纳米二氧化钛太阳能电池的制备及其性能测试

华南师范大学实验报告

学生姓名学号

专业化学教育年级、班级

课程名称综合化学实验课件密码

实验类型□验证□设计□综合实验时间 2016 年 4 月 19 日实验指导老师老师实验评分

纳米二氧化钛太阳能电池的制备及其性能测试

一、前言

1.实验目的

(1)了解纳米二氧化钛染料敏化太阳能电池的组成、工作原理及性能特点；

(2)掌握实合成纳米二氧化钛溶胶、组装成电池的方法与原理；

(3)学会评价电池性能的方法。

2.实验意义

随着地球上矿物能源日趋枯竭及环境问题的出现，人们不断寻求新能源。太阳能作为一种可再生能源，具有其它能源所不可比拟的优点) 它取之不尽，用之不竭，而且分布广泛，价格低廉，使用安全，不会对环境构成任何污染) 将太阳能转换为电能是利用太阳能的一种重要形式) 在过去的十几年中，利用半导体光电化学电池替代常规固态光伏半导体太阳能电池来完成太阳能转换的潜在经济价值日益显现) 在众多的半导体材料中，TiO2以其独有的低廉、稳定的特点得到广泛的应用)辐射到地球表面的太阳光中，紫外光占4%，可见光占43%，N型半导体TiO2的带隙为3.2eV，吸收位于紫外区，对可见光的吸收较弱，为了增加对太阳光的利用率，人们把染料吸附在TiO2表面，借助染料对可见光的敏感效应，增加了整个染料敏化太阳能电池对太阳光的吸收率，由此构造了染料敏化太阳能电池-DSSC（dye-sensitized solar cell）电池。

3.文献综述与总结

我国在染料敏化纳TiO2太阳能电池的研究中也取得了不少阶段性的成果。2004年10月中国科学院等离子体物理研究所承担的大面积染料敏化纳米TIO:

薄膜太阳电池研究项目取得了重大的突破性进展，建成了500W规模的小型示范电站，光电转化效率可以达到5%[1]。2005年，孟庆波与陈立泉等合作，合成了一种新型的具有单碘离子输运特性的有机合成化合物固态电解质，研制的固态复合电解质纳米晶染料敏化太阳电池的光电转化效率达到了5.48%。这些都为染料敏化纳米TiO2太阳电池的最终产业化奠定了坚实的基础。

我国己将染料敏化纳米晶太阳能电池的研究列入“973”重大课题研究，小面积染料敏化纳米TiO2太阳电池光电转化效率已突破11% 。由于封装技术，液体电解质存在不稳定等问题，提高封装技术，和引入固态电解质便成为这种电池研究的重要方向。

染料敏化太阳能电池存在的问题

研究工作者一们发现DSSC的实用化还存在着一些问题:(l)液态电解质容易导致TiO2表面上染料的脱落，从而影响电池的稳定性;(2)液态电解质中的溶剂易挥发，可能会与染料作用导致染料发生光而影响电池的稳定性;(3)液态电解质中的溶剂易挥发，可能会与染料作用导致染料发生光降解;(4)密封困难，且电解质可能与密封剂反应，容易漏液，从而导致电池寿命大大下降;(5)液态电解质本身不稳定，易发生化学变化，从而使太阳能电池失效;(6)电解质中的氧化还原电对在高强度光照下不稳定。由于DSSC电池具有低成本、高效率的特点，所以有着很大发展潜力，已经引起了人们的广泛关注。一我们相信，在不久的将来，随着科学技术的进一步发展，这种太阳能电池将会有着十分广阔的应用前景。

二、实验部分

1 基本原理

(1)DSSC结构和工作原理

染料敏化纳米晶二氧化钛太阳能电池（DSSC）是由导电玻璃、吸附染料的纳米晶二氧化钛薄膜、两极间的电解质（常用I-/I3-）和镀铂导电玻璃对电极组成的夹心状电池。其工作原理同自然界的光合作用一样，通过有效地光吸收和电

荷分离而把光能转变为电能。由于二氧化钛的禁带宽度较大（3.2eV），可见光不能将其直接激发；在其表面吸附一层染料敏化剂后，染料分子可以吸收太阳光而产生电子跃迁。由于染料的激发态能级高于二氧化钛的导带，电子可以快速注入到二氧化钛导带，进而富集到导电玻璃片上，并通过外电路流向对电极，形成电流。处于氧化态的染料分子则通过电解质溶液中的电子给体，自身恢复为还原态，使染料分子得到再生，被氧化的电子给体扩散至对电极，在电极表面被还原，从而完成一个光电化学反应循环。整个光电化学反应过程如下：

a.敏化剂（S）吸收光能激发，激发态的敏化剂（S*）向TiO2导带注入电子而成为氧化态的敏化剂（S+），反应式为：

S → S* → S+ + TiO2（e）

b.氧化态敏化剂被还原型物质（R）还原，反应式为：

S+ + R → S + O

c.被氧化生成的氧化型物质（O）在阴极上再还原成还原型物质，参加下一个循环的反应，反应式为：

O + ne → R

(2)TiO

2

电极膜材料

在染料敏化纳米太阳能电池中可以用的纳米半导体材料是多种多样的，如金属硫化物、金属硒化物、钙钛矿以及各种金属的氧化物" 在这些半导体材料中，

TiO

2性能较好：1）作为光电极很稳定；2）TiO

2

比较便宜，制备简单，并且无毒，

纳米TiO

2的粒径和膜的微结构对光电性能的影响很大，纳米TiO

2

的粒径小，比

表面积越大，吸附能力越强，吸附染料分子越多，光生电流也就越强" 所以人们

采用不同方法制备大比表面积的纳米TiO

2，包括气相火焰法、液相水解法、TiO

2

,

包括气相氧化法、水热合成法、溶胶凝胶法等，将得到的TiO

2

微粒沉积到导电玻

璃表面制备TiO

2

薄膜电极，染料敏化纳米太阳能电池所用的纳米膜包括致密的

TiO

2薄膜和纳米多孔结构的TiO

2

薄膜，通常的制备方法有：溶胶凝胶法、水热反

应法、溅射法、醇盐水解法、溅射沉积法、等离子喷涂法和丝网印刷法等，纳

米TiO

2

的微观结构，如粒径、气孔率等对太阳能电池的光电转换效率有非常大的

影响，对TiO

2

穴对的复合，促进了电子空穴的分离，延长了电荷的寿命，从而使光电流得到增大，掺杂离子主要是过渡金属离子或者稀土元素复合薄膜" 常用的