染料敏化太阳电池TiO_2薄膜电极中离子扩散性能及其影响研究
染料敏化太阳能电池的进展综述
染料敏化太阳能电池的进展综述王若瑜（北京清华大学化学系100084 ）【摘要】由于染料敏化太阳能电池具有优良的稳固性和高转换效率，它具有极大的应用前景。
本文就染料敏化太阳能电池的原理、齐电池组成结构的优化等，对国内外学者的研究工作做以综述评论。
【关键词】太阳能染料敏化电极TiO?薄膜在能源危机日趋加深的今天，由于化石能源的不可再生：氢能利用中的储氢材料问题仍然没有解决：风能、核能利用难以大而积推行；太阳能作为另一种可再生淸洁能源足以引发人们的重视。
利用太阳能，已是各相关学科一个很重要的方向。
1991年之前，人们对太阳能的利用停留在利用半导体硅材料太阳能电池【1】上，这种太阳能电池虽然已经达到了超过15%的转化效率，可是它的光电转化机理要求材料达到髙纯度且无晶体缺点，再加上硅的生产价钱居高，这种电池在生产应用上碰到了阻力。
1991年，瑞士的GFtzcl教授小组做出了染料敏化太阳能电池【2】，他们的电池基于光合作用原理，以拔酸联毗唳钉配合物为敏化染料，以二氧化钛纳米薄膜为电极，利用二氧化钛材料的宽禁带特点，使得吸收太阳光激发电子的区域和传递电荷的区域分开，从而取得了％的髙光电转换效率【3】，这种电池目前达到最高的转换效率是% （6L由于这种电池工艺简单，本钱低廉（约为硅电池的1/5-1/10） [4],而且可选用柔质基材而使得应用范用更广，最重要的是，它具有稳固的性质，有髙光电转换效率，这无疑给太阳能电池的进展带来了庞大的变革【9】。
正因为染料敏化电池的上述长处，许多学者就它的机理、各个组成部份的优化等相关内容作了一系列实验，这篇论文将就这些方面做以综述简介，并加以分析和评论。
2, 染料敏化太阳能电池工作原理染料敏化太阳能电池的选材TiO?材料具有稳固的性质，且廉价易想，是理想的工业材料。
由于它的禁带宽度是，超过了可见光的能量范围（~）,所以需要用光敏材料对其进行修饰。
其中的染料敏化剂指多由钉（Ri「）和娥（Os）等过渡金属与多联毗咙形成的配合物；实验证明，只有吸附在TiO? 表面的单层染料分子才有有效的敏化作用【3】，所以人们往往采用多孔纳米TiO?薄膜，利用其大的比表而积吸附更多染料分子，利用太阳光在粗糙表面内的多次反射从而被染料分子反复吸收提高电池效率：电解质随染料的不同而有不同的选择，总的来讲，以含1% -离子对的固态或液态电解质为主。
光伏材料物理1_染料敏化太阳能电池2
卟啉系列和酞菁系列
R R
R R
N
N
N
N N
M
N N
N NMΒιβλιοθήκη NNNR
R
R
R
R = SO3-, OC5H11; M = H2, Zn, AlCl
A. Kay and M. Gratzel, et al J. Phys. Chem., 1993, 97, 6272. M.M. Ressler and R.K. Panday, Chemtech., 1998, 3, 39.
• Role of the TCO electrode in a DSSC
– Electrons transportation and collection
• Characteristics
– – – – –
I
T
High transmittance in visible region () High electrical conductivity () Thermal endurance () Corrosion resistance Energy level not higher than nanoparticle oxide
染料敏化太阳能电池
被引用已达12411次
1991 年瑞士洛桑高工 (EPFL)Grätzel 等，利用联 吡啶钌(Ⅱ)配合物染料和纳 米多孔TiO2薄膜制备的染料 敏化纳米薄膜太阳电池，获 得了 7.1%的光电转换效率。 这一突破性进展为研究染料 敏化纳米薄膜太阳电池开辟 了新天地，特别是对未来工 业化生产提供了新思路。 优点: 1.可以克服半导体本身只吸 收紫外光的缺点，使得电池 对可见光谱的吸收大大增加 2.可通过改变染料的种类得 到理想的光电化学太阳能电 池 3.大大降低生产成本，以利 于运用于日常生活中
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。
CdS量子点敏化压膜法制备TiO_2电极光电性能
关键 词 ： 光化 学 电池 纳米材料 Ｃ Ｓ ｄ 量子点 压膜法 中图分 类号 ： Ｑ１ Ｔ 文 献标 识 码 ： Ａ
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文章 编号 ： ６ ４ ０ ８ （ ０ ２ ｏ （） ｏ ３ 一 ２ １ ７ — ９ Ｘ ２ １ ） １ｃ一 １ ７ ｏ
通 常 使 用 有 机 染 料 作 为 敏 化 剂 ， 今 为 迄 ＰＥＣ电池 的缺 点 。 附 的 Ｃｄ Ｓ量 子 点 的 数 量 可 以 通 过 增 ） ｓ ｊ － ｎ ＣＢＤ循 环 的 次 数而 增 加 。
止 最 高 效 率 已 达 Ｉ ％。 了 有 机 染 料 ， Ｉ 除 一 些 无 机 量 子 点 如 Ｃ Ｓ， ｂ Ｃ Ｓ 等 也 能 作 ｄ Ｐ Ｓ， ｄ ｅ 为 敏 化 剂 。 子 点 作 为 敏 化 剂 时 具 有 如 下 量 其 粒 子 尺 寸 的 太 小 而 调 节 ， 样 其 吸 收 这
次 ， 子 点 具 有 独 特 的 量 子 局 限效 应 、 量 冲
击 离 子 化 效 应 、 杰 再 结 合 效 应 、 你 传 欧 迷
送 带 结 构 。 用 量 子 点 敏 化 作 用 理 论 上 光 利
ｍ ０ ｍ２ 用 Ｎ， 干 待 用 。 商 业 用 Ｐ２ 粉 末 超 声 溶 ６ ％， 高 于 单 一 的 ６ 远
有 机 染 料 （ ％） ３１ 。 量 子 点敏 化 的ＰＥＣ电池 通 常 用烧 结后
解 于 无 水 乙 醇 中 ， 得 质 量 分 数 为 ２ ％的 制 ０
Ｔｉ 溶 胶 。 用 刮 刀法 将Ｔｉ 溶 胶 涂覆 到 Ｏ 采 Ｏ，
Ｑ：
Ｓｃ ｅｎ ｅ Ｔｅｃｈ ｉ ｃｅ ｎｄ ｎｏｌ ｏｇｙ ｎｎ Ｉ ｏｖａｔｏｎ ｉ Ｈｅｒ ｄ ａｌ
N3敏化Ho_3_离子修饰TiO_2纳米晶电极的光电化学性质
