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090410204/22 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、FTOB．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。
染料敏化太阳能电池最高光电转换效率
染料敏化太阳能电池最高光电转换效率下载提示：该文档是本店铺精心编制而成的，希望大家下载后，能够帮助大家解决实际问题。
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染料敏化太阳能电池的性能分析与优化研究
染料敏化太阳能电池的性能分析与优化研究随着各种环保能源的发展，太阳能电池成为了人们研究的热点之一。
而其中比较新兴的一种电池则是染料敏化太阳能电池。
染料敏化太阳能电池由吸光染料、电解液和电极三部分构成，这种电池的发明打破了传统晶体硅太阳能电池制造需要昂贵的硅素棒技术，其生产成本也更低，便于普及。
今天，我们就来聊一聊染料敏化太阳能电池的性能分析与优化研究。
一、性能分析1.1 理论上的能量转化效率染料敏化太阳能电池的能量转化效率是表征其性能的重要指标。
而其理论上的能量转化效率理论上可达到44%，比起传统的硅质太阳能电池，这个数值还是相当可观的。
而这个数值的大小并不是由吸光染料的光谱范围来决定的，而是取决于吸光染料的自由能和电子结构，电解液中的电子接受者以及电极材料的选择等因素。
1.2 实际上的能量转化效率然而，在实际应用中，染料敏化太阳能电池的能量转化效率却往往相差甚远。
这是由于光电转化效率、电荷收集效率和电荷注入效率受到多种因素的影响，如对电解质和染料的选择，以及电极材料和电池结构等因素。
因此，想要提高染料敏化太阳能电池的能量转化效率，就需要在这些指标上进行优化。
二、优化研究2.1 对电解质和染料的选择电解质与染料的选择是影响染料敏化太阳能电池性能的重要因素之一。
尤其是电解质，它们不仅需要保证电荷传输，还需要提供较高的离子浓度才能满足要求。
因此，研究者需要对各种电解质进行测试，找到最适合染料敏化太阳能电池的组合。
同样的，染料也需要根据电极材料和电解液的性质进行选择。
一般来说，要选择吸光能力好、电荷转移速率快、还原和氧化能力强的染料。
2.2 提高电荷收集效率提高电荷收集效率，是提高染料敏化太阳能电池能量转化效率的重要途径之一。
为了提高电荷收集效率，研究者们试用了多种提高电子传输能力的方法。
例如，将TiO2纳米结构通过表面修饰等方法，可以大幅提高电子传输效率，从而提高电荷收集效率。
2.3 增强电荷注入效率在染料敏化太阳能电池中，光电流强度和电荷注入效率之间存在明显的关联。
染料敏化太阳能电池的效率提升研究
染料敏化太阳能电池的效率提升研究太阳能是一种环保、可再生的能源，被广泛应用于建筑物能源供应和移动设备等领域。
染料敏化太阳能电池作为太阳能电池的一种重要类型，其高效率的研究与提升一直是研究者们的关注焦点。
本文将就染料敏化太阳能电池的效率提升进行研究，分析目前存在的挑战，并探讨可能的解决方案。
染料敏化太阳能电池（DSSC）是一种基于半导体薄膜、光敏化剂和电解质溶液的太阳能电池。
其工作原理是通过染料吸收太阳光产生电子-空穴对，并将电子注入半导体导带，从而形成电流。
然而，目前DSSC的能量转换效率仍然相对较低，主要面临以下几个挑战。
首先，染料吸收太阳光的效率有限。
常见的染料敏化电池使用有机染料作为光敏化剂，但其吸收光谱范围较窄，限制了对太阳光的利用效率。
因此，研究人员提出使用无机钙钛矿材料作为光敏化剂，具有宽波长吸收和高光转换效率的特点，为提升DSSC效率提供了新的途径。
其次，电子传输和收集效率也是限制DSSC效率的因素之一。
传统DSSC中的电子传输路径包括染料、半导体等多个界面，电子传输路径长度较长，容易发生电子散射和损失。
