染料敏化纳米薄膜太阳电池中DMPII浓度的优化
TiO2薄膜优化对染料敏化太阳电池性能的影响
TiO2薄膜优化对染料敏化太阳电池性能的影响奚小网;胡林华;方霞琴;戴松元【摘要】The microstructure of nanoporous TiO2 films has obvious influence on the photovoltaic performance of dye-sensitized solar cells (DSCs). In this work, the effect of different treatment methods such as autoclaving temperature, film thickness, scattering particles, TiCl4 solution treatment and electroposition treatment on DSC photovoltaic performance is introduced, and the optimized results were obtained. Such simple but effective strategies provided a good way to improve the overall energy conversion efficiency of DSC and to future mass production of nanoporous TiO2 films.%纳米TiO2多孔薄膜微结构对染料敏化太阳电池(DSC)光伏性能有很大的影响.本文采用不同实验和测试方法研究和分析了溶胶-凝胶法制备纳米TiO2颗粒时的热处理温度、TiO2多孔薄膜厚度、纳米TiO2大颗粒光散射、TiCl4溶液处理和电沉积致密TiO2层对纳米多孔薄膜电极和染料敏化太阳电池光伏性能的影响,得到了最佳的优化条件,为纳米TiO2薄膜材料的批量化制作打下了良好基础.【期刊名称】《无机化学学报》【年(卷),期】2011(027)007【总页数】5页(P1353-1357)【关键词】染料敏化;太阳电池;纳米TiO2;优化【作者】奚小网;胡林华;方霞琴;戴松元【作者单位】中国科学院等离子体物理研究所,中国科学院新型薄膜太阳电池重点实验室,合肥230031;无锡职业技术学院机电技术学院,无锡 214121;中国科学院等离子体物理研究所,中国科学院新型薄膜太阳电池重点实验室,合肥230031;中国科学院等离子体物理研究所,中国科学院新型薄膜太阳电池重点实验室,合肥230031;中国科学院等离子体物理研究所,中国科学院新型薄膜太阳电池重点实验室,合肥230031【正文语种】中文【中图分类】O614.41+1;TM914.4+2纳米TiO2以其良好的热稳定性、高折光系数、强着色力和光泽好等特性而受到广泛关注，被应用于各种功能材料和催化领域[1-2]。
研究染料敏化纳米晶太阳电池毕业设计论文
枣庄职业学院毕业设计（论文）研究染料敏化纳米晶太阳电池系部应用化工系专业应用化工技术班级 08级高职三班20 11 年 5 月摘要进入21世纪的我们对电源的需求越来越高。
太阳能电池作为一种新能源,由于具有广泛性、清洁性、安全性等优点,因而被大家视为最理想的电池。
染料敏化剂的性能是影响染料敏化太阳能电池光电转化效率的重要因素,关于染料敏化剂的研究是当前研究的热点之一。
本论文从染料敏化纳米晶太阳能电池阳极的制备及其染料共敏化方面进行了研究。
首选，本论文在总结染料敏化纳米晶太阳能电池工作原理、效率的提高和最新发展的基础上，用溶胶-凝胶法(Sol-Gel法)制备了锐钛矿晶型的纳米晶多孔TiO2粉体。
通过改变制备TiO2的溶胶前驱液中表面活性剂(PEG)的量、pH值以及加水量来确定合适的前驱物组分含量，以达到提高TiO2颗粒的表面粗糙程度和颗粒间的孔隙率，减小TiO2颗粒粒径，从而提高纳米晶多孔TiO2薄膜电极比表面积、膜的孔洞率，进而达到增加染料吸附量的目的。
同时，对所制备的纳米晶TiO2粉体在不同温度下煅烧，确定了生成锐钛矿型纳米晶多孔TiO2导电薄膜的最佳煅烧温度。
其次，用Sol-Gel法制备了锐钛矿晶型的纳米晶多孔TiO2半导体电极。
通过扫描电镜分析，进一步探讨了制备理想电极的条件。
最后，以降低染料成本，提高光谱吸收范围和吸光度为目标，选择低成本的有机染料曙红Y、香豆素、玫瑰红进行双染料共敏化实验，证实了吸收光谱的拓宽和光吸收率的增加，最终确定了理想的共敏化染料。
关键词Sol-Gel法染料敏化锐钛矿纳米级多孔TiO2目录•绪论 (4)•第一章太阳能电池• 1.1 太阳能电池的工作原理 (5)• 1.2 太阳能电池的种类和研究进展 (6)•第二章 DSSC的结构和基本原理• 2.1 DSSC的结构 (7)• 2.2 DSSC的基本原理 (8)• 2.3 基本概念 (9)•第三章纳米晶TiO2膜电极• 3.1 纳米晶TiO2膜 (10)• 3.2 晶型和粒径可控的纳米TiO2的制备 (11)• 3.3 纳米TiO2多孔膜的制备 (12)• 3.4 电极的表面修饰 (13)•第四章染料敏化剂和电解质• 4.1 染料敏化剂 (14)• 4.2 电解质 (16)•第五章论文的研究内容和目标 (19)致谢 (21)参考文献 (22)研究染料敏化纳米晶太阳电池绪论太阳能电池的基本原理是某些物质被光照射时其电子的运动加剧；若引导这些电子流经一电路中的电位，即可得到电能。
染料敏化纳米TiO2太阳能电池的研究进展
染料敏化纳米TiO2太阳能电池的研究进展摘要：本文综述了染料敏化纳米TiO2太阳能电池的研究概况，阐述了染料敏化纳米晶TiO2太阳能电池的结构及其原理, 对影响其光电转换效率的关键因素，如纳米TiO2膜、敏化染料、电解质等做了探讨。
同时介绍了TiO2纳米薄膜的一些制备方法。
最后对太阳能电池所面临的问题进行讨论, 并提出今后的研究方向。
关键词：TiO2；太阳能电池；染料敏化；纳米薄膜1、引言能源危机与环境污染是人类在21世纪面临的两大挑战, 开发和利用可再生绿色能源已成为人类社会所面临的重大课题。
近几年来, 很多国家已投入大量资金从事太阳能电池的研究和开发工作, 用单晶或多晶硅膜制备的太阳能电池其最高效率可达20%以上, 但成本过高。
