染料敏化太阳能电池关键材料的制备与表征
染料敏化太阳能电池
染料敏化太阳能电池物理科学与技术学院化学物理学交叉培养班张玲玲 2011213434 摘要染料敏化太阳电池主要是模仿光合作用原理，研制出来的一种新型太阳电池，其主要优势是原材料丰富、成本低、工艺技术相对简单，在大面积工业化生产中具有较大的优势，同时所有原材料和生产工艺都是无毒、无污染的，部分材料可以得到充分的回收，对保护人类环境具有重要的意义。
本文主要从染料敏化太阳能电池的原理和电解质来进行介绍。
关键词染料敏化太阳能电池原理制备一、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1染料敏化太阳能电池的基本结构二、染料敏化太阳能电池的工作原理当太阳光照射在染料敏化太阳能电池上，染料分子中基态电子被激发，激发态染料分子将电子注入到纳米多孔半导体的导带中，注入到导带中的电子迅速富集到导电玻璃面上，传向外电路，并最终回到对电极上。
而由于染料的氧化还原电位高于氧化还原电解质电对的电位，这时处于氧化态的染料分子随即被还原态的电解质还原。
然后氧化态的电解质扩散到对电极上得到电子再生，如此循环，即产生电流。
电池的最大电压由氧化物半导体的费米能级和氧化还原电解质电对的电位决定。
图2 染料敏化太阳能电池的工作原理示意图2.1纳米晶多孔薄膜作为太阳能电池半导体材料，首要条件为光照下性能稳定。
考虑到只有禁带宽度Eg ﹥ 3eV 的宽带隙半导体才满足这一条件，因此可以用作DSC 半导体材料的禁带宽度必须大于3eV 。
TiO2禁带宽度为3. 2eV ，是性能最优、使用最广泛的DSC 半导体电极材料。
有机钙钛矿CH3NH3PbI3晶体的合成及表征观察1
有机钙钛矿CH3NH3PbI3晶体的合成及表征观察1Synthesis and characterization of organic - inorganic perovskiteCH3NH3PbI3 crystalAbstractSince 2012, CH3NH3PbX3 perovskite as new photosensitive material for dye sensitized solar cells has become new research direction in the field of the solar cell materials in the world. Synthesis and characterization of CH3NH3PbI3 are studied in this paper.First of all, methyl amine and hydriodic acid solution were mixed and stirred at 0 ℃for 2h. CH3NH3I was obtained after drying the mixed solution. Then, the CH3NH3I and PbI2 were put in butyl lactone solution to form a yellow transparent solution, which was heated at 100 ℃for 15 minutes to get the desired perovskite CH3NH3PbI3. The thermogravimetric and heat change of yellow transparent solution were done by TG-DSC. The CH3NH3PbI3 crystal structure and surface morphology were characterized by X- ray diffraction (XRD) and scanning electron microscopy (SEM). The results show that: perovskite CH3NH3PbI3 formed at temperatures less than 167 ℃and decomposed after the temperature over 167 ℃. PerovskiteCH3NH3PbI3 shows black color and the crystalline structure ofCH3NH3PbI3 at room temperature is tetragonal with unit cell parameters a=b=8.872A, c=12.637A. The perovskite CH3NH3PbI3 film has high density. Stability of perovskite CH3NH3PbI3 is poor. Black CH3NH3PbI3 in the air for a long time becomes into yellow. Instability of perovskite CH3NH3PbI3 is discussed, based on the thermodynamics关键词：P erovskite、CH3NH3PbI3、Crystalline structure、CH3NH3I目录第一章绪论 (1)§1.1钙钛矿的晶体结构 (1)§1.1.1原始钙钛矿 (1)§1.1.2有机／无机杂化晶体 (1)§1.1.3 有机／无机杂化CH3NH3PbI3的晶体结构 (2)§1.2 究背景及意义 (2)§1.2.1 CH3NH3PbX3钙钛矿电池 (2)§1.2.2 CH3NH3PbI3钙钛矿晶体 (4)§1.3 CH3NH3PbI3钙钛矿的合成 (4)§1.3.1 (4)§1.3.2 CH3NH3PbI3钙钛矿薄膜的合成方法 (5)§1.4实验的主要研究内容与目的 (5)第二章实验过程 (6)§2.1实验材料与设备 (6)§2.1.1实验材料及试剂 (6)§2.1.2实验设备 (6)§2.2 实验方法和流程 (7)§2.2.1试样准备 (8)§2.2.2 甲胺醇与氢碘酸的反应制备MAI (8)§2.2.3 MAI与碘化铅的反应制备CH3NH3PbI3 (8)§2.2.4 XRD试样制备 (8)§2.2.5 SEM试样的制备 (9)§2.2.6 TG-DSC试样的观察 (9)第三章实验结果和数据分析 (10)§3.1 TG-DSC曲线分析 (10)§3.2 XRD结果 (11)§3.3 SEM结果分析 (14)§3.4 MAPbI3稳定性观察 (15)第四章分析与讨论 (17)§4.1 MAPbI3稳定性分析 (17)§4.2 有效利用MAPbI3的几种建议 (18)结论 (19)致谢 (20)参考文献 (21)第一章绪论§1.1钙钛矿的晶体结构§1.1.1原始钙钛矿钙钛矿指CaTiO，化学式为CaTiO3、属立方晶系的氧化物。
教你制作染料敏化太阳电池
第二步：利用天然染料把二氧化钛膜着色
在新鲜的或冰冻的黑莓、山莓和石榴籽上滴 3—4滴水,再进行挤压、过滤,即可得到我们所需 要的初始染料溶液；也可以把TiO2 膜直接放在已 滴过水并挤压过的浆果上,或在室温下把TiO2膜浸 泡在红茶<木槿属植物> 溶液中.有些水果和叶子 也可以用于着色.如果着色后的电极不立即用,必 须把它存放在丙酮和脱植基的叶绿素混合溶液中.