因此，改进电子传输和收集路径，如优化电解质的组成和结构、引入电子传输助剂等，是提高DSSC效率的关键。
第三，电解质对DSSC效率的影响也不可忽视。
电解质在DSSC中起到电子传输和离子传输的作用，对光电转换效率有重要影响。
常见的有机溶剂基电解质由于高挥发性和稳定性较差，限制了太阳能电池的长期稳定性。
因此，研究人员提出使用无机电解质材料，如钙钛矿材料和聚合物电解质，提高DSSC的稳定性和效率。
在面临以上挑战的同时，研究人员也提出了多种解决方案，试图提高DSSC的效率。
首先，改进光敏化剂和染料的设计。
通过调整光敏化剂的结构和化学成分，提高其吸收光谱范围和光电转换效率。
例如，引入新型染料分子或设计出有机-无机杂化染料，可以有效提高DSSC的光电转换效率。
其次，优化电子传输和收集路径。
改进电解质组成和结构，引入电子传输助剂等，减小电子传输路径长度和损失，提高电子传输效率和电荷收集效率。
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。
染料敏化太阳能电池光电转换效率提高关键技术总结
染料敏化太阳能电池光电转换效率提高关键技术总结染料敏化太阳能电池（DSSC）作为一种新型的太阳能电池技术，具有成本低、制备简单和高效能等优势，因此备受关注。
然而，DSSC的光电转换效率仍然是其发展的瓶颈之一。
为了提高DSSC的光电转换效率，研究人员们进行了大量的研究工作，并取得了一系列的关键突破。
首先，光吸收效率的提高是提高DSSC光电转换效率的重要途径。
在光敏染料的选取方面，最近的研究表明，一些新型的高效光敏染料，如金属有机染料（如染料分子Y123和YD2-o-C8），具有更宽的光吸收范围和更高的光电转换效率。
此外，还有研究者通过杂化化学修饰或共吸附不同类型的光敏染料，提高光敏染料的光吸收范围和光电转换效率。
例如，Jia et al.通过将有机染料分子与半导体纳米晶进行杂化修饰，实现了DSSC的光电转换效率的显著提高。
其次，光电荷传输效率的提高也是提高DSSC光电转换效率的关键。
为了提高光电荷传输效率，研究者们采用了一系列的策略。
一方面，通过研究和改进DSSC电解质的组成和性质，可以改善电荷传输和电荷收集的效率。
例如，采用有机溶剂作为电解质可以提高电解质的传导性能，同时减少电解质对电子传输的阻碍。
另一方面，通过引入导电剂，如碳纳米管、石墨烯等，在电解质中形成高电导的路径，促进电荷传输。
此外，精细调控电解质的组成和浓度也可以调节电荷传输效率，进而提高DSSC的光电转换效率。
此外，电子传输效率和空穴传输效率的平衡也是提高DSSC光电转换效率的关键。
研究者们通过调节半导体的级配结构、改变电解质的组成以及优化光敏染料的性质等方式，实现了电子传输效率和空穴传输效率的平衡，提高了DSSC的光电转换效率。
例如，研究者们通过在电解质中引入有机溶剂，形成合理的电子传输以及空穴传输通道，减少电子和空穴的再组合损失，从而改善了DSSC的电荷传输效率。
此外，光电转换效率的提高还需要考虑光电极材料的选择和设计。
光电极材料通常是由助剂、导电剂和光敏染料组成的。
基于紫外线对染料敏化太阳能电池光电转换效率的研究
工业技术科技创新导报 Science and Technology Innovation Herald66随着经济社会的发展，人类对能源的需求量急剧增加。
然而，地球上的煤炭、石油、天然气、核能等一次性非再生常规能源面临枯竭，加上煤炭等燃烧产生的二氧化碳、二氧化硫等气体和粉尘在大气中不断积累，形成温室效应、酸雨和光化学烟雾，产生了一系列严重的环境污染问题。
能源危机与环境问题已成为当代人类社会面临的重大经济问题[1]。
太阳能作为取之不尽的环保能源，以其无污染、清洁可再生等优点被广泛应用[2]。
如今，在太阳能电池市场领域，广泛研发、推广硅太阳能电池[3]，硅太阳能电池转换效率较高，目前转换效率能达到25%左右，但是硅太阳能电池生产成本高，导致不能大规模投入使用。