开发低成本光电活性材料, 对充分利用太阳能资源有重要意义, 目前ZnO、CdS、CdSe、CdTe、Fe2O3、SnO2、TiO2等许多化合物被用于光电转换。
虽然CdSe、CdTe等光电池有一定的应用前景, 但它们是剧毒物质, 容易对环境带来危害。
TiO2染料敏化电池( Dye-Sensitized Solar Cell, 简称DSSC)则彻底摒弃了传统的硅电池工艺, 它的最大优势是廉价的成本以及非常简单的制作工艺, 因此有很好的应用前景, 其制备与应用研究受到各国学术界的重视, 并成为化学和材料科学研究的前沿领域。
2、染料敏化电池的结构及工作原理2.1 染料敏化电池的基本结构染料敏化太阳能电池主要由导电玻璃、纳米多孔TiO2膜、敏化剂和电解质等部分组成。
导电玻璃的内侧镀有0.5～0.7μm氧化铟锡透明膜, 方块电阻为10～20Ω, 透光率大于85%。
光阴极还可镀上一层Pt(约5～10μg·cm-2), Pt层对光的反射不仅提高了太阳光的吸收率, 还有助于提高电子的收集效率。
TiO2膜为具有高比表面积的纳米多孔薄膜, 一般厚度约为10μm 左右。
DSSC电池选用的敏化剂可以选择有机染料或无机染料。
染料敏化纳米TiO2薄膜太阳能电池的研究进展
来，染料敏化纳 晶二氧化钛太 阳能 电池一 直是 国内外 研 究 的热 门课题 ＿ 染料 敏化 Ｔ Ｏ 纳 晶薄膜太 阳能 电池 生 １ 。 ｉ
产工 艺简单 、 备 电池过程耗 能较 少 、 源 回收周 期短 、 制 能 生 产 成 本 较 低 （ 为 硅 太 阳 能 电 池 的 ｌ ５ １ １ ） 可 弱 仅 ／～ ／０ 、 光 发 电 、 明性 好 、 电转 化 率 不 受 温 度 影 响 等 优 点 。染 透 光 料 敏 化 Ｔ Ｏ 纳 晶 薄 膜 太 阳 能 电 池 有 望 成 为 下 一 代 实 用 ｉ。 性 高 性 能 太 阳 能 电 池 。 本 文 重 点 对 Ｔ Ｏ 的 结 构 和性 能 、 ｉ。 染 料 敏 化 纳 米 Ｔ Ｏ 薄 膜 的 工 作 原 理 和 制 备 方 法 的 研 究 ｉ。 进 展 进行 了 综 述 。
顶 点 或 共 边 组 成 ［， 图 １ 示 。锐 钛 矿 相 结 构 是 由钛 氧 ５如 ］ 所
八 面体共边组成 的四面体结 构 。 而金红石和板钛矿结构是 ［ｉ Ｔ 八 面体共 顶点且共边组成 的稍有畸变 的八 面体结
半导体染料
构 。Ｔ Ｏ 是 一 种 宽禁 带 的半 导 体 材 料 ， 中锐 钛 矿 型 Ｔ Ｏ ｉ。 其 ｉ
溶胶 一 胶法制备 Ｔ Ｏ 薄膜 ， 凝 ｉ 一般先制备溶胶 ， 然后
用 浸 渍 提 拉 、旋 转 涂 层 或 喷 涂 法 将 溶 胶 施 于 经 过 清 洁 处
才 能 得 到 ，因 为 每 种 物 质 的 氧 化 物 还 原 均 在 一 定 条 件 下
才能发生 。一般来说 ， 电位越大 ， 积时所需 电流 密度 过 沉
．． 有 机 钛 化 合 物 为 原 料 ， 钛 酸 正 丁 酯 ＿、 酸 异 丙 酯 、 如 ８钛 ］ 钛 ３２２电 解 质 浓 度 配 比 在 溶 液 中 ， 子 的 浓 度 越 高 ． 对 应 的 电 极 电位 就 越 离 其 酸 四 乙 酯 ［ 。另一 种 以 无 机 钛 化 合 物 为原 料 ， 四 氯 化 钛 １ … 如
染料敏化纳米晶薄膜太阳能电池用染料敏化剂的研究进展
ｔ ｇ ｓａ ｄ ｄ ｓ ｄ ａ ｔ ｇ ｓｏ ａ ｉｕ ｙ ｅ ｓｔ ｅｓ ａ ｄ ｔ ｅ ｃ ｒｅ ｔｒ ｓ ａｃ ｉ ａｉｎ ｗ ｒ ｅ ｉｗ ｄ ｉ ｅ ａｌ Ｆ ｎ ｌ ａ ｅ ｎ ｉａ ｖ ｎ ａ ｅ ｆ ｒ ｓｄ ｅ ｓ ｎ ｉ ｚ ｒ ｎ ｈ ｕ ｎ ｅ ｅ ｒ ｈ ｓｔ ｔ ｅ ｅ ｒ ｖｅ ｅ ｎ ｄ ｔ ｉ ｉ ａ — ｖ ｏ ｉ ｕ ｏ ．
（ 阳师范学院 ａ化学化工学院； ． 管理处， 信 ． ｂ资产 河南 信阳 ４ ４ ０ ６ ０ ０）
摘
要： 染料 敏化 剂 的性 能 是 影 响 染 料 敏化 太 阳能 电池 光 电转 化 效 率 的 重 要 因 素 ， 于 染 料 敏 化剂 的研 关
究是当前研究的热点之一 。本文简要介 绍了染料敏化剂在染料敏化纳米晶太阳能电池 中的作用 以及各种染 料敏化剂 的优缺点及发展现状 ， 并对其应用前景进行 了展望。
ｌ ， ｈ ｉ ｔ ｒ ｅ ｅ ｏ ｍｅ ｔｗ ｓａ ｓ ｅ ｉ ｗ ｄ ｙ ｔ ｅｒ ｕ ｕ ｅ ｄ ｖ ｌｐ ｎ ａ ｌｏ ｒ ｖｅ ｅ ． ｆ Ｋｅ ｒ ｓ ｄ ｅ ｓ ｎ ｉ ｚ ｒ ｓ ｌｒｃ ｌ； ｈ ｔ ｕ ｅ ｔｃ ｎ ｅ ｓ ｎ ｅ ｃｅ ｃ ｙ ｗｏ ｄ ： ｙ ｅ ｓｔ ｅ ； ｏａ ｅｌ ｐ ｏｏ ｔ ｃ ｒ ｎ ｏ ｖ ｒｉ ｆ ｉｎ ｙ ｉ ｏ ｏ ｉ化学工程师
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染料敏化太阳电池工艺参数的优化
染料敏化太阳电池工艺参数的优化染料敏化太阳电池（Dye-SensitizedSolarCells，DSSC）是一种新型的太阳能利用设备，它可以将太阳辐射能量转换为电能，具有较高的效率和较低的成本。
近年来，DSSC在太阳能电池领域受到了越来越多的关注，并开始应用于能源收集和节能领域。
然而，由于技术水平的限制，目前DSSC的效率仍有待进一步提高。
因此，有必要对DSSC工艺参数进行优化，以提高太阳能电池的效率。
在DSSC工艺参数优化方面，许多研究工作都集中在染料的性质上，如分子量、结构和活性位点的优化，通过改变染料的构型来提高电池的性能。
另外，也存在一些能够影响效率的其他参数，如电解质、固定剂、光催化剂等，需要进行优化以提高DSSC性能。
在电解质方面，电解质类型和浓度是影响DSSC性能的主要参数，高浓度电解质可以提高电池的电流密度，但会降低电池的电势。
因此，在选择电解质时，必须重点考虑电解质的电势变化和电流密度的变化，并尽量确保电池的电流密度和电势满足需求。
另外，固定剂和光催化剂的选择也对DSSC的性能有很大影响。
固定剂有助于抑制染料的衰变和电子的重新配对，从而有助于提高电池的稳定性、效率和循环寿命等，因此应考虑其稳定性、标准化和低成本等因素来选择最佳固定剂。
光催化剂可以抑制太阳能电池表面电子的散失，从而达到提高电池效率的目的，严格控制其成分以实现其最佳效果。