二 氧 化 钛 薄 膜 着 色
第三步：制作反电极
电池既需要光阳极,又要一个对电极才能工作.对电极 又叫反电极. 取与正电极相同大小的导电玻璃,利用万用表 判断玻璃的导电面〔利用手指也可以作出判断,导电面较 为粗糙〕.把非导电面标上‘+’,然后石墨棒或软铅笔在整 个反电极的导电面上涂上一层碳膜.这层碳膜主要对I-和 I3-起催化剂的作用.整个面无需掩盖和贴胶带.因而整个面 都可以涂上一层催化剂.可以通过把碳膜在450℃下烧结几 分钟来延长电极的使用寿命.电极必须用乙醇清洗,并烘干. 也可以利用化学方法沉积一层通明的、致密的铂层来代替 碳层作为反电极.
反 电 极 制备
第四步：组装电池
小心地把着色后的电极从溶液中取出,并用水 清洗.烘干之前再用乙醇或异丙醇清洗一下,以确保 将着色后的多孔TiO2膜中的水份除去.把烘干后的 电极的着色膜面朝上放在桌上,再把涂有催化剂的 反电极放在上面,把两片玻璃稍微错开,以便于利用 未涂有TiO2的电极部分和反电极作为电池的测试用.
电 池 的 封 装
第五步：注入电解质
用两个夹子把电池夹住,再滴入两滴含碘和 碘离子的电解质溶液,由于毛细管原理,电解质 很快在两个电极间均匀扩散.
电 解 质 的 注 入
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染料敏化薄膜太阳能电池的研究进展
116科技资讯 SC I EN C E & TE C HN O LO G Y I NF O R MA T IO N动力与电气工程随着人类经济社会的不断发展,对能源的需求也不断增多,在过去的工业革命时代以来,尤其是21世纪以来,全球对能源的消耗每年都不断增多,所带来的环境污染问题也不断严重,大气污染、水污染、核污染等时刻都在提醒着人们需要去寻找新的能源利用点。
太阳能作为一种取之不尽的能源,在利用率转化方面效率非常高,而且使用成本低,不会产生任何的污染,在所有的地区几乎都可以得到广泛应用。
将太阳能转化为电能是一种典型的湿化学学科,目前研究不断深入的梁料敏化薄膜为光阳极的太阳能电池,因为其光电转换效率高得到了广泛的关注。
电解质结合薄膜制成固态电池,单色光电转换率达到33%。
本文通过对染料敏化薄膜太阳能电池的原理与构造进行介绍,并对目前的研究进展与成果进行分析,对未来的研究趋势进行一定的预测。
1 染料敏化薄膜太阳能电池的工作基理与构造染料敏化薄膜太阳能电池与以往的晶体硅太阳能电池相比,在很多个方面都存在着巨大的优势,首先它的成本更低,在环保、制作工艺方面更有优势,高光电转换效率更高。
染料敏化薄膜太阳能电池的组成十分简单,只是通过几种部分组合而成。
主要有导电玻璃、半导体氧化薄膜、电解质、敏化材料等组成。
与植物的光合作用相似,光子对于光合膜作用的结果是在合膜内外制造一个电场,制造一种光与电相互变化的环境。
电子通过光合膜内向外进行传送,光子不断作用,形成了内外电流。
首先在结构中有半导体氧化薄膜,当光照在上面时,光照下的染料分子内部的电子将会受到刺激,开始进入到激发状态,变为氧化态,当不稳定的电子快速地进入到相邻导带上时,就可以瞬间在导电玻璃上进行聚集,不断向外电路来输送电路。
对于失去电子的染料,将会从电解质中不断得到补偿,这时电解质内部的氧化-还原把空穴送到对电极,与电子完成一次完整地循环。
电流损失的主要过程是激活态的电子导入半导体氧化薄膜导带。
染料敏化太阳能电池关键材料的制备与表征
实验一染料敏化太阳能电池关键材料的制备与表征在众多新能源中，太阳能因具有清洁、环保、无污染、取之不尽、用之不竭等诸多优点，被认为是未来最有希望的新能源之一。
太阳能电池是通过光电效应或光化学效应直接把光能转化成电能的装置。
太阳能电池产业，已成为世界主要国家抢占新一轮经济和科技发展制高点的重大战略之一。
在众多太阳能电池中，硅基太阳能电池技术最为成熟，但制作工艺复杂、价格昂贵、设备要求较高而不适合开展大学生实验。
纳米二氧化钛（TiO2）晶体太阳能电池是最近发展起来的一种新型太阳能电池，其优点在于其低廉的成本、简单的工艺以及相对稳定的性能。
其光电效率稳定在10%以上，而制作成本仅为硅太阳能电池的1/5～1/10，寿命却能达到20年以上。
但是TiO2的禁带宽度为3.2eV，只能吸收波长小于375nm的紫外光。
为了使其吸收红移至可见光区，增大对全光谱范围的响应，1991年，瑞士洛桑高等工业学院（EPFL）的Gratzel研究小组开发了染料敏化太阳能电池（Dye图1 Gratzel研究小组开发的DSSC Sensitized Solar Cell，简称DSSC），它由吸附了染料光敏化剂（过渡金属钌的有机化合物）的纳米TiO2多孔薄膜制成，其光电转换效率可达7.1%。
1993年，他将光电转换效率提高到了10%，1998年，该研究组进一步研制出全固态DSSC，使用固体有机空穴传输代替液体电解质，单色光光电转化效率达到33%，引起了全世界的科学家对DSSC的关注。
近年来，染料敏化太阳能电池的研究主要集中在阳极材料的改性、染料的改进、电解质的研究、以及阴极对DSSC的影响等方面。