与硅太阳能电池相比，研制染料敏化太阳能电池（Dye -s e ns iti z e d s ol ar c el l，简称D S SC）所需要的原材料来源丰富、价格低廉以及理论转换效率高，在大规模工业化生产中体现出较大优势，D S SC的研制是缓解能源危机和环境污染的有效途径，对实现可持续发展具有重要的意义[4-5]。
1991年,M i c h a e l Gr ät z e l 和Br i a n O，R e g a n 发明D S S C，经过20多年的不断研制，在染料、电解质、电极等方面取得很大进展[6]。
染料敏化剂的选择很大程度上决定D S SC的光电转化效率[7-8]。
染料敏化剂分为有机和无机两大类[9]，由于有机染料敏化剂中的卟啉酞菁染料和菁类染料和无机染料敏化剂中的金属类染料工艺技术要求高、稳定性差、转化效率低等缺点，于是来源丰富、成本低的天然染料作为DS SC敏化剂被许多科研专家所开发研究[10]。
此实验基于N 719染料（双（四丁基铵）二氢双（异硫氰酸）双（2,2′-联吡啶-4,4′-二羧酸）钌（Ⅱ）染料，分子式：C 58H 86N 8O 8Ru S 2，呈现暗红色，简称N 719染料）与格桑花天然色素，分别制成N719D S SC、格桑花天然色素D S SC和N719染料——格桑花天然色素DS SC，并对这3种D S SC用自然光进行照射，对它们的转换效率进行分析，为将来利用青藏高原植物天然色素制成转换效率较高的D S SC 提供理论依据。
染料敏化太阳能电池的组装与测试
染料敏化太阳能电池的组装与测试【实验目的】（1）掌握染料敏化太阳能电池的组装工艺。
（2）掌握染料敏化太阳能电池性能的测试方法和评价标准。
【实验原理】染料敏化太阳能电池性能指标：DSSC 的性能测试目前通用的是使用辐射强度为100m W/cm 2的模拟太阳光，即AM1.5太阳光标准。
评价的主要指标包括：开路电压（V oc ）、短路电流密度（Isc ）、填充因子（FF ）、单色光转换效率（IPCE ）和总光电转换效率（η）。
1、开路电压开路电压V oc ：即将太阳能电池置于AM1.5光谱条件、100mW/cm 2的光源强度照射下，在两端开路时的输出电压值。
2、短路电流短路电流Isc ：就是将太阳能电池置于AM1.5光谱条件、100mW/cm 2的光源强度照射下，在输出端短路时，流过太阳能电池两端的电流值。
3、最大输出功率太阳能电池的工作电压和电流是随负载电阻而变化的，将不同阻值所对应的工作电压和电流值做成曲线就得到太阳能电池的伏安特性曲线。
如果选择的负载电阻值能使输出电压和电流的乘积最大，即可获得最大输出功率，用符号Pm 表示。
此时的工作电压和工作电流称为最佳工作电压和最佳工作电流，分别用符号Um 和Im 表示。
4、填充因子太阳能电池的另一个重要参数是填充因子FF （fill factor ），它是最大输出功率与开路电压和短路电流乘积之比。
FF 是衡量太阳能电池输出特性的重要指标， 图1 DSSC 的I-V 特性曲线及主要评价指标是代表太阳能电池在带最佳负载时，能输出的最大功率的特性，其值越大表示输出功率越大。
FF 的值始终小于1。
串、并联电阻对填充因子有较大影响。
串联电阻越大，短路电流下降越多，填充因子也随之减少的越多；并联电阻越小，其分电流就越大，导致开路电压就下降的越多，填充因子随之也下降的越多。
5、转换效率η太阳能电池的转换效率指在外部回路上连接最佳负载电阻时的最大能量转换效率，等于太阳能电池的输出功率与入射到太阳能电池表面的能量之比。
无机化学设计实验染料敏化太阳能电池
还原。 这样，电池正极负极之间产生电势差，外电路中产生电流。 反应方程式：I-+Dye+→I2+Dye I2+2e-→2I电池各组分： 1、 染料光敏化剂：染料光敏化剂（Dye）可以吸收光子被激发至激发态（Dye*），电子跃