此外，DSSC的其他参数也会影响其性能，如反应温度、反应时间、试样厚度和涂层厚度等。
一般而言，更高的温度可以更快地扩散离子，从而有助于提高电流密度；试样厚度通常越厚，电流密度越高；涂层厚度受到材料的影响，因此必须选择适当的涂层厚度以获得最佳性能。
另外，多种不同参数还可以将DSSC组合在一起以构建复合太阳能电池，从而提高太阳能电池的效率。
从以上分析可知，优化DSSC工艺参数的最终目的是提高电池的性能，包括电流密度和电势，以及稳定性和循环寿命等，有助于提高DSSC的效率。
染料敏化纳米薄膜太阳电池中DMPII浓度的优化
2004⁃11⁃09收到初稿,2005⁃01⁃19收到修改稿.联系人：戴松元（E ⁃mail ：sydai@;Tel ：0551⁃5591377）.*国家重点基础研究发展规划项目（G2000028200）资助染料敏化纳米薄膜太阳电池中DMPII 浓度的优化*史成武1,2戴松元1王孔嘉1郭力1潘旭1孔凡太1胡林华1（1中国科学院等离子体物理研究所，合肥230031;2合肥工业大学化工学院，合肥230009)摘要利用超微铂电极和循环伏安法及电化学阻抗谱研究了在1,2⁃二甲基⁃3⁃丙基咪唑碘(DMPII)的3⁃甲氧基丙腈(MePN)溶液中I 3-和I -的氧化还原行为，并对比了由不同浓度的I 2和DMPII 组成的电解质溶液，其染料敏化纳米薄膜太阳电池(DSCs)的光伏性能.发现以MePN 为溶剂，含1.0mol ·dm -3DMPII 、0.12mol ·dm -3I 2、0.10mol ·dm -3LiI 和0.50mol ·dm -34⁃叔丁基吡啶的电解质溶液，其DSCs 的短路光电流密度为16.67mA ·cm -2、开路电压为0.69V 、填充因子为0.70、光电转换效率达8.08%.关键词：1,2⁃二甲基⁃3⁃丙基咪唑碘，氧化还原，染料敏化，太阳电池中图分类号：O646,TK514物理化学学报（Wuli Huaxue Xuebao ）Acta Phys.⁃Chim.Sin .,2005,21(5):534~538May1991年Gr ätzel 等人[1]利用自己合成的联吡啶钌(II)配合物染料和纳米多孔TiO 2薄膜制备的染料敏化纳米薄膜太阳电池（以下简称为DSCs ），获得了7.1%的光电转换效率，十多年来，DSCs 的研究进展很快[2⁃10].DSCs 主要是由染料敏化纳米TiO 2光阳极、电解质和对电极三部分组成.其中纳米多孔TiO 2薄膜的膜厚通常为10μm ，且对于10μm 的纳米多孔TiO 2薄膜而言，液体电解质溶液中相应的1,2⁃二甲基⁃3⁃丙基咪唑碘(DMPII)最适宜的浓度是0.60mol ·dm -3，碘的最适宜浓度是0.10mol ·dm -3.DMPII 易溶于3⁃甲氧基丙腈(MePN)，且其浓度达到1.0mol ·dm -3时，溶液的电导率最大.理论上讲，DSCs 电解质溶液中游离的I -浓度越高，氧化态染料的还原再生就越快，也就越有利于染料对光的吸收和减少氧化态染料与TiO 2导带电子的复合.因此，系统地研究DMPII 的浓度对I 3-和I -氧化还原行为的影响是十分必要的.本文利用超微铂电极和循环伏安法及电化学阻抗谱研究了I 3-和I -在以3⁃甲氧基丙腈为溶剂的DMPII 溶液中的氧化还原行为，并对比了由不同浓度的I 2(实际上是I 3-）和DMPII 组成电解质溶液的DSCs 光伏性能.1实验部分1.1试剂无水碘化锂(LiI)、碘(I 2)、4⁃叔丁基吡啶(TBP)和3⁃甲氧基丙腈购买于Fluka 公司，使用时未进一步纯化.1,2⁃二甲基⁃3⁃丙基咪唑碘是由1,2⁃二甲基咪唑(Aldrich)和碘丙烷(Fluka)合成的[11]，其纯度用600MHz 1H NMR (DMX ⁃600,Bruker,Switzer ⁃land)进行表征，符合使用要求.所用溶剂无水乙醇为AR 级，水为一次蒸馏水.1.2DSCs 的制作先用溶胶⁃凝胶法制备TiO 2胶体溶液并配成浆料[9⁃10]，再用平面丝印机将TiO 2浆料印刷到经激光刻划仪(Universal Laser Systems,Inc,USA M ⁃300型)刻划分割并清洗干净的导电玻璃（SnO 2:F,TEC ⁃8,LOF ）的导电面上，每块TiO 2浆料的面积约为0.25cm 2，在450℃的空气气氛下烧结30min 可得纳米TiO 2多孔薄膜，膜厚控制在15μm 左右.接着在这层纳米TiO 2多孔薄膜上继续印刷和烧结一层约4μm 厚、粒径400nm 的TiO 2大颗粒反射层，于450℃的空气气氛下烧结30min.然后，待TiO 2膜冷却到80℃时，立即浸入5×10-4mol ·dm -3联吡啶钌染料[顺二硫氰根⁃双(2,2′⁃联吡啶⁃4,4′⁃二羧酸)合钌(II)]的无水乙醇溶液中，放置过夜，电极表面残存的染料用无水乙醇冲洗除去.将H 2PtCl 6溶液喷涂到导电玻璃的导电面上并在空气中于410℃焙烧20min ，即可得到铂对电极.用密封膜(Surlyn,Dupont)将该铂对电极和染料敏化TiO 2光阳极粘接在一起.电解质溶液可通过铂对电极上事先打出的小孔注534No.5戴松元等：染料敏化纳米薄膜太阳电池中DMPII 浓度的优化SolutionA B C D E F c (DMPII)/mol ·dm -30.60 1.0 1.0 1.0 1.0 1.0c (I 2)/mol ·dm -30.100.100.120.1350.150.17入，并用密封膜和玻璃将其密封，组成四个小电池.最后用黑色遮光纸贴在TiO 2光阳极的外表面，使每个小电池TiO 2光阳极的光照面积为0.09cm 2.1.3测试方法用轮廓仪（XP ⁃2,Ambios Technology Inc,USA ）测量所得纳米TiO 2多孔薄膜的膜厚；由电导率仪（DDSJ ⁃308A ，雷磁，上海精密科学仪器有限公司）和铂黑电导电极（DJS ⁃1C ）测量溶液的电导率.溶液的循环伏安图和电化学阻抗谱是通过电化学工作站（CHI660A,CH Instruments,A ）来测量.循环伏安测量是用两电极体系，以半径为5滋m 的铂超微圆盘电极(CHI107)作工作电极，半径为1mm 的铂圆盘电极作为对电极和参比电极，采用扫描速率（5mV ·s -1)以获得稳态伏安特性曲线.