“染料敏化太阳能电池的制备、组装及测试”实验涵盖材料制备实验（水热反应制备TiO2纳米颗粒、热解法制备Pt催化剂、丝网印刷技术制备光阳极薄膜、玻璃工操作、材料热处理等）、仪器分析实验（台阶仪测量薄膜厚度、X射线衍射仪表征材料的结构与成分、扫描电子显微镜观测形貌、紫外-可见吸收光谱测试光谱吸收效果）等多种实验方法。
染料敏化太阳能电池原理
染料敏化太阳能电池原理染料敏化太阳能电池原理近年来，随着能源危机的加剧以及环境问题的日益凸显，人们对可再生能源的需求逐渐上升。
在各种可再生能源技术中，太阳能电池因其可用性广泛且环保的特点备受关注。
然而，传统的硅太阳能电池存在高成本、制造复杂等问题。
染料敏化太阳能电池作为太阳能电池的一种新型形式，凭借其材料简单、制造成本低廉、能量转换效率高等优势，成为了备受研究关注的领域。
染料敏化太阳能电池原理是基于半导体材料、染料分子和电解质溶液相互协作的。
它采用了一种光敏染料来吸收太阳光的能量，并将其转换成电能。
整个染料敏化太阳能电池可以分为三个主要部分：敏化层、电解质层和光电转换层。
1. 敏化层：染料敏化太阳能电池的核心是敏化剂，它承担着吸收光能并将其转换成电子的重要任务。
敏化剂通常是一种有机染料分子，它能够吸收不同波长范围内的阳光。
一旦光束通过透明导电电极进入敏化层，染料分子吸收光能并将其转化为电子激发态。
这些激发态的电子将被输运到电解质层。
2. 电解质层：电解质层在染料敏化太阳能电池中起着电子输运和离子传输的关键作用。
它一般由一种电子导电和离子传输的材料组成，常见的是有机盐或其它电解质。
当电子通过敏化剂激发并进入电解质层时，电解质中的离子会移动以供给电子输运路径。
这个过程形成了一个电化学势差，使电子从敏化剂转移到电解质，从而形成了一个电流。
3. 光电转换层：光电转换层一般由电子导电材料和电子传输路径组成。
常用的电子导电材料有纳米金属氧化物，如二氧化钛。
光电转换层的主要作用是接收电解质层中输送过来的电子，并将其输送到下一个电子传输路径。
在这个过程中，光电转换层会起到催化剂的作用，促进电流的传输和提高电池的效率。
总结起来，染料敏化太阳能电池的原理是基于染料分子对光能的吸收和电子转移。
光能经过敏化剂吸收并激发电子，然后电子在电解质层中移动并离子进行传输，最终通过光电转换层形成电流。
这个过程充分利用了染料分子的吸光特性和电解质的电化学特性，实现了太阳能的高效转换。
染料敏化太阳能电池(DSSC)光阳极层TiO2浆料的制备
5
Confidential
2.2..3 设备 Ø 磁力搅拌机 Ø 超声波 Ø 旋蒸仪 Ø 研磨机：EXAKT 三辊机（缺）
3
Confidential Ø 胶体用三辊研磨机匀化 15 分钟，得到 TiO2 胶状物。待用。 Ø 分 别 用 乙 醇 溶 解 两 种 乙 基 纤 维 素 粉 末 EC1(5-15mPas, #46070, fluka) 和 EC2(30-50mPas, #46080, fluka)并配成 10wt%的乙醇溶液。 Ø 45 克 EC1 和 35 克的 EC2 的乙醇混合液加入到含有 16 克上述制备的 TiO2 胶状物和 64.9 克的无水松油醇（#86480, fluka)，并且用 80 毫升的乙醇稀释得 到 280 毫升的总体积。 Ø 超声，搅拌，再超声。乙醇和水用旋蒸在 40 度下去除，最后胶体用研磨机 研磨，得到的纳米晶层 TiO2 浆料为 18wt%TiO2，9wt%EC 和 73%wt%的松油 醇。 Ø 纳米晶层 10nmTiO2 浆料的制备，具体方法类似 3.1，不同的是在 3.1 中的 胶化温度和时间。（缺）
2.2.4 制备方法 按照本制备方法的投料比，一次实验可制备出 20-30 克的纳米晶层 TiO2 浆
料。具体方法如下： Ø 取 6 克的 TiO2 粉末和 1ml 的乙酸混合，研磨 5 分钟； Ø 慢慢 1 毫升的水，研磨 1 分钟，重复 5 次； Ø 慢慢加入 1 毫升乙醇，研磨 1 分钟，重复 15 次； Ø 慢慢加入 2.5 毫升的乙醇，研磨 1 分钟，重复 6 次； Ø 慢用 100 毫升的乙醇，转移 TiO2 浆料到一个烧杯； Ø 用搅拌子搅拌（300rpm）1 分钟，间歇超声 2 分钟，然后再搅拌（300rpm）
染料敏化太阳能电池原理
染料敏化太阳能电池原理1.光吸收：染料敏化太阳能电池利用染料吸收光线，将光子能量转化为电子激发。
染料通常由具有较高光吸收率的有机分子组成，可以吸收一定波长范围内的光线。
2.电荷分离：吸收光线后，染料分子激发产生电子-空穴对。
电子被激发到染料分子的共轭π电子体系中，形成激发态染料阴离子；空穴则留在染料分子上。
激发态染料阴离子具有较长的寿命，可以脱离染料，游离到电解质中。
3.电流输出：电子从染料分子的共轭π电子体系中传输到电解质溶液中的I3-离子上，生成I-离子。
在电解质中增加了I-离子的浓度，促进了电荷传输。