【实验流程】
原理：
电池结构 ：导电玻璃——TiO2薄膜——染料光敏化剂——电解质溶液——炭黑——导电玻璃 电池原理
1
2012 级无机化学研究性实验
1、 负极：光子将染料光敏化剂激发至激发态，释放自由电子。TiO2也在光的激发下成为半 导体，形成空穴。TiO2空穴接受染料光敏化剂的电子，电子也随即传导至导电玻璃上。
2
2012 级无机化学研究性实验
鲜膜密封，一周后重新研磨，至最佳状态。 (2)取FTO玻璃，先用万用表测出其导电面，有示数的为导电面，用洗洁精清洗三遍然后用 无水乙醇洗掉ITO玻璃上面的水。将洗净晾干的导电玻璃导电面向上放在试验台上，使用两 层透明胶带固定住其四边其中3边约盖住1—2mm宽，而第四边约盖4—5mm宽（一般留比较窄 的那一面，有利于增大受光面积)胶带的大部分与桌面相粘，有利于保护玻璃不动，这样形 成一个约40—50μ m 深的沟，用于涂敷二氧化钛。在上面几滴TiO2溶液，先点在一侧，然后 用玻璃棒徐徐地滚动，（一次涂成效果也很好）使其涂敷均匀，尽量没有刮痕。其中四片涂 抹自己制备的TiO2，另一片涂抹涂抹买来的商业纳米TiO2。在制作的五组电池中，工业浆料 和一片自己的浆料使用玫瑰茄，另外三片使用另外三种染料，涂膜完成后，使二氧化钛膜自 然晾干，揭去透明胶带。将二氧化钛薄膜转入马弗炉中在450℃下烧结5小时，控制温度先慢 慢上升至400℃到450℃。C ,使其烧结至棕色，在慢慢冷却至室温回复至白色。在实验过程 中，二氧化钛薄膜烧结好后放置了6天，因此在进行染料吸附之前又烧制了一小时进行活化。 3.对电极的制备
染料敏化太阳能电池材料研究报告
染料敏化太阳能电池材料研究报告摘要：本研究报告旨在探讨染料敏化太阳能电池材料的研究进展和应用前景。
通过对染料敏化太阳能电池的工作原理、材料组成以及性能优化等方面的研究，我们发现该技术在可再生能源领域具有巨大的潜力。
本报告将重点介绍染料敏化太阳能电池材料的种类、特性以及相关的研究进展，旨在为该领域的研究人员提供参考和启示。
1. 引言染料敏化太阳能电池是一种新型的太阳能电池技术，通过将染料吸附在半导体材料表面，实现光能的转换和电能的产生。
相比于传统硅基太阳能电池，染料敏化太阳能电池具有成本低、制备工艺简单、高效率、颜色可调等优点，因此备受研究者的关注。
2. 染料敏化太阳能电池的工作原理染料敏化太阳能电池的工作原理基于光吸收、电荷分离和电荷传输等过程。
当光照射到染料敏化太阳能电池的电极表面时，染料吸收光能并将其转化为电子。
这些电子随后通过半导体材料的导带传输到电极，从而产生电流。
同时，光照还引起电解质中的还原剂与半导体材料之间的电子传输，使得半导体材料重新得到电子，从而实现电荷分离和电荷传输。
3. 染料敏化太阳能电池材料的种类目前，常用的染料敏化太阳能电池材料主要包括染料、半导体材料、电解质和电极材料等。
染料是实现光吸收和电荷分离的关键组分，常用的染料包括有机染料和无机染料。
半导体材料用于电子传输和电荷传输，如二氧化钛、锌氧化物等。
电解质用于提供离子传输的通道，常用的电解质包括有机电解质和无机电解质。
电极材料用于收集电子和传导电流，如透明导电氧化物和贵金属等。
4. 染料敏化太阳能电池材料的性能优化为了提高染料敏化太阳能电池的性能，研究人员通过调控材料的结构和组成，优化光吸收、电荷传输和电子传输等过程。
例如，通过改变染料的结构和配体，可以调节染料的吸收光谱范围和光吸收强度。
通过改变半导体材料的形貌和表面结构，可以增加电子传输的效率和表面积。
通过优化电解质的组成和浓度，可以提高电荷传输的速率和效果。
此外，还可以通过引入纳米颗粒、添加剂和界面工程等手段来进一步优化染料敏化太阳能电池的性能。
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(研究生报告)
一. 研究进展