电化学阻抗谱的测量是用铂黑电导电极（DJS ⁃1C,上海雷磁）构成测量池，阻抗测量的频率范围为1Hz~10kHz,偏压为0V ，正弦扰幅为±10mV.每个样品测量后，须将铂黑电导电极用无水乙醇清洗，再用蒸馏水浸泡过夜.太阳电池的光伏性能是用太阳模拟器(氙灯，300SQ ，AM(air mass number)1.5[3]，100mW ·cm -2，光斑面积30cm ×30cm ，光强不均匀性小于3%，中国科学院长春光机所)和数据源表（Keithley 2420，USA ）来测量，测试过程和数据输出是通过Testpoint 软件自动完成.光强的标定是通过标准单晶硅电池（国防3004校准实验室，编号：0035）来校准.2结果与讨论2.1DMPII 的浓度与电导率的关系图1为DMPII 在MePN 中的浓度与电导率的关系.从图中可以看出，当DMPII 的浓度超过1.0mol ·dm -3后，虽然DMPII 在MePN 中仍能溶解，但溶液的电导率不再增大.说明DMPII 的浓度为1.0mol ·dm -3时，溶液中游离的I -浓度较高.游离的I -浓度高，对氧化态染料的还原再生有利,从而有利于提高DSCs 的性能.所以，在MePN 中，DMPII 的最佳浓度为1.0mol ·dm -3.2.2DMPII 浓度对I 3-和I -氧化还原行为的影响图2为含不同浓度DMPII 和不同浓度I 2的MePN 溶液在25℃时的稳态循环伏安图.根据阳极和阴极稳态扩散电流(i s )和公式i s =4nFDr 0c 即可计算出I -和I 3-在MePN 溶液中于25℃时的表观扩散图1DMPII 在MePN 中的浓度与溶液电导率之间的关系Fig.1The relationship between the ionicconductivity and the concentration of DMPII in MePN at 20℃图2含不同浓度的DMPII 和I 2的MePN 溶液的稳态循环伏安图Fig.2Steady ⁃state voltammograms of solutions with DMPII and iodine in MePN at 25℃Initial E =0.70V,high E =0.70V,low E =-0.80V,scan rate 5mV ·s-1535Ac ta Phys.⁃Chim.Sin.穴Wuli Huaxue Xuebao 雪熏2005Vol.21A B C D E F 252.80171.40163.50148.70144.90141.1019.7717.9518.4319.2818.8518.330.880.880.880.880.880.88Solutions R ct /ΩY 0/μF ·s n-1nCPE图3溶液B~F 中I 3-浓度与阴极稳态电流i s 的关系Fig.3The relationship between the cathodicsteady ⁃state current i s and the concentra ⁃tion of I 3-in solution B~FThe components of A,B,C,D,E and F are the same as in Fig.2.106·D (I 3-)/cm 2·s -1 3.32 2.70 2.75 2.70 2.73 2.70106·D (I -)/cm 2·s -13.903.253.213.183.173.14系数(D )[5,12].这里，n 为I 3-和I -在电极反应中得失电子的数目，F 为法拉第常数，r 0为超微电极的半径，c 为溶液中I 3-和I -的浓度.其I -和I 3-在MePN 溶液中于25℃时的表观扩散系数见表1.从表1中可以看出，当I 2的浓度为0.10mol ·dm -3时，I 3-和I -在0.6mol ·dm -3DMPII 中的扩散系数均大于1.0mol ·dm -3DMPII 中的扩散系数,这可能是由于DMPII 浓度增大，溶液粘度增加，而导致扩散系数下降.当然，I 3-的扩散系数下降，对其从纳米TiO 2膜中向对电极的扩散是不利的.当DMPII 浓度为1.0mol ·dm -3时，增大I 2的浓度，I 3-的扩散系数基本不变，I -的扩散系数略有减小，说明改变I 2的浓度，对I 3-和I -的扩散基本上没有影响.由于I 3-的扩散系数基本不随I 2的浓度而变，因此，保持DMPII 的浓度一定，阴极稳态扩散电流与I 2的浓度呈线性关系，随I 2浓度的增加而增大（见图3）.图4为含不同浓度DMPII 和不同浓度I 2的MePN 溶液在25℃的电化学阻抗谱，拟合结果见表2.其中R s 反映溶液的电阻，其大小与用电导率仪测量的溶液电导率的结果一致.即0.60mol ·dm -3DMPII 溶液的电导率低于1.0mol ·dm -3DMPII 的，且当DMPII 的浓度为1.0mol ·dm -3时，增大I 2的浓度，溶液的电导率基本不变.界面传输电阻R ct 反映I 3-和I -扩散到铂黑电极上得失电子的难易，增大I -的浓度，R ct 减小；增大I 3-的浓度，R ct 也减小；这与图2中的阳极和阴极稳态扩散电流的结果相一致.常相位角元件CPE 反映电解池（Pt 黑|电解质溶液|Pt 黑）界面的双电层电容，其导纳公式为：Y Q =Y 0(j 棕)n ，指数n （0≤n ≤1）反映Pt 黑电极表面的粗糙程度，即偏离平板电容的程度.Y 0的数值反映Pt 黑与电解质溶液界面的电双层电容.表2中所有Y 0的数值变化不大，说明DMPII 在Pt 黑电极表面的表1I 3-和I -的表观扩散系数Table 1Apparent diffusion coefficient of triiodide and iodide ions in MePN at 25℃图4溶液A~F 的电化学阻抗谱及等效电路[13⁃15]Fig.4Nyquist diagram of EIS and its equivalentcircuit at 25℃The components of solutions from A to F are the same as in Fig.2.Experimental data are represented by symbols while the solid lines correspond to the fit.