电子从I-离子上传输到导电玻璃（如氧化锡涂层的导电玻璃）上，形成电流。
这个过程是由电解质中的氧化还原反应实现的。
染料敏化太阳能电池的整体结构包括透明导电玻璃、电解质、染料敏化薄膜和反电极。
透明导电玻璃通常是氧化锡涂层的导电玻璃，用于收集电池输出的电流。
电解质提供了离子的传输路径，并进行电子传输和电荷均衡。
染料敏化薄膜涂覆在电解质上，用于吸收光线并产生电子激发。
反电极位于染料敏化薄膜的另一侧，通过电解质与导电玻璃相连接，形成电池的闭路。
整个过程涉及到光吸收、光电转换、电荷分离、电荷传输和电流输出等多个物理和化学过程。
染料敏化太阳能电池的优势是可以利用广谱的光线，包括可见光和红外光，以及光的反射和散射，提高光的利用率。
此外，染料敏化太阳能电池可以通过调整染料的吸收谱来适应不同光照条件，具有较高的光电转换效率。
总结起来，染料敏化太阳能电池依靠染料吸收光线，并利用电解质和导电玻璃之间的氧化还原反应，将光能转化为电能。
它具有许多优点，可以成为太阳能电池技术的发展方向之一。
染料敏化太阳能电池
华南师范大学实验报告学生姓名:蓝中舜学号：20120010027专业：新能源材料与器件勷勤创新班年级、班级：12新能源课程名称：化学电源实验实验项目：染料敏化太阳能电池实验类型：验证设计综合实验时间：2014年6月5日-9日实验指导老师：孙艳辉组员：吕俊郭金海余启鹏一、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DSSC 结构：染料敏化太阳能电池的结构是一种“三明治”结构, 如图1 所示，主要由以下几个部分组成: 导电玻璃、染料光敏化剂、多孔结构的TiO2半导体纳米晶薄膜、电解质和铂电极。
其中吸附了染料的半导体纳米晶薄膜称为光阳极，铂电极叫做对电极或光阴极。
DSSC 电池的工作原理：电池中的TiO2禁带宽度为3.2 eV，只能吸收紫外区域的太阳光，可见光不能将它激发，于是在TiO2膜表面覆盖一层染料光敏剂来吸收更宽的可见光，当太阳光照射在染料上，染料分子中的电子受激发跃迁至激发态，由于激发态不稳定，并且染料与TiO2薄膜接触，电子于是注入到TiO2导带中，此时染料分子自身变为氧化态。
注入到TiO2导带中的电子进入导带底，最终通过外电路流向对电极，形成光电流。
处于氧化态的染料分子在阳极被电解质溶液中的I- 还原为基态，电解质中的I3-被从阴极进入的电子还原成I-，这样就完成一个光电化学反应循环。
但是反应过程中，若电解质溶液中的I-在光阳极上被TiO2导带中的电子还原，则外电路中的电子将减少，这就是类似硅电池中的“暗电流”。
整个反应过程可用如下表示:其中，反应(5)的反应速率越小，电子复合的机会越小，电子注入的效率就越高；反应(6)是造成电流损失的主要原因。
光阳极目前，DSSC 常用的光阳极是纳米TiO2。
TiO2是一种价格便宜，应用广泛，无污染，稳定且抗腐蚀性能良好的半导体材料。
染料敏化太阳能电池的制备及结构优化
染料敏化太阳能电池的制备及结构优化染料敏化太阳能电池，听起来是不是有点儿高大上？别担心，我给你说说这玩意儿是怎么回事，轻松又有趣。
太阳能电池嘛，不用多解释吧，大家都知道就是用太阳光转化成电能的神器。
而染料敏化太阳能电池就更神奇了，它跟普通的太阳能电池不太一样。
它借助了“染料”这种东西来提升效率，说白了，它的工作原理就是让太阳光通过一种特殊的染料，刺激电池中的电子产生电流，从而转化成电能。
你是不是觉得挺有趣的？就像是给太阳能电池打了个“兴奋剂”，让它工作更高效了。
不过，要想让这类太阳能电池发挥最大效能，可不是那么简单的事儿。
这里面有很多细节，得一层一层去优化和调整。
咱们今天就来聊聊染料敏化太阳能电池的制备过程，顺便看看有哪些地方可以优化。
首先要说的是染料的选择，嗯，这个事儿就像是选食材一样，选对了，效果立竿见影，选错了，结果可能就不太好。
我们通常会选择一些有机染料，它们能够吸收太阳光中的紫外线和可见光，然后通过电池的内部结构传递到电极上去。
不过，选错了染料就可能导致吸光效率低，甚至没啥效果。
想象一下，如果你用了个染料，它根本就不吸光，那电池的表现还能好吗？接下来说说电池的结构设计。
说到这里，你可以想象一下，染料敏化太阳能电池就像一个有很多零部件的机器，每个部件都很重要。
如果哪个环节做不好，整台机器就有可能跑不动。
所以，电池的电极材料、孔隙结构，还有电解质等，都得好好设计。
你想啊，如果电极设计得不够好，电流就可能传递不顺畅，电池的效率就低了。
电池内部的孔隙结构也得安排得巧妙，不然光线进不去，染料就没法发挥作用了。
说白了，就是每个小细节都得精心雕琢，不能马虎。
而你可能觉得这些技术性的东西挺难懂的，其实呢，说白了，就是要找到一种既能有效吸收太阳光，又能让电流顺畅流动的设计。
就好像做饭一样，火候掌握得好，菜做出来就香；如果火候不对，可能就糊锅了。
那电池也是，结构不对，效果就打折扣。
除了这些，还得考虑到染料的稳定性。
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。