太阳能电池是根据光生伏特原理，将太阳能直 接转换成电能的一种半导体光电器件，是一个 新的科学领域。
目前，硅太阳能电池较为成熟，如，单晶、多 晶和非晶硅太阳能电池。制作工艺复杂，成本 高。改进工艺、寻找新材料、电池薄膜化。
近20年，探索高比表面积的纳米薄膜电极的制 备方法，这种纳米微粒形成的薄膜经光敏材料 或者窄带隙纳米微粒修饰可以提高膜的光电转 换特性，所以纳米薄膜电极是提高太阳能电池 转换效率的有效途径之一。
2. 目前状况： 稳定性差；寿命短；材料失活；光电转换效率低；
3. 提高效率的两个途径 合成新型光电功能材料； 构建新型结构光电器件；新的分析测试 技术；光电界面过程理论研究；
4. 新材料 — 纳米粒子薄膜，多元组分复合，纳米粒子掺杂，表面修 饰纳米薄膜等材料； 新技术 — 表面光电压谱，光谱电化学分析仪，XPS，AFM，IR等
Wavelength / nm
图3 TiO2/ZnO/ITO薄膜在0.0 V(a), 0.2 V(b)和-0.2 V(c)时的EFISPS谱
Potovoltige /V
200 b
150
a 100
c
50
0.2 V 0.0 V -0.2 V
0 300 350 400 450 500 550 600 650 700
Gratzel研究突破的关键：
多孔纳米TiO2薄膜具有高比表面积，不 但能吸附更多的单层染料分子，而且太 阳光在粗糙表面内多次反射，可被染料 分子反复吸收，极大地提高了太阳光的 利用率。
二.研究意义
1. 1972年Fujishima 光解水实验，奠定了光电化学的基础；80年代 初热点；90年代纳米技术，新的发展机遇。
染料敏化太阳电池光电能量转换效率的测定实验报告【范本模板】
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3料之间的复合,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）。
太阳能电池相关测试系统开发及染料敏化太阳能电池染料还原速率的研究
目前市场上的电池主要是硅太阳能电池，无论是晶态硅还是非晶态硅由于其制作工艺条件苛刻，生产成本昂贵，限制了在地面上大规模的使用太阳能。
而九十年代发展起来的染料敏化纳米晶半导体太阳能电池不同于一般的半导体固结和液结太阳能电池，利用纳晶多孔薄膜电极通过增大其表面积来提高电池的光电转换效率，并是一个以多数载流子为基础的光电转换机制，其工作原理涉及了由半导体纳米材料所构筑的新型光电极，纳米半导体电极的光谱敏化，纳米半导体电极／电解液界面电荷转移的热力学和动力学，即电解质的质量传递和氧化还原过程的电催化等一系列理论基础。
而且制作工艺简单，成本低廉，人们认识到这项技术无论在理论基础及应用技术上都有一定的发展潜力，将取代硅太阳能电池及传统的太阳能电池发电，对它的深入研究将大大促进纳米结构半导体光电化学新兴学科领域的发展。
１．１敏化太阳能电池的基本结构和工作原理１．１．１敏化太阳能电池的基本结构染料敏化太阳能电池的具体结构如图１．１所示，由以下三部分组成：染料敏化纳晶太阳能电池主要由三部分组成：（１）载有染料的ＴｉＯ。
纳晶薄膜工作电极；（２）含有Ｉ／Ｉ，一的电解质；（３）Ｐｔ对电极。
图１１染料敏化纳晶太阳能电池的结构简图中后，在工作电极上还原染料的氧化态分子，起着传输电子和还原染料的作用。
（４）铂催化对电极：由于在导电玻璃上的Ｉ，还原过电位很大，反应速度很慢，在导电玻璃基底上利用热分解或电沉积等其他方法制备的铂催化对电极可以降低对电极上Ｉ。
一＋２ｅ·３Ｉ一反应的过电位，提高还原反应的速度。
铂催化对电极主要起着收集电子的作用和催化作用。
１．１．２敏化太阳能电池的工作原理染料敏化太阳能电池与半导体体材料薄膜电极的光电化学电池相比，具有不同的功能，后者主要研究的是在空间电荷层电场作用下的电荷分离和少数载流子的界面电荷转移过程。
半导体纳晶多孔薄电极与半导体体材料薄膜电极的不同之处在于其半导体纳米颗粒不足以形成空间电荷层。