■A,▲B,◆C,▶D,★E,●F;R s :serial resistance (resistance of electrolyte);R ct :charge ⁃transfer resistance;CPE:constant phase element.表2电化学阻抗谱的拟合结果Table 2Parameters obtained by fitting the experimental spectra with the equivalentcircuit536No.5戴松元等：染料敏化纳米薄膜太阳电池中DMPII浓度的优化Solution Jsc/mA·cm-2V oc/V FFη(%)A16.130.690.687.49B16.670.700.647.50C16.760.690.708.08D16.410.680.687.56E16.040.680.677.29吸附已达到饱和.2.3含DMPII的DSCs的光伏性能表3列出了由不同浓度的DMPII和不同浓度的I2组成的电解质溶液，其DSCs的光伏性能参数.图5为由电解质溶液A和C组成的DSCs的光电流与电压特性曲线.从中可以看出，当I2的浓度为0.10mol·dm-3,DMPII的浓度由0.60mol·dm-3增大到1.0mol·dm-3时，DSCs的短路光电流密度增大，填充因子减小.前者是由于DMPII的浓度增大，界面传输电阻R ct减小，所以短路光电流密度增大.后者是由于DMPII的浓度增大，I3-的表观扩散系数下降，所以填充因子减小.保持DMPII的浓度为1.0mol·dm-3，提高I2的浓度，发现在I2的浓度为0.12mol·dm-3，DSCs的光电转换效率最高.如果再提高I2的浓度，由于I3-的扩散控制过程已不再是制约DSCs光伏性能的主要因素，而此时I3-与TiO2导带电子的复合增多，所以DSCs的光电转换效率反而下降.3结论利用超微铂电极和循环伏安法及电化学阻抗谱研究了在DMPII的MePN溶液中I3-和I-的氧化还原行为，计算了25℃时I-和I3-在MePN溶液中的表观扩散系数，发现保持DMPII的浓度一定，改变I2的浓度，I3-的扩散系数基本不变，I-的扩散系数略有减小.此外，适当提高电解质溶液中I-和I2的浓度，可降低电极反应的界面传输电阻.以MePN为溶剂，含1.0mol·dm-3DMPII、0.12 mol·dm-3I2、0.10mol·dm-3LiI和0.50mol·dm-3 TBP的电解质溶液，其DSCs的短路光电流密度为16.76mA·cm-2，开路电压为0.69V，填充因子为0.70，光电转换效率达8.08%.References1O′Regan,B.;Grätzel,M.Nature,1991,353:7372Hagfeldt,A.;Grätzel,M.Chem.Rev.,1995,95:493Nazeeruddin,M.K.;Kay,A.;Rodicio,I.;Humphry⁃Baker,R.;Müller,E.;Liska,P.;Vlachopoulos,N.;Grätzel,M.J.Am.Chem.Soc.,1993,115:63824Nazeeruddin,M.K.;Péchy,P.;Renouard,T.;Zakeeruddin,S.M.;Humphry⁃Baker,R.;Comte,P.;Liska,P.;Cevey,L.;Costa,E.;Shklover,V.;Spiccia,L.;Deacon,G.B.;Bignozzi,C.A.;Grätzel, M.J.Am.Chem.Soc.,2001,123:16135Wang,P.;Zakeeruddin,S.M.;Comte,P.;Exnar,I.;Grätzel,M.J.Am.Chem.Soc.,2003,125:11666Bach,U.;Lupo,D.;Comte,P.;Moser,J.E.;Weissörtel,F.;Salbeck,J.;Spreitzer,H.;Grätzel,M.Nature,1998,395:5837Huang,C.H.;Li,F.Y.;Huang,Y.Y.Ultrathin films for optics and electronics.Beijing:Peking University Press,2001:378[黄春辉,李富友，黄岩谊.光电功能超薄膜.北京：北京大学出版社,2001: 378]8Zhang,L.;Ren,Y.J.;Zhang,Z.C.;Fang,S.B.;Tian,H.;Cai,S.M.Chem.J.Chinese Universities,2001,22(7):1105[张莉,任焱杰,张正诚,方世碧,田禾,蔡生民.高等学校化学学报(Gaodeng Xuexiao Huaxue Xuebao),2001,22(7):1105]9Dai,S.Y.;Wang,K.J.Chin.Phys.Lett.,2003,20:953[戴松元,王孔嘉.中国物理快报(Zhongguo Wuli Kuaibao),2003,20:953] 10Hu,L.H.;Dai,S.Y.;Wang,K.J.Acta Physica Sinica,2003,5(9): 2135[胡林华,戴松元,王孔嘉.物理学报(Wuli Xuebao),2003, 52(9):2135]11Bonhäte,P.;Dias,A.P.;Papageorgiou,N.;Kalyanasundaram,K.;Grätzel,M.Inorg.Chem.,1996,35:116812Zhang,Z.X.Electrochemistry for ultramicroelectrodes.Beijing: Science Press,2000:16[张祖训.超微电极电化学.