染料敏化纳米太阳能电池学习资料PPT
电池 封装
测试过程 中保持电 池的稳定
性
1）单色光转化效率 单色光光电转换效率定义（ IPCE ）为入射单色光子 -电子转化效率，即为外电路中产生的电子数（Ne） 与总的入射单色光子数（Np）之比。其数学表达式 为：
IPCE=Ne/Np= (1.241×10-6×Isc）/PInλ ）
其中 Isc为电池短路电流，λ 为入射单色光的波长， Pin为入射单色光的功率。
染料敏化太阳能电池的测试方法
a)可变电阻法：在RL的位置加一可变电阻，然后对该电阻的 电压及流经电流进行记录，可得到电池 I-V 曲线，
缺点：由于外部导线电阻和电流表本身串联电阻的存在，电
路不能完全短路；同样由于电压表本身内阻的因素，电路也不 能完全断路，表现在 I-V 曲线上就是曲线两端只能接近坐标轴， 而无法与坐标轴相交。
染料敏化太阳能电池等效电路图
染料敏化太阳能电池的等效电路如上图，可以看出光电 流的产生在恒定的光强下可以个恒电流源，与之并联的 有一个处于正向偏压下的二极管和一个并联电阻 Rsh， 剩余的电流流经串联电阻 Rs，进入外电路。两个电阻分 别表示在太阳能电池中两种类型的损耗，串联电阻 Rs表 示由于界面接触及外电路产生的电阻，并联电阻 Rsh用 来表示暗电流的作用。
TEM ：用来观察 TiO2纳米晶显微形貌结构 XRD：分析样品的结晶类型 DSC-TGA：分析试样相转变、有机物挥发
和反应等
BET：比表面积和孔径分布。 UV-Vis：紫外可见吸收光谱
将适当的染料吸附到宽带隙的半导体表面上，借助于染料
对可见光的强吸收，可以将半导体的光谱响应拓宽到可见
区，这种现象称为半导体的染料敏化作用，而载有染料的 半导体为染料敏化半导体电极。
染料敏化太阳能电池研发现状与展望
染料敏化太阳能电池研发现状与展望染料敏化太阳能电池（Dye-sensitized solar cells，DSSCs）是一种新型的光电转换装置，具有低成本、高效率、可弯折等优点，因此在可再生能源领域备受研究者的关注。
本文将介绍染料敏化太阳能电池的基本原理、研发现状以及未来的展望。
首先，我们来了解一下染料敏化太阳能电池的基本原理。
DSSCs主要由电解质溶液、染料敏化剂、电极和反电极组成。
染料敏化剂被吸附在电极表面，并能够吸收可见光，并将光能转化为电能。
当染料被吸收光子时，它会发生电子跃迁，从而形成电荷对。
电解质溶液中的阳极会接收电子，而阴极则接收阳离子，形成电流。
因此，DSSCs将光能转化为电能的过程中，涉及光吸收、电荷分离和电荷传输等多个关键步骤。
目前，染料敏化太阳能电池的研发已经取得了一定的进展。
首先，关于染料敏化剂的研究已经取得了显著的成果。
研究者们通过合成不同结构的染料敏化剂，提高了光电转换效率。
其次，对电解质溶液的改进也为DSSCs的性能提升提供了可能。
研究人员发现，通过改变电解质溶液中阳离子的种类和浓度，可以影响DSSCs的电荷传输效率，从而提高了光电转换效率。
此外，针对电极材料的改进也是提高DSSCs性能的关键。
近年来，一些新型的电极材料如氧化锌纳米线和钛酸钡纳米管等已被引入DSSCs中，以增强光电转换效率。
尽管染料敏化太阳能电池在研发过程中取得了一些令人鼓舞的成果，但目前还面临着一些挑战。
首先，染料敏化剂的稳定性仍然是一个问题。
染料敏化剂容易受到光照和氧化的损害，降低了太阳能电池的寿命。
其次，电解质的挥发性和易燃性可能限制了染料敏化太阳能电池的应用范围。
最后，太阳能电池的效率仍然较低，需要进一步提高。
然而，未来染料敏化太阳能电池的发展前景仍然乐观。
首先，随着纳米科技的发展，研究人员可以制备出更好的染料敏化剂，提高光电转换效率。
其次，新型材料的引入有望提高DSSCs的稳定性和寿命。
例如，有研究者使用钙钛矿材料代替染料敏化剂，取得了更高的效率和更好的稳定性。
染料敏化太阳能电池
染料敏化太阳能电池概述染料敏化太阳能电池（Dye-Sensitized Solar Cells，DSSCs）是一种新型的太阳能转换技术，利用有机染料将太阳光转化为电能。
相比于传统的硅基太阳能电池，染料敏化太阳能电池具有成本低、制备简单、柔性可调、较高的光电转换效率等优势，因此在太阳能领域引起了极大的关注。
工作原理染料敏化太阳能电池的工作原理基于光生电化学效应。
首先，太阳光穿过负载染料的半透明电极，并被染料吸收。
吸收光的染料分子会产生激发态电子，在紧随其后的电解质中获得电子并转移到染料颗粒表面的半导体纳米晶粒中。
然后，电子从半导体纳米晶粒中通过电解质转移到透明导电玻璃电极上，并通过外部电路回流到半透明电极上的电子空位。
这个光生电子转移和电荷回流的过程形成了一个光电转换的闭合回路，从而产生出可用的电能。
结构组成染料敏化太阳能电池主要由光电极、电解质和透明导电玻璃电极构成。
光电极光电极是染料敏化太阳能电池的关键组成部分，其中包含染料、半导体纳米晶粒和电子传输材料。
染料通过吸收光能将其转化为激发态电子，而半导体纳米晶粒则负责接收和传输这些电子。
