率提高了约 10%。
2. 半导体的精细化控制制造 DSSC 最关键的是半导体的控制，基于纳米结构的光电子器件是制造高效能够用于实际应用的太阳能电池的一个重要途径。
近期研究表明，通过对半导体的精细化控制，可以使 DSSC 达到其最高的光电转换效率。
如使用纳米线技术和二维材料可以使DSSC 达到高达 15% 的转换效率。
3. 研究人员加速了电池的制造过程虽然 DSSC 的制造工艺相对简单，但是其制造过程费时费力。
染料敏化纳米晶太阳能电池的研究进展
染料敏化纳米晶太阳能电池的研究进展黄春雷【摘要】染料敏化太阳能电池是近些年发展起来的新型、高效、低成本的光电池.而起到负载敏化剂以及收集、传输电子作用的光阳极是关系到该电池性能的重要组成部分,且敏化的效果是整个光电池光电转换效率的关键.从染料敏化纳米晶太阳能电池(DSSDs)的结构和工作原理出发,详细阐述了光阳极敏化、敏化剂选择及分类和敏化方法,并对光阳极及其敏化的可能发展趋势做了简要叙述.【期刊名称】《广州化工》【年(卷),期】2010(038)010【总页数】3页(P23-25)【关键词】染料敏化太阳能电池;光阳极;敏化方法;敏化剂【作者】黄春雷【作者单位】辽宁石油化工大学,辽宁,抚顺,113001【正文语种】中文【中图分类】TM91随着煤、石油、天然气等矿物能源的日益枯竭,人们迫切需要寻找其它的可替代能源。
太阳能具有取之不尽、用之不竭,安全可靠,无污染,不受地理环境制约等优点,愈来愈受到广泛地重视。
多年来,科学家们一直在寻找有效的太阳能转换装置,其中之一就是研制太阳能电池[1]。
近年来随着纳米材料科学的迅速发展,人们发现纳米 TiO2不仅在光辅助催化降解方面具有优越性能,而且在光电转换方面也有显著成效。
自从 1991年瑞士Gr?tzel[2]小组研制出用羧酸联吡啶钌(II)染料敏化的 TiO2纳米晶多孔膜作为光电阳极的化学太阳能光电池,称为染料敏化纳米晶太阳能电池 (Dye-Sensitized Nanocrystalline Photovoltaic Solar Cells,DSSCs),其光电转换效率由原来的不到1%提高到了 7.1%～7.9%,开创了太阳能电池研究和发展的全新领域。
随后Gr?tzel等[3-5]采用纳米多孔 TiO2薄膜替代传统的平板电极,以钌(Ru)的多吡啶配合物作敏化剂,用 I-3/I-氧化还原电对的电解质体系,开发了光电能量转换效率达10%～11%的DSSCs。
染料共敏化纳米晶太阳能电池的性能研究
离子体物理研究所，２００１ ［４］于凌宇，冯玉萍．国际纳米太阳能电源研制技术新动向［Ｊ］． 今日电子，２０００（８）：２０～２５
Ｗ／ｍ２。由光电转换效率公式７一手｛｝×１００％
１
［５］苏树兵，宋世庚，郑应智，等．ＮＰＣ电池染料敏化剂的研究进 展［Ｊ］．电子元件与材料，２００２，２１（２）：２６～３０ ［６］孙 宝，郝彦忠，李伟，等．纳米太阳能电池研究进展口］．河
Ｍｎｍ
２．４．１开路电压和短路电流
图２罗丹明吸收光谱图
Ｆｉｇ．２ Ａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ
ｓｐｅｃｔｒａ
ｏｆ ｄｙｅ
Ｒｈｏｄａｍｉｎｅ Ｂ
用万用电表测试已制得的不同染料敏化电池 的开路电压和短路电流。其结果见表１。
表１不同染料敏化电池的开路电压与短路电流
Ｔａｂ．１ Ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ ｏｆ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｄｙｅ ｏｆ ＮＰＣ ｃｅｌｌｓ
Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｍｕｔｕａｌ ｓｅｎｓｉｔｉｚａｔｉｏｎ；ｐｕｒｅ ｏｒｇａｎｉｃ ｄｙｅ；ｌｉｇｈｔ～ｔｏ—ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｅｎｅｒｇｙ ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ
而具有许多特殊的不同于块体材料的性质，形成的
引
言
染料敏化纳米晶光电化学太阳能电池（Ｄｙｅ—
膜具有非常大的比表面积。由于其禁带宽度较宽， 不利于直接吸收太阳光，但在表面上可以吸附大量 禁带宽度较窄的染料分子，因而可以有效地吸收太 阳光。 染料性能的优劣将直接影响ＮＰＣ电池的光电
［２］王君，郑玉琦，辛艳凤，等．纳米晶化学太阳能电池的研究 进展［Ｊ］．应用科技，２００１，２８（８）：３３～３８ ［３］ 王瑞斌．纳米二氧化钛性能的研究及在染料敏化纳米薄膜电 池中的应用的研究［Ｄ］。硕士学位论文，合肥：中国科学院等
Байду номын сангаас
染料敏化纳米晶体太阳能电池精品文档
卟啉系列和酞菁系列
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Ref: (1)A.Kay, M.Gratzel, et al.,J.Phys.Chem.1993,97,6272 (2) M.M. Ressler and R.K. Panday, Chemtech,2019,3.39
纯有机染料系列（一）
影响电池光电转化效率的因素
采光效率
有机光敏染料的光吸收性能
电子的注入
有机光敏材料与纳米微晶半导体材料的能级的匹配
收集效率
电子在薄膜中的扩散性能
研究进展
敏化剂 纳米半导体材料 电解质 其他方面……
敏化剂
吸收尽可能多的太阳光； 紧密吸附在纳米晶网络电极表面；（－COOH,-SO3H,－PO3H2等） 与相应的纳米晶的能带相匹配； 激发态寿命足够长； 具有长期的稳定性……
Seminar I
染料敏化纳米晶体太阳能电池
学 生： 李焕巧 指导教师：辛 勤研究员
孙公权研究员
DMFC-305
2019.04.12
主要内容
研究背景 工作原理 研究进展
研究背景
传统化石能源
能源枯竭 石油：42年，天然气：67年，煤：200年 。
环境污染 每年排放的二氧化碳达210万吨，并呈上升趋势，造成
Wavelength [nm]
Ref: Hagfeldt A. and Grätzel M., Acc. Chem. Res.,2000,33,269-277
N3 和Black Dye性能比较
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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.
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]
[ 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
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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.
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% .
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
[ 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 .
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湖
北工业大源自学学报2008 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. 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.
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
[ 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
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 .