N3敏化Ho 3+离子修饰TiO 2纳米晶电极的光电化学性质杨术明*寇慧芝汪玲王红军付文红(信阳师范学院化学化工学院,河南信阳464000)摘要：研究了Ho 3+离子表面修饰对TiO 2纳米晶电极光电性能的影响.TiO 2表面氧化钬的存在一方面降低了染料和TiO 2之间的电子注入速率,而另一方面它也能够抑制电荷复合.结果表明,在TiO 2纳米晶薄膜表面修饰一定厚度的Ho 3+离子层,在电极表面就形成了一个势垒,能够有效抑制电极表面的电荷复合,从而提高了染料敏化太阳能电池的光电压和光电转化效率.在93.1mW ·cm -2白光照射下,TiO 2/Ho -0.1和TiO 2/Ho -0.2(0.1和0.2分别是修饰TiO 2电极的Ho 3+溶液的浓度,单位是mol ·L -1)两个电极的光电转化效率分别达到8.3%和7.6%,与TiO 2电极(7.2%)比较,分别增大了15%和5%.关键词：表面修饰;TiO 2纳米晶电极;染料敏化太阳能电池;光电性能中图分类号：O649Photoelectrochemical Properties of N3Sensitized Ho 3+Modified TiO 2Nanocrystalline ElectrodesYANG Shu -Ming *KOU Hui -ZhiWANG LingWANG Hong -JunFU Wen -Hong(College of Chemistry and Chemical Engineering,Xinyang Normal University,Xinyang464000,Henan Province,P.R.China )Abstract ：Effects of Ho 3+ion modification on photoelectrical properties of TiO 2electrodes were investigated.On the one hand,the Ho 3+layer decreased electron injection between the dye and TiO 2,but on the other hand,it suppressed charge recombination.Experimental results showed that an energy barrier was formed when the TiO 2electrode was modified with a Ho 3+layer of a certain thickness.This energy barrier efficiently suppressed charge recombination.As a result,the photovoltage and photoelectrical conversion efficiency were improved under optimal conditions.Photoelectrical conversion efficiencies of TiO 2/Ho -0.1and TiO 2/Ho -0.2(0.1and 0.2are the concentrations of Ho 3+solution used for modification,mol ·L -1)electrodes reached 8.3%and 7.6%,respectively,under illumination with white light at 93.1mW ·cm -2.This represents an increase of about 15%and 5%,respectively,compared to a bare TiO 2electrode (7.2%).Key Words ：Surface modification;TiO 2nanocrystalline electrode;Dye sensitized solar cell;Photoelectricalproperty[Article]物理化学学报(Wuli Huaxue Xuebao )Acta Phys.-Chim.Sin .,2009,25(6)：1219-1224Received:November 24,2008;Revised:February 18,2009;Published on Web:March 23,2009.*Corresponding author.Email:smyang2006@;Tel:+86376-6393736.国家自然科学基金(20773103)、人事部留学人员科技活动择优项目(2006164)、教育部留学回国人员科研启动基金(2008101)和河南省教育厅科技计划项目(2008A150022)资助鬁Editorial office of Acta Physico -Chimica Sinica染料敏化TiO 2纳米晶薄膜太阳能电池是一种具有良好应用前景的太阳能电池.它具有成本低、效率高的优点,因此受到人们的广泛关注[1,2].经过十多年的发展,在AM1.5模拟太阳光照射下,染料敏化太阳能电池的能量转化效率已达11%[3].这种高能量转化效率是由于TiO 2纳米晶薄膜具有很高的比表面积,可以吸附大量的染料分子,大大增强了对可见光的吸收效率,因此改善了太阳能电池的光电转化效率[4].这种电极的一个不寻常的特性就是在电极表面与电解质之间缺少耗尽层[5-7],因此注入到半June 1219Acta Phys.-Chim.Sin.,2009Vol.25导体导带中的电子容易与电解质中的氧化性物质发生电荷复合,这也是制约染料敏化太阳能电池转化效率的一个主要因素.为改善染料敏化太阳能电池的效率,一种有效的途径是用氧化物对TiO2纳米晶薄膜进行表面修饰,例如SrO[8]、SrTiO3[9]和CaCO3[10]等.这种修饰层可使注入电子与电解质中的氧化还原电对隔离,有效地抑制了电荷复合,改善了太阳能电池的光电转化性能.稀土元素具有易产生多电子组态、多晶型、热稳定性好等优点,被广泛用于半导体的掺杂改性,目前在光催化领域应用比较多[11,12],但将稀土离子用于染料敏化太阳能电池中的报道还不多见.北京大学蔡生民教授研究组[13]进行过La3+离子掺杂对染料敏化TiO2电极的光电性能改善研究.我们前期的研究工作[8,14,15]表明,当用SrO和硫化物来修饰TiO2电极表面时,TiO2纳米晶电极的光电转化效率增大.本文将报道Ho3+修饰的TiO2电极的制备方法以及它的光电化学性质.1实验部分1.1试剂与仪器F-掺杂SnO2导电玻璃(2mm厚,80%的可见区透光率)用来制备光透明电极,Ti(OCH(CH3)2)4,丙烯碳酸酯和4-叔丁基吡啶均为分析纯试剂,购于Acros 公司.染料Ru[L2(NCS)2](L=2,2′-联吡啶-4,4′-二羧酸)(简称N3)为优级纯,购于Solaronix公司.四氯化钛、乙腈、70%HNO3溶液、冰醋酸和Ho(NO3)3均为分析纯,购于北京化学试剂公司.UV-3100紫外-可见光谱仪(日本岛津公司)用来测定N3敏化Ho3+离子表面修饰TiO2纳米晶膜电极的吸收光谱.X射线光电子能谱(XPS)是在ESCALab220i-XL(英国VG Scientific公司)上进行的,使用Al Kα作为X射线源,工作电压15kV,电流20mA.1.2实验过程1.2.1N3敏化Ho3+离子表面修饰TiO2纳米晶膜电极的制备TiO2纳米晶电极的制备参照文献[1,16],将制备好的TiO2纳米晶膜放入一定浓度的Ho3+离子的水溶液中浸泡1h,取出用吹风机吹干,在450℃下烧结30min,所用Ho3+离子溶液的浓度分别为0.1、0.2、0.4、0.8和2.0mol·L-1.为了表示方便,不同浓度Ho3+离子修饰的TiO2纳米晶膜用TiO2/Ho-c来表示,式中c代表Ho3+离子溶液的浓度,如TiO2/Ho-0.1、TiO2/Ho-0.2、TiO2/Ho-0.4、TiO2/Ho-0.8和TiO2/Ho-2.0分别表示在0.1、0.2、0.4、0.8和2.0mol·L-1的Ho3+离子溶液中处理的TiO2纳米晶膜.