电子传输材料位于半导体纳米晶粒和透明导电玻璃电极之间，起到连接和传输电子的作用。
电解质电解质是染料敏化太阳能电池中的离子液体，它能够扩散和传输电子，并且具有足够的氧化还原能力。
常用的电解质有有机液体和无机液体两种。
透明导电玻璃电极透明导电玻璃电极位于DSSCs的底部，通常由锡氧化物（SnO2）或氟化锡（FTO）等材料制成。
透明导电玻璃电极的作用是提供一个支撑底座，以及给流经DSSCs的太阳光提供一个透明的通道。
制备方法光电极制备光电极的制备主要包括染料吸附、半导体纳米晶制备以及电子传输材料的涂布等步骤。
首先，将染料溶液涂覆到透明导电玻璃电极上，并通过烘烤步骤将染料固定在电极上。
然后，将半导体纳米晶溶液涂覆到染料覆盖的电极上，并进行烧结使纳米晶粒固定在电极上。
最后，涂布电子传输材料，形成光电极。
染料敏化太阳能电池的制备和性能
］ ４ ５ － ： 的方程表示 ［
也会造成光电流的损失 ． 因此要提高光电流 ， 必须尽可
５］ ） ） 和（ 的反应 ［ 能地抑制 （ ３ ６ ．
及掀起了全球研究 Ｄ Ｓ Ｓ Ｃ 的热潮
［ ］ １ ３ －
本文通过在光阳极导电玻璃基底上先用 Ｔ ｉ Ｃ ｌ ４ 溶 液加上一层阻挡层薄 膜 ， 以阻止进入光阳极导电玻璃
－ 池的光电流 ； 提供 ４）氧 化 态 的 染 料 分 子 通 过 接 受 Ｉ － 在镀铂的对电极上得到电子 的电子得以再生 ； ５） Ｉ ３ － － ； ）Ｔ 还原为 Ｉ 此反应 ６ ｉ Ｏ ２ 导带底 电 子 与 Ｉ ３ 的 复 合，
理论转化率高 、 成本 低 廉 、 对 材 料 纯 度 要 求 低、 制造工 艺简单的特点而引起了全世界科学家广泛的研究兴趣 ． － ／ 传输电子的 Ｉ Ｄ Ｓ Ｓ Ｃ 主要由吸附染料的光阳极 、 － － 催 化Ｉ 的Ｐ Ｉ ｔ对 电 极 组 成 ． Ｄ Ｓ Ｓ Ｃ 工作的 ３ 电解 质 、 ３ 原理是 ： 染料分 子 受 光 照 被 激 发 ， 然后电子注入 Ｔ ｉ Ｏ ２ 导带 ， 被激发 的 染 料 分 子 最 终 在 对 电 极 被 Ｐ ｔ还原而 － － ／ 对于含有 Ｉ Ｉ 得以再生 ． ３ 氧化 还 原 电 对 电 解 质 体 系 其光电转换过程可以用以下 组装的太阳能电池而 言 ，
磁控溅射制备染料敏化太阳能电池氮掺杂碳膜对电极
１ 引 言
能 源短 缺 与 环 境 污 染 是 人 类 目前 面 临 的两 大 问
溅 射 的工作 气压 为 ０ ． ５ Ｐ ａ ， 其中 Ｎ 。的体 积分 数分 别控
制在 ０ 、 １ ０ 、 ２ ０ 和３ Ｏ ， 溅 射 电源为 双极 脉 冲电源 ，
题， 传统 的能源如 煤炭 、 石油 等 ， 消耗 速率 很 大 ， 因此 可
极通 常用 载有 Ｐ ｔ的导 电玻 璃组 成 ， Ｐ ｔ 的催 化 活 性 高 ，
导 电性好 ， 但 是成 本 较 高 ， 很 难 在 ＤＳ Ｓ Ｃ 中广 泛 应 用 。
关键 词 ： 氦掺 杂 碳 膜 ； 磁控溅射 ； 染 料 敏 化太 阳能 电
池； 对 电极
中图分 类号 ： Ｔ Ｂ ４ ３
文献标 识码 ： Ａ
ＤＯＩ ： １ ０ ． ３ ９ ６ ９ ／ ｊ ． ｉ ｓ ｓ ｎ ． １ ０ ０ １ — ９ ７ ３ １ ． ２ ０ １ ３ ． １ ９ ． ０ ２ ９
能作为 一种 取之不 尽 、 用 之不 竭 的清洁能 源 ， 目前 其应
用领域 极 为广泛 。染料 敏化太 阳能 电池 是一 种新 型 的
薄膜太 阳能 电池 口 ｊ ， 其制 作成本 低廉 、 清洁 无污 染 、 光 电转 化率 高 ， 近年 来备 受各 界学者 关注［ ３ ］ 。
染 料敏 化太 阳能 电池 （ ｄ ｙ ｅ — ｓ ｅ ｎ ｓ ｉ ｔ ｉ ｚ ｅ ｄ ｓ ｏ ｌ ａ ｒ ｃ ｅ ｌ ｌ ， 即 Ｄ Ｓ Ｓ Ｃ ） 由 透 明 导 电基 底 、 Ｔ ｉ Ｏ 光 阳 极 、 染 料 敏化 剂 、 电
再 生资 源 的开发 与利用是 当今社 会研 究 的热 点 。太 阳
负脉 冲 电压 ５ ５ ０ Ｖ， 正 脉 冲电压 １ Ｉ Ｏ Ｖ， 电流 ０ ． １ Ａ， 占空 比０ ． ７ ， 溅 射 时间 １ ８ ０ ｍｉ ｎ ， 衬 底温 度 ４ ０ ０ ℃。 ２ ． ２ 光 阳极 的制备及 电池 的组装 Ｔ ｉ Ｏ。 （ Ｐ ２ ５ ） 多孔 光 阳极 采 用 丝 网 印刷 法 在 Ｆ Ｔ Ｏ
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实验一染料敏化太阳能电池关键材料的制备与表征在众多新能源中，太阳能因具有清洁、环保、无污染、取之不尽、用之不竭等诸多优点，被认为是未来最有希望的新能源之一。
太阳能电池是通过光电效应或光化学效应直接把光能转化成电能的装置。
太阳能电池产业，已成为世界主要国家抢占新一轮经济和科技发展制高点的重大战略之一。
在众多太阳能电池中，硅基太阳能电池技术最为成熟，但制作工艺复杂、价格昂贵、设备要求较高而不适合开展大学生实验。