染料敏化太阳能电池数据分析
效率随时间的变化折线图图1 图1是厚片和薄片（厚片和薄片是指阳极材料的薄厚，厚度比人概是2比1）的光电转换效率随时间变化的折线图， 该时间是指自电池制备完成后到测量电池转换效率时的时间，主要反映的是电池的寿命长短。
图中，红色线代表薄 片的效率随时间的变化情况，黑色线代表厚片的效率衰减情况。
从这张图中可以明显看到，电池的光电转化效率随 时仙衰减呈现先快后慢的趙势，在前四天的衰减速度柑当快，此后趙于平缓（造成此衰减现象的町能原因有：1.电 解质溶液每次干了Z 后溶剂虽然没了，但是溶质还在，卜-轮注入电解液时的环境如电解质与阳极材料的接触、电 子载体在电解液中的运动等是不同的：2.残余在电池中的电解质随着时间的增长对电池阳极材料以及结构等产生破 坏和影响；3.电池的非绝对密封允许外界与阳极材料极其结构的相互接触并相互作用，对电池内部结构及性能产生 损坏：4•多次测试对电池性能产生影响;5•有机染料在电解质干涸的情况下见光极易分解,在前期,当电解质干涸 后，染料人量分解，电池性能急剧卜降，到了后期，町分解的染料微乎其微，电池性能区域低水平的稳定。
）并且， 从图中不难看出，厚片的效率略高于薄片，（这主要是由于阳极材料厚的电池吸附的有机染料较薄的多。
） 将厚片和薄片的光屯转换效率随吋间变化的关系用数学公式拟合后得到如下结果：厚片效率随时间变化图厚片效率随时间变化图LN(TIME)I0 1 ・ 0 ・ I • I • I 2 4 6 8 10 ] ・ I ・ 12 14 16Tim 引(day)薄片效率随时间变化图 • y = -0.63ln(x) +2.116 R 2 = 0 • ■ • ■ ■ • • •*・・ 卜• j .. J ・ ........ ■ 5 10 2.500 2.000 1.500 1.000 0.500 0.000 In(Time) 图3图2和图3将时间取自然对数后，厚片和薄片的光电转换效率随其变化的关系图，从图中不难看出，两者•呈现 相当明显的线性关系（R2=O .98）。
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。
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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？
答:由本次实验结果可知：辐射强度越高，能量转化效率越高。
反之，能量转化效率越低。
3.根据染料敏化太阳电池的结构和原理，讨论如何构筑高效率的染料敏
化太阳电池器件。
答：1.为了尽量减少光学损失，我们主要有以下措施：
⑴电池表面的上接触面积尽可能的小(尽管这可能会提高串联
电阻）
⑵光照面使用减反射膜
⑶利用表面刻蚀减少反射
⑷增加电池厚度提高光吸收（尽管由于载流子复合吸收的光不
一定贡献电流）
⑸表面刻蚀与陷光结构增加光在电池中的光路
2. 减少电子—空穴对的复合
采用具有合适性能的半导体材料(尤其是光生载流产寿命长的材料)可以将载流产复合损失降至最低，也就是减少材料缺
陷从而消除载流子复合通道。
3.电极设计
电极就是与P-N结两端形成紧密欧姆接触的导电材料。
这样的材料应该满足：与硅可形成牢固的接触而且接触电阻小、
导电性优良、遮挡面积小、收集效率高等要求。
所示设计原则：让电池的输出最大，即电池的串联电阻尽可能小且电池的光照
作用面积尽可能大。
商品化电池生产中大量被采用的工艺是铝
浆印刷。
4.减小串联电阻，增大并联电阻
串联电阻主要是由硅片基体电阻、扩散方块电阻、栅线电阻、烧结后的接触电阻等组成。
因此提高硅片的质量，可以减小它决定的基体电阻；另外金属栅线要窄和厚，即能减少对光的遮挡，又能保持低的电阻形成良好的p-n结，结深0.5微米左右；电极形成好的欧姆接触等也可以减小串联电阻，从而增大负载上的功率。
•。