待Ho3+离子表面修饰TiO2纳米晶膜温度降到约80℃时,将其放入浓度为5×10-4mol·L-1的N3无水乙醇溶液中,浸泡12h,取出用乙醇冲洗三次,吹干.1.2.2电化学和光电化学测试电极的电化学性质在CH600电化学分析仪的三电极体系中测量,N3敏化TiO2或Ho3+离子修饰TiO2纳米晶膜为工作电极,铂丝为对电极,饱和甘汞电极(SCE)为参比电极,电解质为0.5mol·L-1的LiI、0.05mol·L-1的I2和0.1mol·L-1的4-叔丁基吡啶的乙腈-丙烯碳酸酯(体积比为1∶1)溶液.电极的光电化学性质在二电极体系中测量,N3敏化TiO2或Ho3+离子修饰TiO2纳米晶膜为工作电极,表面镀了一层金属铂的导电玻璃为对电极,照射光源为一个500W的氙灯,在光路上放置一片IRA-25S红外滤光片防止电极产生热电流,GG400截止滤光片防止紫外光激发TiO2,在光的通路中放置一定组合的Schott公司的干涉滤光片,以获得一定波长的单色光.电极的有效照射面积为0.2cm2.2结果与讨论2.1X射线光电子能谱XPS可以用来研究Ho3+离子修饰TiO2纳米晶电极表面的原子分布.图1是TiO2/Ho-0.4、TiO2/ Ho-0.8和TiO2/Ho-2.0三个电极的XPS曲线.从图1谱线a可见,Ho4d峰位于161.7eV.由于TiO2/Ho-0.1和TiO2/Ho-0.2两个电极表面的Ho3+图1Ho3+修饰TiO2电极的XPS图Fig.1XPS spectra of Ho3+modified TiO2electrodes(a)TiO2/Ho-2.0,(b)TiO2/Ho-0.8,(c)TiO2/Ho-0.4;c in TiO2/Ho-c denotes Ho3+concentration(mol·L-1).1220No.6杨术明等：N3敏化Ho 3+离子修饰TiO 2纳米晶电极的光电化学性质离子量很少,XPS 方法检测不到Ho 4d 信号.Ho 4d 峰在TiO 2/Ho -0.4电极中开始出现,并随TiO 2/Ho -0.8和TiO 2/Ho -2.0依次增大.从Ti 2p 和Ho 4d 的XPS 峰面积计算得到电极表面Ti 和Ho 的原子比.表1列出了三个电极的XPS 数据.从表1中电极表面Ho 的相对原子浓度可以看出,TiO 2/Ho -0.4、TiO 2/Ho -0.8和TiO 2/Ho -2.0中Ho 原子浓度的比约为1∶2∶5,与修饰TiO 2电极时所用Ho 3+离子溶液的浓度比相同.这个结果的意义在于,电极表面修饰元素的含量可以通过选择相应溶液的浓度来控制.2.2吸收光谱染料在电极上的吸附量是决定光电转化效率的一个关键因素.N3染料在Ho 3+离子修饰TiO 2纳米晶电极上的吸附状况可以通过它们的吸收光谱来了解.图2是N3敏化的TiO 2和TiO 2/Ho 电极的吸收光谱曲线.从图2中可见,Ho 3+离子修饰对N3敏化TiO 2电极的吸光度有一定影响,说明Ho 3+离子修饰影响染料在电极上的吸附能力.TiO 2/Ho -0.1、TiO 2/Ho -0.2、TiO 2/Ho -0.4、TiO 2/Ho -0.8和TiO 2/Ho -2.0电极在540nm 最大吸收处的吸光度分别为0.54、0.57、0.60、0.64和0.68,而TiO 2电极在该波长的吸光度为0.66.已知N3染料在540nm 波长的消光系数为1.42×107cm 2·mol -1,所以可以计算出N3染料在TiO 2/Ho -0.1、TiO 2/Ho -0.2、TiO 2/Ho -0.4、TiO 2/Ho -0.8、TiO 2/Ho -2.0和TiO 2电极上的吸附量分别为3.8×10-8、4.0×10-8、4.2×10-8、4.5×10-8、4.8×10-8和4.6×10-8mol ·cm -2.研究表明,如果修饰电极表面的碱性比TiO 2高,染料的吸附量会增大;反之则减小[17,18].Ho 3+离子修饰具有两个效果:(i)Ho 3+离子会与TiO 2表面的OH 基悬空键结合,降低了TiO 2表面的碱性,导致染料的吸附减弱;(ii)氧化钬碱性比TiO 2强,使得染料的吸附增强.当Ho 3+离子浓度很低时,在TiO 2表面形成的氧化钬的量很少,这时第一个因素占主导作用,因此修饰电极表面的碱性减小,使得染料的吸附量减小;随着Ho 3+离子浓度的增大,TiO 2表面氧化钬的量逐渐增大,此时第二个因素的作用越来越大,修饰电极表面的碱性也逐渐增大,使得染料的吸附量随之增大,当Ho 3+离子浓度足够大时([Ho 3+]=2.0mol ·L -1),修饰电极表面的碱性大于TiO 2,这时在修饰电极上吸附的染料量就大于TiO 2电极上所吸附的量.2.3光电流转化效率光电流转化效率即入射单色光子-电子的转化效率(incident photon -to -electron conversion efficiency,缩写为IPCE),定义为单位时间内外电路中产生的电子数n e 与单位时间内的入射单色光子数n p 之比,是衡量太阳能电池光电转化性能的一个非常重要的参数.在实际测量时,一般通过测定在一定光强的单色光照射下的短路光电流来计算IPCE 值,其数学公式为IPCE=1240×I sc inc (1)式中I sc 为单色光照射下电池所产生的短路光电流(μA ·cm -2),λ为入射单色光的波长,I inc 为入射光强(W ·m -2).图3是N3敏化TiO 2和TiO 2/Ho 电极的IPCE 曲线.TiO 2/Ho -0.1和TiO 2/Ho -0.2电极的IPCE 值在所有波长都比TiO 2电极的大;TiO 2/Ho -0.8电极的IPCE 在400-600nm 区间小于TiO 2电极的IPCE,在600nm 以后则大于TiO 2电极的;而TiO 2/Ho -2.0电极吸附的染料最多,但是它的IPCE 值最低.FWHM is full width at half maximum,x is atomic concentration ofHo or Ti.表1Ho 3+修饰TiO 2电极的XPS 数据Table 1XPS data of Ho 3+modified TiO 2electrodesElectrodeElectron orbital Peak energy(eV)Peak areaFWHMNormareax (%)TiO 2/Ho -0.4Ti 2p458.327501.82 1.430.0111794.343Ho 4d161.13934.85 1.430.000675.657TiO 2/Ho -0.8Ti 2p458.0527599.98 1.360.0112188.079Ho 4d160.48914.84 3.920.0015211.921TiO 2/Ho -2.0Ti 2p458.1531106.52 1.270.0126471.288Ho 4d160.929897.28 5.960.0050928.712图2N3敏化TiO 2和TiO 2/Ho 电极的吸收光谱Fig.2Absorption spectra of N3sensitized TiO 2andTiO 2/Ho electrodes1221Acta Phys.