北京：科学出版社,2000:16]13Longo,C.;Nogueira,A.F.;Paoli,M.A.D.J.Phys.Chem.B, 2002,106:5925表3由电解质溶液A~E组成的DSCs的光伏性能Table3Photovoltaic performance of DSCs withelectrolytes A~E**The other components of electrolytes are the same(0.10mol·dm-3LiI,0.50mol·dm-3TBP,in MePN).J sc:short circuit photocurrent density;V oc:open circuit voltage;FF:fill factor;η:photoelectric conversion efficiency图5由电解质溶液A和C组成的DSCs的光伏特性曲线Fig.5Photocurrent鄄voltage characteristics ofDSCs with electrolyte A and C537Ac ta Phys.⁃Chim.Sin.穴Wuli Huaxue Xuebao 雪熏2005Vol.2114Hauch,A.;Georg,A.Electrochimica Acta,2001,46:345715Cao,C.N.;Zhang,J.Q.An introduction to electrochemical impedance spectroscopy.Beijing:Science Press,2002:132[曹楚南,张鉴清.电化学阻抗谱导论.北京:科学出版社,2002:132]:January 19,2005.Correspondent :DAI,Song ⁃Yuan(E ⁃mail :sydai@,Tel :0551⁃5591377).*The Project Supported by NKBRP (G2000028200)Optimization of 1,2⁃dimethyl ⁃3⁃propylimidazolium Iodide Concentration in Dye ⁃sensitized Solar Cells *SHI,Cheng ⁃Wu 1,2DAI,Song ⁃Yuan 1WANG,Kong ⁃Jia 1GUO,Li 1PAN,Xu 1KONG,Fan ⁃Tai 1HU,Lin ⁃Hua 1(1Institute of Plasma Physics,Chinese Academy of Sciences,Hefei 230031;2School of Chemical Engineering,Hefei University ofTechnology,Hefei 230009)Abstract The redox behaviors of I -and I 3-in 3⁃methoxypropionitrile (MePN)with different concentrations of 1,2⁃dimethyl ⁃3⁃propylimidazolium iodide (DMPII)and iodine were investigated by cyclic voltammetry and electrochemical impedance spectroscopy.The photovoltaic performance of dye ⁃sensitized solar cells (DSCs)was compared with electrolytes containing different concentrations of DMPII and iodine.The DSCs with theelectrolyte (1.0mol ·dm -3DMPII,0.10mol·dm -3LiI,0.12mol ·dm -3I 2,0.50mol ·dm -34⁃tert ⁃butylpyridine,in MePN)gave short circuit photocurrent density (J sc )of 16.76mA ·cm -2,open circuit voltage (V oc )of 0.69V,and fill factor (FF)of 0.70,corresponding to a photoelectric conversion efficiency (浊)of 8.08%under one Sun (AM1.5).Keywords:1,2⁃dimethyl ⁃3⁃propylimidazolium iodide,Redox,Dye ⁃sensitized,Solar cell538。
基于Pechini溶胶-凝胶法的染料敏化太阳能电池的优化
基于Pechini溶胶-凝胶法的染料敏化太阳能电池的优化尹月锋;梁桂杰;张强;潘峥;李望南;李在房【摘要】Functional TiO2 films were prepared by using a facile one-step Pechini Sol-Gel method. The intrinsical contribution mechanism of film thickness to the photo-to-electric performance of DSSC was explored with analysis of interfacial charge recombination effects, on which, the characteristics of DSSC were optimizedvia film thickness controlling. The influence of TiO2 film thickness on dye absorption, charge recombination process and photovoltaic performance of DSSC were by UV-Vis, electrochemical impedance spectroscopy andI-V test under dark condition, respectively. The results show that as TiO2 film thickness increases, the light harvesting efficiency and photocurrent of DSSC increase, which were induced by the enhancement of dye absorption. However, the photovoltage decreases gradually with the increaese of electron recombination probability. As an increase, combination of the positive and negative effects above enables the Pechini-type DSSC efficiency first increase and then decline, with an optimum efficiency of 7.75% at the film thickness of 10.7μm, in contrast to 6.5% of the routine method.