染料敏化太阳能电池

新能源课程

染料敏化太阳能电池（DSSC）装置的制作教学实验报告

电气01 王平09041020

4/22 Monday

《染料敏化太阳能电池（DSSC）装置的制作》教学实验

一、研究背景：

随着工业发展和技术进步，人类对能源的需求与日俱增。因此开发新的绿色能源，减少对环境的冲击影响，是迫切需要研究的课题。绿色能源种类很多，本实验将针对染料敏化太阳能电池（DSSC）进行实验制作，以了解其设计原理及机制。

二、实验目的：

了解染料敏化太阳能电池（DSSC）发电原理，掌握DSSC基本制作方法和的电池性能测定；理解决定DSSC性能的材料方面的影响因素，实验比较不同燃料、不同光线对电池性能的效果。

三、实验技能：

学习研磨制样、材料的选择、万用电表的使用、涂布coating及组装、测试太阳能电池。

四、工作原理：

本实验所制备的染料敏化太阳能电池（DSSC），是一个电化学反应过程装置。由正极、负极、电解质液组成。其中正极为涂布有石墨的导电玻璃；负极为涂布有二氧化钛的导电玻璃；二氧化钛为多孔纳米结构，吸附有染料或光敏剂；电解液为含碘化合物，能够产生I2/I-,被填充在正、负极之间。

DSSC太阳能电池是由一系列电子传递过程完成光能-电能转换的。当光线照在负极侧，染料吸收光能发生电子跃迁，染料被氧化，电子经二氧化钛半导体传导，流动到负极的导电玻璃片进入外电路；电子到达正极后，电解液中的I2/I-氧化还原作用使得染料被还原到原始状态。这样构成电子回路，产生电。