纳米二氧化钛（TiO2）晶体太阳能电池是最近发展起来的一种新型太阳能电池，其优点在于其低廉的成本、简单的工艺以及相对稳定的性能。
其光电效率稳定在10%以上，而制作成本仅为硅太阳能电池的1/5～1/10，寿命却能达到20年以上。
但是TiO2的禁带宽度为3.2eV，只能吸收波长小于375nm的紫外光。
为了使其吸收红移至可见光区，增大对全光谱围的响应，1991年，瑞士洛桑高等工业学院（EPFL）的Gratzel研究小组开发了染料敏化太阳能电池（Dye图1 Gratzel研究小组开发的DSSC Sensitized Solar Cell，简称DSSC），它由吸附了染料光敏化剂（过渡金属钌的有机化合物）的纳米TiO2多孔薄膜制成，其光电转换效率可达7.1%。
1993年，他将光电转换效率提高到了10%，1998年，该研究组进一步研制出全固态DSSC，使用固体有机空穴传输代替液体电解质，单色光光电转化效率达到33%，引起了全世界的科学家对DSSC的关注。
近年来，染料敏化太阳能电池的研究主要集中在阳极材料的改性、染料的改进、电解质的研究、以及阴极对DSSC 的影响等方面。
“染料敏化太阳能电池的制备、组装及测试”实验涵盖材料制备实验（水热反应制备TiO 2纳米颗粒、热解法制备Pt 催化剂、丝网印刷技术制备光阳极薄膜、玻璃工操作、材料热处理等）、仪器分析实验（台阶仪测量薄膜厚度、X 射线衍射仪表征材料的结构与成分、扫描电子显微镜观测形貌、紫外-可见吸收光谱测试光谱吸收效果）等多种实验方法。
由于实验步骤繁多、周期较长，因此根据其特点分为两部分，第一部分为关键材料的制备与表征；第二部分为器件的组装与测试。
本实验为第一部分。
下图为实验室制备的DSSC 。
NN N N N N Ru COOH COOH COOH HOOC HOOCCOOH N N N N Ru COOH HOOC HOOC COOH N C SNCS N N N Ru COOH HOOC HOOC N C SN C S N C S图2 实验室制备的使用不同染料敏化剂的DSSC【实验目的】（1）了解染料敏化太阳能电池的工作原理及性能特点。
（2）掌握染料敏化太阳能电池光阳极、对电极等关键材料的制备方法。
（3）掌握相关材料的表征方法。
【实验原理】染料敏化太阳能电池的结构与工作原理：染料敏化太阳能电池的结构是一种“治”结构，如图1所示，主要由以下几个部分组成：导电玻璃、染料光敏化剂、TiO 2半导体纳米晶薄膜、电解质和铂电极。
其中吸附了染料的半导体纳米晶薄膜称为光阳极，铂电极称为对电极。
图3 DSSC组成与结构示意图光阳极：目前，DSSC常用的光阳极是纳米TiO2。
TiO2是一种价格便宜，应用广泛，无污染，稳定且抗腐蚀性能良好的半导体材料。
TiO2有锐钛矿型（Anatase）和金红石型（Rutile）两种不同晶型，其中锐钛矿型的TiO2带隙（3.2eV）略大于金红石型的能带隙（3.leV），且比表面积略大于金红石，对染料的吸附能力较好，因而光电转换性能较好。
因此目前使用的都是锐钛矿型的TiO2。
研究发现，锐钛矿在低温稳定，高温则转化为金红石，为了得到纯锐钛矿型的TiO2，退火温度为 450℃。
染料敏化剂的特点和种类：用于DSSC电池的敏化剂染料应满足以下几点要求：①牢固吸附于半导体材料；②氧化态和激发态有较高的稳定性；③在可见区有较高的吸收；④有较长寿命的激发态；⑤足够负的激发态氧化还原势以使电子注入半导体导带；⑥对于基态和激发态氧化还原过程要有低的动力势垒，以便在初级电子转移步骤中自由能损失最小。
目前使用的染料可分为4类：第一类为钌多吡啶有机金属配合物。
这类染料在可见光区有较强的吸收，氧化还原性能可逆，氧化态稳定性高，是性能优越的光敏化染料。
用这类染料敏化的DSSC太阳能电池保持着目前最高的转化效率，但成本较高。
第二类为酞菁和菁类系列染料。
酞菁分子中引入磺酸基、羧酸基等能与TiO2表面结合的基团后，可用做染料敏化剂。
分子中的金属原子可为Zn、Cu、Fe、Ti和Co等金属原子。
它的化学性质稳定，对太有很高的吸收效率，自身也表现出很好的半导体性质，而且通过改变不同的金属可获得不同能级的染料分子，这些都有利于光电转化。
第三类为天然染料。
自然界经过长期的进化，演化出了许多性能优异的染料，广泛分布于各种植物中，提取方法简单。
因此近几年来，很多研究者都在探索从天然染料或色素中筛选出适合于光电转化的染料。
植物的叶子具有光-化学转化的功能，因此，从绿叶中提取的叶绿素具有一定的光敏活性。
从植物的花中提取的花青素也有较好的光电性能，有望成为高效的染料敏化剂。
天然染料突出的特点是成本低，所需的设备简单。
第四类为固体染料。
利用窄禁带半导体对可见光良好的吸收，可在TiO2纳米多孔膜表面镀一层窄禁带半导体膜。
例如InAs和PbS，利用其半导体性质和TiO2纳米多孔膜的电荷传输性能，组成多结太阳能电池，但窄禁带半导体严重的光腐蚀阻碍了进一步应用。
电解质：电解质在电池中主要起传输电子和空穴的作用。