%采用Pechini 溶胶–凝胶法一步反应工艺制备功能型的 TiO2薄膜，基于界面电荷复合效应探讨 Pechini 型TiO2膜厚对电池光电性能的影响机制，并通过膜厚调控对电池性能进行优化。
染料敏化太阳能电池的制备及结构优化
染料敏化太阳能电池的制备及结构优化染料敏化太阳能电池，听起来是不是有点儿高大上？别担心，我给你说说这玩意儿是怎么回事，轻松又有趣。
太阳能电池嘛，不用多解释吧，大家都知道就是用太阳光转化成电能的神器。
而染料敏化太阳能电池就更神奇了，它跟普通的太阳能电池不太一样。
它借助了“染料”这种东西来提升效率，说白了，它的工作原理就是让太阳光通过一种特殊的染料，刺激电池中的电子产生电流，从而转化成电能。
你是不是觉得挺有趣的？就像是给太阳能电池打了个“兴奋剂”，让它工作更高效了。
不过，要想让这类太阳能电池发挥最大效能，可不是那么简单的事儿。
这里面有很多细节，得一层一层去优化和调整。
咱们今天就来聊聊染料敏化太阳能电池的制备过程，顺便看看有哪些地方可以优化。
首先要说的是染料的选择，嗯，这个事儿就像是选食材一样，选对了，效果立竿见影，选错了，结果可能就不太好。
我们通常会选择一些有机染料，它们能够吸收太阳光中的紫外线和可见光，然后通过电池的内部结构传递到电极上去。
不过，选错了染料就可能导致吸光效率低，甚至没啥效果。
想象一下，如果你用了个染料，它根本就不吸光，那电池的表现还能好吗？接下来说说电池的结构设计。
说到这里，你可以想象一下，染料敏化太阳能电池就像一个有很多零部件的机器，每个部件都很重要。
如果哪个环节做不好，整台机器就有可能跑不动。
所以，电池的电极材料、孔隙结构，还有电解质等，都得好好设计。
你想啊，如果电极设计得不够好，电流就可能传递不顺畅，电池的效率就低了。
电池内部的孔隙结构也得安排得巧妙，不然光线进不去，染料就没法发挥作用了。
说白了，就是每个小细节都得精心雕琢，不能马虎。
而你可能觉得这些技术性的东西挺难懂的，其实呢，说白了，就是要找到一种既能有效吸收太阳光，又能让电流顺畅流动的设计。
就好像做饭一样，火候掌握得好，菜做出来就香；如果火候不对，可能就糊锅了。
那电池也是，结构不对，效果就打折扣。
除了这些，还得考虑到染料的稳定性。
染料敏化纳米薄膜太阳能电池
构薄膜应用到聚合物和离子液体 DSSC中 。这些结构 等 。 [13 - 17 ]
能减少电子在薄膜中的传输路径 , 降低复合几率 , 且
魏月琳等将交联聚丙烯酸颗粒浸入到电解质溶液
具有更大的孔隙率 , 有利于电解质中空穴材料的传 中 , 以吸附了 ( KI + I2 ) 的聚合物 /L iClO4 和聚合物 /
染料与染色 Vol147 No14
周娴 , 等 染料敏化纳米薄膜太阳能电池
2010年 8月
的导电高分子聚合物 , 必须满足以下条件 [19] : ( 1) 敏染料。它们在可见光区有较宽的吸收光谱 , 良好的
聚合反应能在有水等杂质的情况下开始和完成 ; (2) 氧化还原性和激发反应活性 , 激发态和氧化态寿命
输。
NaCl为准固体电解质组装成 DSSC[14 ] 。交联聚丙烯酸
近几年来 , 柔性染料敏化太阳能电池的制备逐渐 是一种交联密度较低的立体网状结构 , 其分子中包含
成为人们研究的一个热点 , 它具有重量轻、挠性好、 有大量的极性基团羟基、羧基 , 作为凝胶剂能较好地
抗冲击、成本低、可进行各种形状或表面设计等优 与 TiO2 和染料分子相结合 , 有利于电子的传递 。实
法。
和 0168, 光电转换效率分别为 0106%和 0104%。表
明该电池有较好的光电转换性能 。
3 电解质体系
D SSC中电解质的关键作用是将电子传输给氧化 态的染料分子 , 并将空穴传输到对电极 。传统的有机 溶剂液态电解质存在易挥发的缺点 , 近些年来发展起 来离子液态电解质克服了这个缺点 , 它具有非常小的 饱和蒸气压、不挥发 、无色、无嗅 ; 较大的稳定温度 范围 , 较好的化学稳定性及较宽的电化学稳定电位窗 口等优点 。 2008 年 , W ang [12 ]等合成了 5 种新型的 12醋酸乙烯 232烷基咪唑碘化物离子液态电解质。虽然 离子液态电解质性能优于有机溶剂电解质 , 但仍然存 在着诸如封装困难 , 易泄露等问题 , 从而给染料敏化 纳米晶 TiO2 太阳能电池的实际应用带来困难。为解 决这些问题 , 人们已经逐渐开始关注固态和准固态电 解质 , 并取得了一定的进展。其中 , 高分子聚合物作 为固态或准固态电解质是主要的研究方向之一 , 包括 高分子聚合物凝胶电解质和导电高分子聚合物固态电
染料敏化太阳能电池光阳极TiO2薄膜的研究进展
