染料敏化太阳电池光电能量转换效率的测定实验报告

染料敏化太阳电池光电能量转换效率的测定

一、实验目的

1.了解染料敏化太阳电池的基本工作原理，学习CHI630电化学工作

站的基本功能和调谐方法(或恒电位仪测量光电流的方法)；

2.了解染料敏化太阳电池的基本结构，测定方法；

3.掌握利用I-V曲线计算染料敏化太阳电池的能量转换效率

二、实验原理

太阳能的利用是一个永恒的课题。染料敏化纳米晶光电化学电

池以其低成本和高效率而成为硅太阳能电池的有力竞争者。

染料敏化太阳电池是由透明导电玻璃、TiO2多孔纳米膜、电解质

溶液以及镀铂镜对电极构成的“三明治”式结构。

图1 染料敏化太阳电池的结构示意图

与p-n结固态太阳能电池不同的是，在染料敏化太阳电池中光

的吸收和光生电荷的分离是分开的。图2是染料敏化太阳电池的能

级分布和工作原理图。

图2 染料敏化纳米晶太阳能电池的工作原理Ecb半导体的导带边;Evb半导体的价带边; D’,D’’分别是染料的基态和激发态; I-,I-

是氧化还原电解质。对电极表面镀一层金属铂

3

上图表示在光照射太阳电池后,电池内的电子直接转移过程。(1)染料分子的激发。(2)染料分子中激发态的电子注入到TiO2的导带,CB和VB 分别表示TiO2的导带底和价带顶。从图中可以看出染料分子的能带最好与TiO2的能带重叠,这有利于电的注入。(3)染料分子通过接受来自电子

供体-

I的电子,得以再生。(4)注入到TiO2导带中的电子与氧化态染料之3

间的复合,此过程会减少流入到外电路中电子的数量,降低电池的光电流。(5)注入到TiO2导带中的电子通过TiO2网格,传输TiO2膜与导电玻璃的接触面后流入到外电路,产生光电流。(6)在TiO2中传输的电子与-

I间

3

的复合反应。(7) -

I离子扩散到对电极被还原再生,完成外电路中电流循

3

环。

太阳能电池的性能测试系统主要分为五部分，分别为光源，透镜，电池器件，电化学工作站(恒电位仪)，计算机，通过对太阳能电池光照下的电流/电压曲线的分析，来测试染料敏化TiO2纳米晶光电化学电池的

光电压，光电流，光电转换效率等性能。

衡量光电化学太阳能电池的性能主要有五个评价参数：短路光电流(I SC )、开路光电压(V OC )、填充因子(FF)、入射光子到电子的转换效率(IPCE)和能量转换效率(η)。(1) 短路光电流(I SC )：太阳能电池在短路条件下的工作电流。此时，电池输出的电压为零。(2) 开路光电压(V OC )：太阳能电池在开路条件下的输出电压。此时，电池的输出电流为零。(3) 填充因子(FF)：填充因子定义为：FF= Pmax / I SC V OC 。

(4) 能量转换效率(η)：定义为太阳能电池的最大功率输出与入射太阳光的能量(P light )之比。

P

V I FF P

P light

oc sc light

⨯⨯==max

η

三、 仪器装置和样品

1. 染料敏化的纳米晶太阳电池（未注入电解液）

2. 微量进样器

3. 标准电解液：0.1 mol/L LiI ， 0.05mol/L I 2 ，0.5 mol/L 4－叔丁基吡啶（溶剂为体积比为1：1的PC 和乙氰的混合物）

4. 恒电位仪，三电极体系（工作电极，参比电极，对电极）

5. 辐照计（FZ-A 型）

6. 氙灯光源（功率500W ）

7. 光学导轨及透镜 四、 实验步骤

1. 调节光路：打开氙灯光源，将辐照计固定在导轨上。调节辐照计

的相对距离，使辐照强度达到100mW/cm 2并固定位置。

2. 打开恒电位仪和计算机电源，屏幕显示清晰后，再打开恒电位仪测量窗口。

3. 使用微量进样器抽取一定量的标准电解液，并将标准电解液沿缝隙边缘灌注至染料敏化纳米晶太阳电池中。将工作电极夹在电池的照光一端，参比电极和对电极夹在另一端。固定在步骤1中所述位置。

4. 使用恒电位仪测量太阳电池的I-V 曲线。

5. 重复测量辐射照度为75mW/cm 2和50mW/cm 2下太阳电池的I-V 曲线。 五、 结果处理

1. 根据实验数据作出染料敏化太阳电池的I －V 曲线图1。

0.00

0.25

0.50

0.75

c u r r e n t (m A /c m 2

)

2.利用I－V曲线作图得到染料敏化太阳电池的功率输出曲线图2。

P light（mW/cm2）I SC（mA）V OC（V）P max（mW/cm2）FF(%) η(%)

75 0.4601 0.3005 0.04413 31.9 0.059

注：

FF=Pmax/(Isc*Voc)

六、思考题

1.讨论影响太阳电池的光电能量转化效率的因素。

答：影响太阳电池的光电能量转化效率的因素主要有：

（1）电池板材料的厚度和外形：我们知道，太阳能电池愈薄，电子的移动路径愈短，则其光电转化效率愈高。电池板的外形也会影响其光电转化效率，这是由于光照射到电池板上，在正反两面发生的反射、折射等现象，从而降低了电池的短路电流。适当的电池外型的改变(如表面粗化处理、电极形状)可以增加阳光入射量、太阳光版的角度调整等，从而提高其光电转化效率；

（2）辐射强度：辐射强度不仅影响电流收集（短路电流）而且影响正向偏压注入电流（开路电压），因此会影响太阳能电池的光电转化效率；（3）电阻的大小：根据电路知识，太阳能电池等效为一个理想电流源、一个正向二极管、一个串联电阻和一个并联电阻。所以，在负载一定的情况下，串联电阻越大，并联电阻越小，那么电流在输出的过程中的损耗就越大，即流经负载上的电流就越小。最终其光电转化效率越低，反之将越高。

2.不同辐照强度对能量转化效率有何影响？