五、实验准备：

1.材料：

A．导电玻璃：具有高透过率、导电率，如ITO、FTO

B．正极：导电能力强、有一定催化活性，如炭、铂

C．二氧化钛：具有催化能力，高活性、比表面积大、分散均匀

D．染料：具有吸光产生电子跃迁的有机材料。

天然光敏剂：价格便宜，性能不优化。如自然界中的叶绿素、叶红素，水果榨

汁等

合成染料：价格贵，性能优化。如N3、N749等

图相对太阳光强度（灰线）与叶绿素（黑线）的吸收光谱

E．电解液：

注：高效率的DSSC需要：a.高比表面积TiO2电极；b.具有适当电位、低禁带的染料；c.高催化能力的正极；d.快速氧化还原能力的电解质；e.宽工作电压的溶剂

2.仪器设备：

电子天平、玛瑙研钵、药匙、微量吸管、透明导电玻璃、滤纸、镊子、万用电表、胶带、剪刀、直尺、塑胶滴管、玻璃棒、瓷坩埚、高温电炉、坩埚钳、隔热板、玻

璃培养皿、2b铅笔、燕尾夹、标准光源箱、白炽灯、乳胶手套、纸巾。

六、实验流程：

1.配置稀硝酸溶液吸取20ul浓硝酸（15m），配成0.001m稀硝酸300ml；

2.称取1g二氧化钛，放入玛瑙研钵中，滴加10滴稀硝酸，研磨均匀，再重复滴加-

研磨（共加入约50滴稀硝酸），制得二氧化钛胶体溶液；

3.用95%乙醇清洗导电玻璃表面，滤纸吸干后，万用电表测出导电面；（注意：镊子

拿取导电玻璃或手拿玻璃边缘，不能碰触玻璃表面）

4.保持导电玻璃面向上，用胶带将玻璃三遍贴住，覆盖3~4mm并固定再桌面，胶带

尽量保持平行；

5.在玻璃间隙处滴上研磨好的二氧化钛胶体溶液，用玻璃棒平行轻推，使得胶体溶液

均匀地涂布在玻璃表面；（注意：玻璃棒表面应清洁、干净、无凸起，着力应均匀缓慢，以免刮破胶带）

6.揭去胶带，将涂布好的玻璃片在空气（或低温炉）中晾干后，置于坩埚中再高温炉

中以450℃处理20-30min。

7.配置染料溶液，N3染料0.0223g溶入到20ml乙醇中。（注：天然染料液由天然染料

加水或乙醇研磨后，过滤分离。）

8.取出玻璃片，放在隔热板上冷却后，将玻璃片浸于盛有染料的培养皿中30min。小

心地将玻璃片取出，用水冲洗后再用乙醇冲洗，然后滤纸拭干，为负极待用。9.取另一片导电玻璃，用蜡烛火焰将导电面涂一层薄碳，然后置于坩埚中450℃处理

5min。取出冷却后，用乙醇冲洗，滤纸拭干，为正极待用。

10.配置碘电解液（0.5m KI/0.05m I2的无水乙二醇溶液）（注意：由于碘与淀粉或蛋白

反应，注意防护皮肤接触）

11.将正极负极相对（石墨层与二氧化钛层接触），并且两片玻璃略微错开，作为电极

连接点。

12.玻璃另两边末端用两个燕尾夹夹紧固定，然后从接缝处滴入少量电解液。

13.连接电极连接点与测试设备，直接测量电压、电流数据。比较不同光照、光照距离

等条件下太阳能电池的效能。

思考：

决定DSSC性能的因素有哪些？

1.TiO2结构

TiO2 是一种价廉、无毒、稳定且抗腐蚀性能良好的半导体材料,它的吸收范围在紫外区,因此须进行敏化处理。为了提高光捕获效率和量子效率,可以将半导体二氧化钛纳米化、多孔化、薄膜化。这样的结构使TiO2 具有高比表面积,使其能吸附更多的单层染料分子,只有紧密吸附在半导体表面的单层染料分子才能产生有效的敏化效率。另外,这种结构的电极,其表面粗糙度大,太阳光在粗糙表面内多次反射,可被染料分子反复吸收,从而大大提高太阳光的利用率。

TiO2纳米晶电极微结构，如粒径、气孔率对太阳能电池的光电转换效率有非常大的影响。首先,太阳能电池所产生的电流与TiO2 电极所吸附的染料分子数直接相关。一般来说,表面积越大,吸附的染料分子越多,因而光生电流也就越强。另一方面,TiO2 粒径越小,它的比表面积越大,此时电极的孔径将随之变小。在低光强照射下,传质动力学速度能够满足染料的再生,在此条件下孔径大小对光电性质影响不大;而在强光照射下,传质动力学速度一般不再能够满足染料的再生,此时孔径大小对光电性质的影响较大。造成这些结果的主要原因是,小孔吸附染料后,剩余的空间很小,电解质在其中扩散的速度将大大降低,因此电流产生效率也将下降。所以,如何选择合适大小的半导体粒度对电极的光电性质影响很大。

2.制约染料敏化太阳能电池光电转化效率的一个因素就是光电压过低

这主要是由电极表面存在的电荷复合造成的。因为纳米晶半导体中缺少空间电荷层,同时存在大量的表面态,导带中的电子很容易被表面态陷阱俘获,大大增加了与氧化态电解质复合的几率。因此,如何降低电荷复合就成为改善光电转换效率的关键。

在电解质中加入一定电荷复合抑制剂也可提高电池的性能,如吸附了染料的TiO2电极在4－叔丁基吡啶中浸泡后,4-叔丁基吡啶通过吡啶氮与TiO2表面剩余氧空位配位结合,可阻止TiO2表面光生电子与I3-的复合,通过4-叔丁基吡啶的处理,电池的开路光电压和填充因子可分别提高74%和31%,总光电转化效率也为未处理电极的2倍。

目前有很多研究对电极表面修饰后,能使光电性能明显提高。其一，通过导电材料的复合，降低TiO2多孔薄膜的电导率，进而使太阳电池的性能提高。其二，通过其他半导体材料的复合，改变复合材料的能带，即使电子跃迁时所克服的能量变小。实验结果表明，能有效提高电池的开路电压。

3.电解质

电解质的组成及溶剂配方对太阳能电池的影响很大。电解质中还原剂必须能迅速地还原染料正离子，而自身还原电位要低于电池电位。电解质可分为液体电解质与固体电解质，液体电解质电池的转化效率较高，典型的液体电解质为LiI和Ｉ2 的乙睛溶液。但是液态电解质存在以下缺点：

（１）液态电解质导致TiO2表面的染料脱附，影响电池的稳定性；

（２）溶剂可能与敏化染料作用导致染料发生光降解；