-Chim.Sin.,2009Vol.25这里需要注意的是TiO2电极表面吸附的Ho3+离子在空气中烧结后成为氧化钬,而氧化钬是一个绝缘性氧化物.在TiO2/Ho-0.1和TiO2/Ho-0.2电极中,氧化钬的含量很少,它对电子注入的影响要小于对电荷复合的抑制,因此它们的光电流有所提高.随着在TiO2/Ho-0.8和TiO2/Ho-2.0电极上氧化钬含量的增加,它对电子注入的阻碍越来越大,因此这两个电极的IPCE值逐渐降低.另外先前的研究表明, Sr2+离子修饰的TiO2纳米晶电极在长波长区的光电转化性质明显得到改善[8],这主要是由于修饰电极表面形成的势垒减少了注入电子的电荷复合几率,使得在消光系数小的区域的光电转化效率提高[19].对于Ho3+离子修饰的TiO2纳米晶电极也表现出这种性质,所有TiO2/Ho电极在长波长区的IPCE值都有改善.其中最明显的是TiO2/Ho-0.8电极,它的IPCE在400-600nm区间小于TiO2电极的IPCE,在600nm以后增大甚至大于TiO2电极的IPCE.与Sr2+离子修饰TiO2纳米晶电极表面不同的是,Ho3+离子修饰的表面具有一定的绝缘性,这个绝缘层既对电子注入同时也对电荷复合都产生抑制作用,因此它的厚度是性能优化的关键.实验表明, TiO2/Ho-0.1和TiO2/Ho-0.2两个电极具有最佳的光电性能.2.4暗电流通过在染料敏化纳米晶电极上施加负偏压,可以研究电极表面的导电性.图4是在三电极体系中测得的几个电极的阴极电流与偏压的关系曲线.从图4可以看出,在所施加的偏压范围内,Ho3+离子修饰TiO2电极的阴极电流都比没有修饰的TiO2电极的小,而且氧化钬含量越高的电极的阴极光电流也越小.这个结果说明了TiO2表面的氧化钬层对电子的穿越具有阻碍作用,也可以理解为氧化钬在TiO2表面形成了一个势垒,这个势垒使得电子更难以通过电极,因为阴极电流的方向与光电转化时的电荷复合电子的流向相同,因此这个势垒也能够阻止电子的回传.以上结果的意义在于,TiO2表面氧化钬的存在,一方面降低了染料和TiO2之间的电子注入速率,而另一方面它也能够抑制电荷复合,其中第一个作用不利于光电转化效率的提高,而后一个作用则有利于光电转化效率的提高.因此,尽管TiO2/Ho-2.0电极的阴极电流最小,由于它的电子注入速率降低得非常厉害,使得它的光电转化效率降低,所以选择适当的修饰层厚度对改善电极的光电转化性质非常重要.2.5光电流I sc、光电压V oc与光强I inc的关系图5和图6分别是N3敏化TiO2和TiO2/Ho电极的光电流和光电压随光强的变化曲线.光电流随光强的变化符合关系式I sc=αIγinc,式中γ为光指数[20,21].图5中插图为相应的I sc和I inc对数值.两条直线的斜率几乎相同,均为0.96,说明载流子的产生是单光子过程[20,21].从图6可见,在光强低于0.3mW·cm-2时,两个电极的开路光电压随光强增大得很快,一旦光强超过0.3mW·cm-2,光电压逐渐趋于饱和.2.6光电转化效率光电转化效率的测定在二电极体系中进行.N3图3N3敏化TiO2和TiO2/Ho电极的IPCE曲线Fig.3IPCE curves of N3sensitized TiO2and TiO2/HoelectrodesThe electrolyte is0.5mol·L-1LiI,0.05mol·L-1I2and0.1mol·L-14-tert-pyridine in1∶1(volume ratio)acetonitrile-propylene carbonate;IPCE:incident photon-to-electron conversion efficiency 图4无光照条件下N3敏化TiO2和TiO2/Ho电极的电流与偏压的特性曲线Fig.4Current-voltage characteristics of the N3 sensitized TiO2electrode and TiO2/Ho electrodes in dark The electrolyte is0.5mol·L-1LiI,0.05mol·L-1I2and0.1mol·L-14-tert-pyridine in1∶1acetonitrile-propylene carbonate.Scan rate is10mV·s-1.1222No.6杨术明等：N3敏化Ho3+离子修饰TiO2纳米晶电极的光电化学性质敏化TiO2或TiO2/Ho电极为工作电极,表面镀有一层200nm厚金属铂的导电玻璃为对电极,将两个电极相对叠置起来,用夹子夹紧,加入一滴电解质溶液,一个染料敏化太阳能电池就组装好了.将电池放置在测定装置的光路上,由一个500W氙灯产生的白光经过KG4红外滤光片和GG400紫外滤光片后的光强为93.1mW·cm-2,照射在组装好的电池上,测定光电流-光电压曲线.结果见图7.从图7可以看出,N3敏化Ho3+离子修饰TiO2纳米晶太阳能电池的开路光电压比没有Ho3+离子修饰TiO2纳米晶电池的大,而且按照TiO2/Ho-0.1、TiO2/Ho-0.2、TiO2/Ho-0.8、TiO2/Ho-2.0的顺序依次增大,最高达到751mV.其中TiO2/Ho-0.1电极的短路光电流与TiO2的几乎相同,但是它的开路光电压增加了近40mV,填充因子也增加到0.60(表2),这样它的光电转化效率就相应增大.然而,随着Ho3+离子浓度的继续增加,电池的短路光电流随之减小.这是由于Ho3+离子浓度的增加使TiO2表面的修饰层加厚,过厚的修饰层阻碍了电子的注入,导致光电流降低.光电转化效率可以根据式(2)计算[8]η=I sc×V oc×FFI inc(2)式中,I sc是短路光电流密度,V oc是开路光电压,FF是填充因子,I inc是入射光强度,η是光电转化效率.由此得到的N3敏化TiO2和TiO2/Ho太阳能电池的光电转化参数列于表2.其中TiO2/Ho-0.1和TiO2/Ho-0.2两个电极的η分别为8.3%和7.6%,与I sc is short circuit photocurrent,FF is fill factor,ηis photoelectricalconversion efficiency.表2N3敏化TiO2和TiO2/Ho太阳能电池的光电转化参数Table2Photoelectrical conversion parameters of N3 sensitized TiO2and TiO2/Ho electrodes图5N3敏化TiO2和TiO2/Ho电极的短路光电流与光强的关系(540nm单色光作为激发光源)Fig.5Variation of short-circuit photocurrent(I sc)as a function of incident light intensity(I inc)measured at540nm illuminationThe electrolyte is0.5mo·L-1LiI,0.05mol·L-1I2and0.1mol·L-1 4-tert-pyridine in1∶1acetonitrile-propylene carbonate.The inset shows the plots of ln I sc vs ln I inc.