目前DSSC电解质通常为液体电解质，主要由I-/I3-、(SCN)2-/SCN-、[Fe(CN)6]3-/[Fe(CN)6]4-等氧化还原电对构成。
但液态电解质也存在一些缺点：①液态电解质的存在易导致吸附在TiO2薄膜表面的染料解吸，影响电池的稳定性。
②溶剂会挥发，可能与敏化染料作用导致染料发生光降解。
③密封工艺复杂，密封剂也可能与电解质反应，因此所制得的太阳能电池不能存放很久。
光阴极：电池的阴极一般由镀了Pt的导电玻璃构成。
导电玻璃一般为ITO（掺In的SnO2膜）和FTO（掺F的SnO2膜）。
导电玻璃的透光率要求在85%以上，其方块电阻为10~20Ω/cm2，导电玻璃起着电子的传输和收集的作用。
I3-在光阴极上得到电子再生成I-离子，该反应越快越好，但由于I3-在光阴极上还原的过电压较大，反应较慢。
为了解决这个问题，可以在导电玻璃上镀上一层Pt，降低电池中的暗反应速率，提高太的利用效率。
DSSC的工作原理是：电池中的TiO2禁带宽度为3.2eV，只能吸收紫外区域的太，可见光不能将它激发，于是在TiO2膜表面覆盖一层染料光敏剂来吸收更宽的可见光，当太照射在染料上，染料分子中的电子受激发跃迁至激发态，由于激发态不稳定，并且染料与TiO2薄膜接触，于是电子注入到TiO2导带中，此时染料分子自身变为氧化态。
注入到TiO2导带中的电子传输到图4 DSSC结构与工作原理图导电玻璃，通过外电路流向对电极，形成光电流。
处于氧化态的染料分子在阳极被电解质溶液中的I-还原为基态，电解质中的I3-被从阴极进入的电子还原成I-，这样就完成一个光电化学反应循环。
但是反应过程中，若电解质溶液中的I-在光阳极上被TiO2导带中的电子还原，则外电路中的电子将减少，这就是类似硅电池中的“暗电流”。
整个反应过程可用如下表示：（1）染料D受激发由基态跃迁到激发态D*：D + hv → D*（2）激发态染料分子将电子注入到半导体导带中： D*→ D+ + e-（3）I-还原氧化态染料分子： 3I- + 2D+→ I3- + 2D（4）I3-扩散到对电极上得到电子使I-再生： I3- +2e- 3I-（5）氧化态染料与导带中的电子复合： D+ + e- → D（6）半导体多孔膜中的电子与进入多孔膜中I3-复合：I3- + 2e- → 3I-其中，反应（5）的反应速率越小，电子复合的机会越小，电子注入的效率就越高；反应（6）是造成电流损失的主要原因。
【仪器与试剂】一、仪器设备X-ray衍射仪、紫外-可见分光光度计、电化学工作站、超声波清洗器、恒温水浴槽、多功能万用表、电动搅拌器、高压反应釜、真空干燥箱、箱式电阻炉、红外线灯、吹风机、研钵、电解池、铂电极、饱和甘汞电极、石英比色皿、导电玻璃、三口烧瓶、量筒、烧杯、水浴锅、分液漏斗、容量瓶、玻璃刀、玻璃刻字笔、聚四氟乙烯镊子等。
二、试剂材料N719染料、Z903染料、N3染料、磷酸盐缓冲液（PBS）、钛酸四丁酯、冰醋酸、异丙醇、乙基纤维素、硝酸、无水乙醇、乙二醇、乙腈、碘、碘化钾、丙酮、去离子水等。
【实验步骤】实验流程：图5 DSSC制备、组装、测试实验流程图实验过程：本次实验完成第一部分，关键材料的制备与表征，主要是光阳极的制备。
一、切割、清洗FTO导电玻璃用万用表辨别FTO的导电面，从导电面下刀，切割FTO导电玻璃（建议尺寸为2cm×3cm）4块。
首先用洗衣粉轻轻搓洗FTO，然后分别在去离子水、无水乙醇中超声清洗3~5min，用聚四氟乙烯镊子夹住吹干，备用。
图6 辨别FTO导电面并使用玻璃刀切割操作图二、TiO2浆料的制备将适量的乙基纤维素、纳米TiO2粉末、松油醇及乙醇超声混合均匀。
减压蒸馏除去大部分的水和乙醇后，用三辊机研磨混合物，并挥发掉剩余的水和乙醇，直至获得适于丝网印刷的TiO2浆料。
三、多孔TiO2膜电极制备采用丝网印刷技术在FTO表面印刷TiO2浆料，静置除去表面缺陷，125℃干燥后，测量TiO2薄膜的厚度。
通过重复上述“印刷－静置－干燥”步骤，控制TiO2薄膜厚度。
将TiO 2薄膜进行125~500℃的分段升温热处理。
冷却至室温后，即得到多孔TiO2膜电极。
用XRD粉末衍射仪测定TiO2晶型结构。
四、染料敏化剂溶液的制备和表征染料敏化剂采用N719（或Z907、N3），配制其乙醇溶液待用。
测定敏化剂溶液的紫外-可见光吸收光谱，确定染料敏化剂的吸收波长围。
五、染料敏化电极制备和循环伏安曲线测定（1）敏化电极制备经过煅烧后的多孔TiO2膜电极冷却到80℃左右，浸入上述染料敏化剂溶液中，浸泡12h后取出，用乙醇清洗后晾干，即获得染料敏化的TiO2电极（光阳极）。
图8 染色前与染色后的多孔TiO2膜电极（2）电极循环伏安曲线测定为考察染料敏化剂在纳米TiO2电极上的电化学行为和可逆性，以染料敏化后的TiO2电极为工作电极，铂电极为对电极，饱和甘汞电极为参比电极，pH=6.86图7 多孔TiO2膜电极制备示意图的磷酸盐缓冲液为支持电解质，测定0.2V~1.4V电位区间的敏化电极的循环伏安曲线，改变扫描速度确定敏化剂发生电化学反应的可逆性。