图6N3敏化TiO2和TiO2/Ho电极的开路光电压与光强的关系(540nm单色光作为激发光源)Fig.6Variation of open-circuit photovoltage(V oc)as a function of incident light intensity(I inc)measured at540nm illuminationThe electrolyte is0.5mol·L-1LiI,0.05mol·L-1I2and0.1mol·L-1 4-tert-pyridine in1∶1acetonitrile-propylene carbonate.图7N3敏化TiO2和TiO2/Ho太阳能电池的光电流-光电压曲线Fig.7Photocurrent-photovoltage characteristics of N3sensitized TiO2and TiO2/Ho electrodesThe irradiation source is a white light of93.1mW·cm-2.The electrolyte is0.5mol·L-1LiI,0.05mol·L-1I2and0.1mol·L-14-tert-pyridine in1∶1acetonitrile-propylene carbonate.Electrode I sc/(mA·cm-2)V oc/mV FFη(%)TiO220.616480.557.2TiO2/Ho-0.120.396850.608.3TiO2/Ho-0.218.996900.587.6TiO2/Ho-0.816.096900.57 6.4TiO2/Ho-2.09.227510.57 3.91223Acta Phys.-Chim.Sin.,2009Vol.25TiO2电极比较,分别增大了15%和5%.3结论综上所述,电子注入和电荷复合是染料敏化太阳能电池中的两个重要过程,而这两个过程都与纳米晶半导体电极的表面态结构密切相关.本文采用Ho3+离子来修饰TiO2纳米晶薄膜,并研究了不同Ho3+离子含量对TiO2纳米晶电极光电性能的影响.结果表明,TiO2电极表面氧化钬的存在一方面降低了染料和TiO2之间的电子注入速率,而另一方面它也能够抑制电荷复合,其中前一个作用不利于光电转化效率的提高,而后一个作用则有利于光电转化效率的提高,因此选择适当的修饰层厚度对改善电极的光电转化性质非常重要.实验结果表明,TiO2/ Ho-0.1和TiO2/Ho-0.2两个电极的光电转化效率分别达到8.3%和7.6%,与TiO2电极(7.2%)比较,分别增大了15%和5%.References1O′Regan,B.;Gratzel,M.Nature,1991,353:7372Gratzel,M.Prog.Photovoltaics.Res.Appl.,2006,14:4293Gratzel,M.Inorg.Chem.,2005,44:68414Kalyanasundaram,K.;Gratzel,M.Coord.Chem.Rev.,1998,177: 3475Curran,J.S.;Lamouche,D.J.Phys.Chem.,1983,87:54056O′Regan,B.;Moser,J.;Anderson,M.;Gratzel,M.J.Phys.Chem., 1990,94:87207Sodergren,S.;Hagfeldt,A.;Olsson,J.;Lindquist,S.E.J.Phys.Chem.,1994,98:55528Yang,S.M.;Huang,Y.Y.;Huang,C.H.;Zhao,X.S.Chem.Mater.,2002,14:15009Diamant,Y.;Chen,S.G.;Melamed,O.;Zaban,A.J.Phys.Chem.B,2003,107:197710Wang,Z.S.;Yanagida,M.;Sayama,K.;Sugihara,H.Chem.Mater.,2006,18:291211Yang,Q.J.;Xu,Z.L.;Xie,C.;Xue,B.Y.;Du,Y.G.;Zhang,J.H.Chem.J.Chin.Univ.,2004,25:1711[杨秋景,徐自力,谢超,薛宝永,杜尧国,张家骅.高等学校化学学报,2004,25:1711] 12Huang,C.Y.;You,W.S.;Dang,L.Q.;Lei,Z.B.;Zhen,G.;Zhang,L.C.Chin.J.Catal.,2006,27:203[黄翠英,由万胜,党利琴,雷志斌,振刚,张澜萃.催化学报,2006,27:203]13Zhang,L.;Ren,Y.J.;Cai,S.M.Electrochemistry,2002,8:27 [张莉,任焱杰,蔡生民.电化学,2002,8:27]14Yang,S.M.;Wang,Z.S.;Huang,C.H.Synth.Met.,2001,123: 26715Yang,S.M.;Huang,C.H.;Zhai,J.;Wang,Z.S.;Jiang,L.J.Mater.Chem.,2002,12:145916Nazeeruddin,M.K.;Kay,A.;Gratzel,M.J.Am.Chem.Soc.,1993, 115:638217Jung,H.S.;Lee,J.K.;Nastasi,M.;Lee,S.W.;Kim,J.Y.;Park,J.S.;Hong,K.S.;Shin,ngmuir,2005,21:1033218Cheng,P.;Deng,C.S.;Dai,X.M.;Li,B.;Liu,D.N.;Xu,J.M.J.Photochem.Photobio.A-Chem.,2008,195:14419Hodes,G.;Howell,I.D.J.;Peter,L.M.J.Electrochem.Soc., 1992,139:313620Segui,J.;Hotchandani,S.;Baddou,D.;Leblanc,R.J.Phys.Chem., 1991,95:880721Donoan,K.J.;Sudiwala,R.V.;Wilson,E.G.Mol.Cryst.Liq.Cryst.,1991,194:3371224。
配位化学课程考试题
配位化学课程考试题-开卷姓名:学号:问题一（14分）Alq3和BAlq是典型的重要电子传输材料，结构式如下图:1.相对于Alq3 BAlq具有较好的空穴阻挡性能，请给出它们的HOMO、LUMO能级值，并说明BAlq为什么具有较佳的空穴阻挡性能？（4分）Alq3的HOMO能级值为-5.8eV, LUMO能级值为-3.1eV；BAlq 的HOMO 能级值为-5.57eV, LUMO 能级值为-2.58eV。
因为BAlq的LUMO能级值比较低，不利于空穴的注入，所以具有较佳的空穴阻挡性能。
2. Alq3作为电子传输层，通常和LiF/Al双层阴极一起使用，请尝试说明原因（譬如从界面化学反应角度）？（2分）在Alq3 LiF、Al共存的情况下，LiF发生分解，li原子和Alq3原子发生反应生成Alq3阴离子不变，这个阴离子自由基在Alq3de能隙中形成一个新的能态，从而有利于电子的注入。
3.相对于常用的空穴阻挡材料BCP、TPBI，BAlq在电致发光器件中显示出很好的长期稳定性。
请给出BCP、TPBI的分子结构式以及BCP、TPBI、BAlq可能的T （玻璃化转变温度）。
（5分）g分子结构式:BCP 、TPBI 、BAlq 可能的 T g 分别为：80℃、100℃、200℃ 4 .给出BCP 、TPBI 、Alq 3电子迁移率大小顺序。
（3分）问题二（34分）有机磷光金属配合物及电致磷光器件是当前有机电致发光研究领域的热点之一：1 说明基于磷光材料的电致发光器件的内量子效率，理论上，能够达到100%。
（4分） 再临光器件的发光层，主发光体的单重激发态与三重激发态的能量都可以分别由Foster 能 量转移和Dexter 能量转移到磷光发光体的单重激发态和三重激发态中，再经由磷光发 光体内部快速的系间窜越将单重激发态的能量转换到三重激发态，进而放出磷光，因 而内部量子效率可接近100%。
2 假定电致磷光器件的外量子为100%,通常情况下，外量子效率为多少？为什么？ （4分）？试分析提高外量子效率的途径？（4分）p3151发光层具有较高的光致发光的效率2磷光材料（磷光材料可以通过采用重原子效应、降低体系温度和向体系内引入顺磁分子的 方法提高量子产率）3在发光层内，实现电荷以及激子限制4提高发射光耦合出射效率3 以非离子、分子型电致磷光铱配合物为例，当前，蓝、天蓝、绿、黄、红、近红外发光材料都已报道。
染料敏化太阳能电池双层结构光阳极研究进展
染料敏化太阳能电池双层结构光阳极研究进展王敏;白静怡【摘要】Dye-sensitized solar cells have attracted more and more attention from researchers all over the world, owing to their simple preparation technology,well practical application prospect,relatively low production cost and high conversion efficiency.First,the structure and working principles of dye-sensitized solar cells are de-scribed.Then the research status of its individual component is summarized,including electrolyte,dye-sensiti-zer,counter electrode and photoanode.The main development histories of TiO2/CeO2 composite photoanode are expounded emphatically.The characteristic properties of the materials for double-layered photoanode which in-fluence the performance of the solar cells was thoroughly investigated,such as the light-scattering effect,up-conversion luminescent effect,specific surface area,spectral response capability,and charge transfer efficiency. Finally,the future developing trends of dye-sensitized solar cells is put forward.%染料敏化太阳能电池(DSSCs)因为其制备工艺简单、实用化前景好、成本低、转换效率高等优点而受到广泛关注.简要介绍了染料敏化太阳能电池结构和工作原理,并从电解质、染料敏化剂、对电极和光阳极等方面综述了其各组成部分的研究现状.重点以TiO2/CeO2复合光阳极为例,阐述了染料敏化太阳能电池光阳极薄膜材料的发展历程,总结了双层结构薄膜材料的光散射效应、上转换性质、比表面积、光响应能力以及电子传输性能对整个电池性能优化的影响,并对未来染料敏化太阳能电池研究方向和前景进行了展望.【期刊名称】《功能材料》【年(卷),期】2018(049)005【总页数】9页(P5061-5069)【关键词】染料敏化太阳能电池;双层结构;薄膜材料;二氧化钛;性能【作者】王敏;白静怡【作者单位】扬州大学广陵学院化工与医药系,江苏扬州225009;扬州大学化学化工学院,江苏扬州225002【正文语种】中文【中图分类】TM9140 引言能源是人类社会赖以生存和发展的重要物质保障，是国民经济和社会发展的基础。
共吸附剂修饰TiO_2薄膜电极
Ａｂ ｔ ａ ｔ Ａ Ｏ ａ ｓ ｂ ｔ ｄ ｆ ｄ ｎ ｎ ｃ ｙ ｔ ｌｎ Ｏ２ ｈ ｎ ｆ ｍ ｌ ｃ ｒ ｄ ｓ ｓ ｕ ｉ ｄ ｆ ｒａ ｐ ｉａ ｉ ｎ ｉ ｓ ｒｃ： Ｃ — ｄ ｏｒ ｅｎ ｓ ｍｏ ｉ ｅ ａ ｏ ｒ ｓ ａ ｌ ｅ Ｔｉ ｉ － ｉ ｉ ｔ ¨ ｅ ｅ ｔｏ ｅ ｗａ ｔ ｄ ｅ ｏ ｐ ｌ ｔ ｎ ｃ ｏ
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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）
多孔TiO_2薄膜电极的制备及光电性能
Ｖｏ ． ． １ ７ Ｎｏ ２
Ｊ ｎ２ １ ｕ ． ００
文 章 编 号 ：６ ２ ９ ３ （０ ＯＯ 一Ｏ ７ 一Ｏ １ ７ － ３ １ ２ １ ）２ Ｏ ６ ５
多孔 ＴＯ 薄膜 电极 的 制备及 光 电性 能 ｉ２
霞 石德 晖 ，周 艺 ，李 宏 ，党铭 铭 ，吕彩
（ 沙 理 工 大 学 化 学 与 生 物 工 程学 院 ， 南 长沙 长 湖 ４０ ０ ） １０ ４
ｗｅ ｅ ｕ ｅ ｏ ｃ ｒ ｃ ｅ ｉｅ ｔ ｔ ｕｃ ｕ ｅ ｎ ｏｐｅ ｔｅ ｆｔ ｉｍ ｓ Ｔｈｅ ａ — ｒ ｄｕ ｅ ｉｍｓ ｒ ｓ ｄ ｔ ｈａ ａ ｔ ｒｚ ｈｅ ｓ ｒ ｔ ｒ ｓ ａ ｄ ｐｒ ｒ ｉｓ ｏ ｈｅ ｆｌ ． ｓ ｐ ｏ ｃ ｄ ｆｌ ｗｅ ｅ ｕｓ ｄ ａ ｌ ｃ ｒ ｄｅ ｉ ｙｅ ｓ ｎ ｉｉｅ ｏ ａ ｅｌ ｔ ａ ｄ ｃ ｔ ｕ ｔ ｒ ｒ ｅ ｓ ｅ ｅ ｔ ｏ ｎ ｄ － ｅ ｓｔｚ ｄ ｓ ｌ ｒｃ ｌｓｗｉｈ ａ ｓ ｎ ｗｉｈ ｓ ｒ ｃ ｕ ｅ，ａ ｈｅ ｐｈ — ｎｄ ｔ ｏ
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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。
博士论文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。
TiO2太阳能染料敏化电池
封装技术
采用有效的封装技术，保护电池内部结构免受环境因素（如湿度、 氧气）的影响，延长电池的使用寿命。
降低制造成本
01
简化制备工艺
通过优化制备工艺和降低对高精度制造设备的依赖，降低电池制造成本。
02
开发低成本材料
生物检测
二氧化钛染料敏化电池还可以用于检测生物分子，如蛋白 质、DNA等，有助于生物医学研究和疾病诊断。
实时监测
二氧化钛染料敏化电池具有快速响应和实时监测的特点， 能够及时发出警报或反馈信息，提高监测的准确性和可靠 性。
06 电池的未来发展与挑战
提高光电转换效率
研发新型染料
通过研发具有更高能级和更长寿命的新型染料，提高光吸收效率 和电荷分离效率，从而提高光电转换效率。
寻找低成本、高效率的替代材料，如开发新型光阳极、电解质和染料等，
降低电池的整体成本。
03
规模化生产
通过提高生产效率和规模化生产，降低单位产品的成本。同时，推广应
用和市场开发也有助于分摊制造成本，进一步降低消费者购买成本。
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THANKS
02
良好的机械性能
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良好的电绝缘性
二氧化钛具有较高的硬度、抗压 强度和抗磨损性，能够承受电池 工作过程中的机械压力。
二氧化钛是一种优秀的电绝缘材 料，具有较高的电阻率和介电常 数。
化学特性
氧化还原能力
二氧化钛具有较好的氧化还原能力，能够与染料分子 发生氧化还原反应，实现电荷的传递。
酸碱耐受性
二氧化钛可以在酸性或碱性环境中使用，具有良好的 酸碱耐受性。
，维持电池的正常工作。
染料敏化太阳能电池的概述
染料敏化太阳能电池的概述染料敏化太阳能电池（Dye Sensitized Solar Cells，简称DSSC）全称为“染料敏化纳米薄膜太阳能电池”，由瑞士洛桑高等理工学院（EPFL）Gratzel教授于1991年取得突破性进展，立即受到国际上广泛的关注和重视，DSSC主要是指以染料敏化多孔纳米结构TiO2薄膜为光阳极的一类半导体光电化学电池，另外也有用ZnO、SnO2等作为TiO2薄膜替代材料的光电化学电池。
1.1染料敏化太阳能电池优点它是仿照植物叶绿素光合作用原理的一种太阳能电池。
由于染料敏化太阳能电池中使用了有机染料，其功能就如同树叶中的叶绿素，在太阳光的照射下，易产生光生电子，而纳晶TiO2薄膜就相当于磷酸类脂膜，因此我们形象的把这种太阳能电池称为人造树叶。
DSSC 与传统的太阳电池相比有以下一些优势：（1）寿命长：使用寿命可达15-20年；（2）结构简单、易于制造，生产工艺简单，易于大规模工业化生产；（3）制备电池耗能较少，能源回收周期短；（4）生产成本较低，仅为硅太阳能电池的1/5～1/10，预计每瓦的电池成本在10元以内；（5）生产过程中无毒无污染；纳米晶染料敏化太阳能电池有着十分广阔的产业化前景和应用前景，相信在不久的将来，DSSC将会走进我们的生活。
因此吸引了各国众多科学家与企业大力进行研究和开发，近年来获得了飞速发展。
1.2染料敏化太阳能电池（DSSC）的結构组成染料敏化太阳能电池包括四部分：纳米氧化物半导体多孔膜（TiO2，ZnO），含有氧化还原电对的电解液（I-/I3-），作为敏化剂的染料（如N719/N3）以及对电极（如Pt）。
除此之外DSSC还需要衬底材料，通常为氟掺杂的氧化锡导电玻璃（FTO导电玻璃）。
该实验中，纳米氧化物半导体多孔膜为ZnO，敏化剂用N719染料。
（1）FTO透明导电玻璃FTO导电玻璃为掺杂氟的SnO2透明导电玻璃（SnO2：F），简称为FTO。
FTO玻璃被作为ITO导电玻璃的替换用品被开发利用，可被广泛用于液晶显示屏，它是染料敏化太阳能电池的TiO2/ZnO薄膜的载体，同时也是光阳极电子的传导器和对电极上电子的传导器和对电极上电子的收集器。
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。
一种柔性染料敏化太阳能电池的初步研究
等 氧化 物半 导体 。这些 氧 化物 半导体 可 以与 敏 化 染料 分子 中 的羧基形 成 酯键 ，有利 于光 诱 导
电子 转 移 。其 中 ， ＴＯ２ 一 种廉 价 、无 毒 、稳 定 ｉ 是
１ ＤＳ Ｃ 太 阳 能 电池 的基 本 原 理 Ｓ
ＤＳ Ｃ太 阳能 电 池 主 要 由染 料 敏 化 半 导 体 膜 Ｓ （ 阳极） 光 、镀 铂 对 电极 （ 阴极 ） 氧 化 还 原 电解 光 和
．
Ｓ ｈ ｏ ｆＭ ａ ｈ ｍａ ｉ ｓ ａ ｄ Ｐｈ ｓｃ ，Ｓ ｚ ｏ ｉ ｅ ｓｔ ｏ ｃｅ ｃ ｎ ｅ ｈ ｏ ｏ ｙ ｕ ｈ ｕ １ ０ ９ ｈ ｎ ； ｃ ｏ ｌ ｔ ｅ ｔｃ ｎ ｙ ｉ ｓ ｕ ｈ ｕ Ｕｎ ｖ ｒ ｉ ｏ ｙ ｆＳ ｉｎ ｅ ａ ｄ Ｔ ｃ ｎ ｌｇ ，Ｓ ｚ ｏ ２ ５ ０ ，Ｃ ｉ ａ
生 ； （） ２离 子 扩 散 到 对 电极 （ Ｅ 上 ，得 到 电 ５Ｉ Ｃ ）
Ｓ ｌ ｅ ， ＳＣ 。 Ｄ Ｓ ｏｒ ｌＤ Ｓ ） ａＣ ｌ Ｓ Ｃ太 阳 能 电池 的优 点 十 分 突出 ［ ６： （） ４ ］ １ 制作简单 ，成本低 ； （） － ２ 所使
用 的 染 料 敏 化 剂 可 以 在 很 低 的 光 能 量 下 达 到 饱 和 ，因 此 可 在 各 种 光 照 条 件 下 使 用 ； （） 以在 ３可 很 宽 的温 度 范 围 内正 常 工 作 ； （） 以 制 成 透 明 ４可
２ Ｄ ｐ ｒ ｎ ｆ ｉ ｇｕ ｅ ａ ｏ ｔｒ ｆ ｈ ｉ ｓ Ｓ ｏｈ ｗ Ｕ ｉｅ ｉ ｕｈ ｕ ２５０， ｈ ａ ． ｅａｔ ｔ Ｊ ｎｓ ｙＬ ｂｒ ｏｙｏ Ｔ ｍ Ｆｌ ， ｏｃｏ ｎｖ ｓｙ Ｓ ｚｏ １０６ Ｃ ｉ ） ｍｅ ｏ ａ Ｋ ａ ｍ ｒｔ ｎ Ａｂ ｔａ ｔ Ｃ ｍ ａｅ ｉ ｅ ｏ ｅｃ ｌｉ ｏ ｌ ｌ，ｈ ｙ－ ｎｉｚｄ ｏ ｒ ｅｓ（Ｓ Ｃ ｈｖ ｓｒ ｃ： ｏ ｐ ｒｄ ｔ ｔ ｍｍ ｒｉ ｌ ｎ ｏ ｒ ｅｓｔｅ ｅ ｅｓ ｉ ｌ ｌ Ｄ Ｓ ） ａｅ ｗ ｈｈ ｃ ａｓｉ ｓ ａ ｃ ｌ ｃ Ｄ ｓ ｔｅ Ｓ ａ Ｃ ｌ
染料敏化太阳电池的结构汇总
染料敏化太阳电池的结构汇总染料敏化太阳电池的基本结构主要包括电极、染料敏化层、电解质和对电极。
电极通常分为阳极和阴极两部分，阳极是含有导电氧化物的透明导电玻璃基底，如二氧化锡（SnO2）或二氧化钛（TiO2）。
阴极通常是金属电极，有时还会使用碳电极。
1.阳极（导电玻璃基底）阳极是染料敏化太阳电池的重要组成部分，它主要由透明导电氧化物制成，如SnO2、TiO2或ZnO。
这些透明导电材料具有良好的电导性和光透过性，能有效促进电荷的传递和收集。
阳极的透明导电玻璃基底可使用常见的玻璃材料，如ITO（Indium Tin Oxide）或FTO（Fluorine-doped Tin Oxide）。
2.染料敏化层染料敏化层是染料敏化太阳电池的核心部分，它起到吸收光能量、产生电子和空穴对的分离以及电荷传递的作用。
染料敏化层通常由银镜电极、染料分子和电子传导物质组成。
银镜电极用于反射未被吸收的光线，提高光吸收效率。
染料分子是吸收光能量的关键因素，能够将光能转化为电子激发。
常见的染料分子有硫代基、噻吩染料和有机染料等。
电子传导物质（例如纳米晶片状二氧化钛）用于将染料分子吸收的光激发的电子输运至阳极。
3.电解质电解质是染料敏化太阳电池中起到电荷传递作用的重要组成部分。
电解质一般是一种液体或半固态物质，常用的电解质有有机液体电解质和无机固态电解质两种。
有机液体电解质中常用的是碘/碘离子（I3^-/I^-）体系，无机固态电解质中常用的是针状锂离子导体（Li^+/TiO2）体系。
4.对电极综上所述，染料敏化太阳电池结构主要包括阳极、染料敏化层、电解质和对电极等部分。
这些结构的协同工作使得染料敏化太阳电池能够实现光能向电能的高效转换。
随着研究的不断深入，染料敏化太阳电池的结构也在不断优化，以提高其光电转换效率和稳定性，使其在可再生能源领域有更为广泛的应用前景。
天然染料敏化TiO2太阳能电池的制备及光电性能测试实验报告
天然染料敏化TiO2太阳能电池的制备及光电性能测试一、实验目的太阳能电池的工作原理及性能特点。
1.了解染料敏化纳米TiO22.掌握合成纳米TiO溶胶的方法、染料敏化太阳能电池光阳极的制备方法2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、实验原理一、DSSC结构和工作原理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:(l) 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。
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１ 引 言
染 料敏 化太 阳能 电池 （ Ｓ ｓ 与 硅及 Ｇａ 、ｎ ＤＳ Ｃ ） Ａｓ ＩＰ、 Ｃ Ｓ等无 机薄 膜太 阳能 电池相 比， ｄ 制作 工 艺简 单 、 价格 低廉 ， 成为科 研工作 者竞 相研 究 的热 门课 题 ＿ ｊ １ 。染料
敏 化 太 阳 能 电 池 主 要 由有 机 染 料 敏 化 的 Ｔｉ 电极 、 Ｏ 载 铂 对 电极 和 含 有 ＫＩ 或 Ｉ Ｉ 和 Ｉ （ ） 的 电 解 液 ３部 分 组 ｉ
种 电解液 体 系研 究 薄膜 电极 的 离 子扩 散 过程 ， 其组 成 分别 为 ：１ （ ）采用 丙烯碳 酸酯 （ Ｃ） 乙烯 碳酸 酯 （ Ｃ） Ｐ ＋ Ｅ
（ （ ＥＣ）：Ｖ（ ＰＣ）一 １：１ ／ ． ｍｏ／ Ｉ Ｏ １ ｌＬ ） ｏ １ ｌＬ Ｌｉ／ Ｏ ｍｏ／
Ｉ；（ ）聚 氧 乙 烯 （ 子 量 分 ： ０ 、 ０ ２ 分 ２ ０ ４ ０或 ６ ０ ／ ． ０ ）ｏ４
一
分 子不稳定 ， 放 电子 ， 为带 正 电荷 的 染 料 离 子 ， 释 成 染
料 释 放 的 电 子 会 迁 移 到 能 带 较 低 的 Ｔｉ 导 带 中 ， 过 Ｏ 通
外 电路形成 光 电 流 ， 电 池 内部 ， 料 正 离 子 被 Ｉ 离 在 染 子还 原 ， Ｉ 被 氧化 为 Ｉ 生成 的 Ｉ 通 过 扩散 ， 移 而 ， 迁 到载 铂 对 电极 并 还 原 为 Ｉ 生 成 的 Ｉ 一， ～离 子 扩 散 到 ＴＯ ｉ 。电极 ， 成整个 循环 。可以看 出 ，～和 Ｉ 的扩散 完 Ｉ 过程在 电池 的工作 中起着 重要 的作用 ｌ 。在准 固态染 ２ ］ 料敏化太 阳能 电池 中 ， 电解质 在 Ｔ Ｏ。 ｉ 电极 中的渗透 及
Ｉ 离子 的扩散 性能较 差 ， 因此 电 池 的 光 电 性 能 与 液 态
（ ） 示 。 电压 扫描 范 围 为 Ｉ 表
１ ０ ． Ｖ， ． ～１ ０ 扫描 速率 为 １ ｍＶ／ 。稳 态循 环伏 安测 ０ ｓ
Байду номын сангаас
现 球 形 孔 隙 的 引入 提 高 了 电 池 在 高 光 强 下 的 光 电 转 换
性能 。
（ Ｓ 小球 做造 孔 剂 ， 入 量 为 １ （ Ｐ） 加 ５ 质量 分 数 ） 加 入 ， 到 Ｔｉ 胶体 溶 液 中 ， 过超 声 分 散 均匀 后 ， 上 述 同 Ｏ 经 用 样 方法制 备含 有球 形 孔 隙结 构 的 Ｔｉ 薄 膜 电极 。采 Ｏ
加入 到 ｐ Ｈ一 ２的 醋 酸 水 溶 液 中 ， 高 压 釜 水 热 处 理 后 经
得 到 纳米 Ｔ Ｏ ｉ 胶 体 溶 液 。将 Ｔ ｏ ｉ 胶 体 溶 液 在 旋 转 蒸 发 器 中蒸 发 至 Ｔ Ｏ。含 量 为 １ ～ ２ （ 量 分 ｉ ４ ０ 质
薄膜 孔 隙 中， 离子 的扩散 速 度 急剧 下 降。 为提 高 薄 Ｉ 膜 中的 离子 扩散 速率 ， 用聚苯 乙烯微球 在 Ｔ ｏｚ 膜 利 ｉ 薄
李 胜 军 等 ： 料 敏 化 太 阳 电池 Ｔｉ 薄膜 电极 中离 子 扩 散 性 能 及 其 影 响研 究 染 Ｏ
２３ １１
染 料敏 化 太 阳 电池 Ｔｉ 薄 膜 电极 中离 子 扩 散 性 能 及 其 影 响研 究 Ｏ２
李胜 军 。 陈 增 林 原 ， ，
（． １ 河南 大学 物理 与 电子学 院 ， 南省光 伏材 料重 点实验 室 ， 河 河南 开封 ４ ５ ０ ； ７ ０ ４ ２ 中国科 学 院化学 研究 所 ， 京分 子科 学 国家实验 室 ， ． 北 光化学 重点 实验 室 ， 京 １ ０ ９ ） 北 ０ １ ０ 摘 要 ： 采 用薄层 电池 结构测 量 Ｉ 在 染料敏 化 太 阳 电池 Ｔ Ｏ ｉ 薄膜 电极 中的扩 散 性 能 ， 究表 明在 Ｔｉ ： 研 Ｏ
中 引入 球 形 孔 隙 ， 过 不 同光 强 下 短 路 光 电 流 研 究 ， 通 发
数） 。采用 刮涂法 将 Ｔｉ 胶体 涂 敷 在 Ｓ Ｏ Ｏ ｎ 导 电玻 璃 基 底上 ， 在 高 温 ４ ０ 并 ５ ℃条 件 下 烧结 ３ ｒｉ ， 到 纳 晶 ０ ｎ得 ａ
多 孔 Ｔ Ｏ。 膜 电 极 。 以 自制 的 不 同 粒 径 的 聚 苯 乙 烯 ｉ 薄
文献标 识 码 ： Ａ 扩 散 ： 苯 乙 烯 微 球 聚
关 键 词 ： 染 料 敏 化 太 阳 能 电池 ； 晶 Ｔｉ 薄 膜 ； 子 纳 Ｏ 离 中 图 分 类 号 ： Ｔ ９ ４ ４ Ｍ １． ２
用 扫描 电镜 对薄膜 电极 的表 面形貌 进行 表征 。采 用 两
文 章 编 号 ：Ｏ １９ ３ （０ ０ １— １ １０ １ Ｏ －７ １ ２ １ ）２２ ３ —３
ｍｏ／ Ｉ０ ０ ｍｏ／ ２ ｌ Ｌ Ｉｉ ． ４ ｌＬ Ｉ 。 ／
Ｉ 离 子极 限扩 散 电流 的测量 ： 在氯 铂 酸 的水溶 液 （ ０ ／ 中 ， 入一 定 量 的聚 乙烯 醇 制备 氯 铂酸 胶 ４ ｍｇ ｍＩ ） 加
成 。在染 料 敏化太 阳能 电池 工作 时 ， 阳光 首 先 把 吸 太
附 在 Ｔｉ 电 极 上 的 有 机 染 料 激 发 ， 于 激 发 态 的 染 料 Ｏ 处
体 。然后 用涂敷 法 将 氯 铂酸 胶 体 涂 在 导 电玻 璃 上 ， 室 温 晾干后 ， ３ ０ 在 ９ ℃下烧 结 ， 备 载铂 电极 。将 制备 的 制
Ｔｉ 体溶 液涂 敷在 载 铂 电极 上 ，５ ℃烧结 ３ ｒｉ， Ｏ 胶 ４０ ０ ｎ ａ 得 到底 层 载铂 的 Ｔｉ 。 作 电极 ， Ｏ 工 以无 Ｔ Ｏ。 ｉ 涂层 的载 铂 电极 作对 电极 。采 用 三 明治 夹 层 电 池结 构 ¨ （ 图 ７ 见 １ 进行循 环伏 安 测 量 ， 测 量 Ｉ 离 子 在 Ｔ Ｏ。 膜 中 ） 来 ｉ 薄 的极 限扩 散 电流 ， 用