染料敏化太阳能电池光阳极TiO2薄膜的研究进展黄娟茹;谭欣;于涛;赵林;吴天彧【期刊名称】《材料导报》【年(卷),期】2011(025)013【摘要】在概述染料敏化太阳能电池工作原理基础上,着重分析电池光阳极TiO<,2>薄膜的特性,并指出该薄膜在电池中所起的作用:负载染料、收集光生电子、分离电荷和传输光生电子;继而从表面修饰、离子掺杂、量子点敏化、制备复合薄膜、设计微观有序空间结构、设计核壳结构以及多手段共改性等方面对TiO<,2>薄膜改性手段进行综述,并详细分析改性手段优化染料敏化太阳能电池性能的原因;最后,提出应把优化光阳极TiO<,2>薄膜制备工艺及探讨薄膜接触面工作机理等作为今后的研究重点.【总页数】8页(P134-141)【作者】黄娟茹;谭欣;于涛;赵林;吴天彧【作者单位】天津大学化工学院,天津,300072;天津大学化工学院,天津,300072;天津大学环境科学与工程学院,天津,300072;天津大学化工学院,天津,300072;天津大学环境科学与工程学院,天津,300072;天津大学环境科学与工程学院,天津,300072【正文语种】中文【相关文献】1.染料敏化太阳能电池中 TiO2和ZnO 薄膜光阳极制备方法述评 [J], 张林森;白庆玲;宋铁峰;刘赟;王力臻;李素珍2.染料敏化太阳能电池TiO2光阳极改性研究进展 [J], 孟飞;肖陆飞3.染料敏化太阳能电池TiO2光阳极的最新研究进展 [J], 宋现爽;谢巧;谢智中4.基于纳米晶 TiO2染料敏化太阳能电池光阳极研究进展 [J], 郭俊雄;崔旭梅;蓝德均;左承阳5.阳极氧化TiN薄膜制备N掺杂纳米TiO2薄膜及其可见光活性 [J], 余志勇;张维;马明;崔晓莉因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
染料敏化纳米薄膜太阳电池的研究进展
种很有发展前 途的太 阳电池 。本文对这种 电池 的发展 ， 特点及其染料 敏化剂 的研究进 展进行 了分 析和
关 键 词 ： 料 ； 化 ； 氧 化 钛 ； 阳 电池 染 敏 二 太 中 图分 类 号 ：Ｑ １ Ｔ ６０ 文 献 标 识 码 ： Ａ
Ｒｅ ｅ ｒ ｈ ｄ ｖ ｌ ｐ ｅ ｔ ｏ ｈ ｙ ｅ ｓｔ ｅ ｏ ａ ｅｌ ｓ ａ ｃ ｅ ｅｏ ｍ ｎ ｆｔ ｅ ｄ ｅ ｓ ｎ ｉ ｚ ｄ ｓ ｌ ｒ ｃ ｌ ｉ
太 阳能是 最干 净而 又 取之 不 尽 的 自然 能 源 ， 太
体 的悬 浮物 来光 降解有毒 物质方 面 的研 究 。
阳每年 向地球 输 送 ３×１ Ｊ的能 量 ， ０ 我们 只需 要利 用 其 中很 小 的一部 分 ， 可 以满 足 人类 的需 要 。进 就 入二 十世 纪 以来 ， 人类 的工 业 文 明得 以迅 猛 发 展 ，
维普资讯
化
学
工
程
师
Ｃ ｅ ｉａ Ｅ ｇｎｅ ｈｍｃｌ ｎ ｉ ｒ ｅ
２０ ０ ７年 ｌ ２月
文章编号 ：０ ２—１２ （０ ７）２— ０ ９—０ １０ １４ ２０ １ ０ ２ ３
综
述
染料敏化纳米薄膜 太阳电池的
研 究进 展
胡智 学 ， 鸣毅 钱
由此 引发 的能 源 危 机 和 环 境 污 染 成 为 亟 待 解 决 的 问题 ， 利用和转 换 太 阳能 是解 决 世 界范 嘲 内 的能 源 危机 和环境污 染 的一条重 要途 径 。
（） ２ 直接把太 阳能转变成 电能 ， 这种光伏电池
可分 成两类 ， 类 是 把 染 料 分散 在 溶 液 中 ， 一 由光使 其产 生氧化 还原 反应 ， 另一类 是 光使 半 导 体 和 电介 质在 其界 面 产 生 电荷 分 离 。前 一 种 电 子 的交 换 很 快 ， 效率 很低 ； 一 种液 结 电池 中 ， 带 隙半 导 体 但 后 低 都表 现 出 良好 的光 电转 换 效 率 （ １％ ～２％ 之 在 ５ ０ 间 ） 但这些 窄 带 隙单 晶 材 料 的 昂 贵价 格 和 稳 定 性 ，
染料敏化太阳能电池及TiO2薄膜材料研究进展
染料敏化太阳能电池及TiO2薄膜材料研究进展李丽;张贵友;陈人杰;陈实;吴锋【期刊名称】《功能材料》【年(卷),期】2008(039)011【摘要】染料敏化太阳能电池是一种新型的太阳能电池,与传统的硅太阳能电池相比,由于具有原材料来源广泛、成本低、理论转换效率高等诸多优点,因此成为下一代新型太阳能电池的瞩目产品.就染料敏化太阳能电池的结构与工作原理,对其纳米多孔TiO2薄膜电极材料的研究现状进行了详细阐述,并对太阳能电池及其关键材料的发展方向进行了展望.【总页数】5页(P1765-1769)【作者】李丽;张贵友;陈人杰;陈实;吴锋【作者单位】北京理工大学,化工与环境学院,环境科学工程北京重点实验室,北京,100081;国家高技术绿色材料发展中心,北京,100081;北京理工大学,化工与环境学院,环境科学工程北京重点实验室,北京,100081;北京理工大学,化工与环境学院,环境科学工程北京重点实验室,北京,100081;国家高技术绿色材料发展中心,北京,100081;北京理工大学,化工与环境学院,环境科学工程北京重点实验室,北京,100081;国家高技术绿色材料发展中心,北京,100081;北京理工大学,化工与环境学院,环境科学工程北京重点实验室,北京,100081;国家高技术绿色材料发展中心,北京,100081【正文语种】中文【中图分类】O647【相关文献】1.Ce3+/Y3+双掺杂TiO2薄膜的制备及其r在染料敏化太阳能电池中的应用 [J], 张普涛;王岩;秦艺颖;胡志强2.染料敏化太阳能电池光阳极TiO2薄膜的研究进展 [J], 黄娟茹;谭欣;于涛;赵林;吴天彧3.TiO2/Sm3+下转换薄膜的制备及其在染料敏化太阳能电池中的应用 [J], 聂铭歧;胡志强;秦艺颖;张临安;郝洪顺;刘贵山4.骨架结构多孔TiO2薄膜增强染料敏化太阳能电池性能 [J], 贺凤龙;王苹;黄彦民5.基于多功能层TiO2薄膜增强染料敏化太阳能电池性能 [J], 罗军;廖斌;吴先映;张旭因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
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2004⁃11⁃09收到初稿,2005⁃01⁃19收到修改稿.联系人：戴松元（E ⁃mail ：sydai@;Tel ：0551⁃5591377）.*国家重点基础研究发展规划项目（G2000028200）资助染料敏化纳米薄膜太阳电池中DMPII 浓度的优化*史成武1,2戴松元1王孔嘉1郭力1潘旭1孔凡太1胡林华1（1中国科学院等离子体物理研究所，合肥230031;2合肥工业大学化工学院，合肥230009)摘要利用超微铂电极和循环伏安法及电化学阻抗谱研究了在1,2⁃二甲基⁃3⁃丙基咪唑碘(DMPII)的3⁃甲氧基丙腈(MePN)溶液中I 3-和I -的氧化还原行为，并对比了由不同浓度的I 2和DMPII 组成的电解质溶液，其染料敏化纳米薄膜太阳电池(DSCs)的光伏性能.发现以MePN 为溶剂，含1.0mol ·dm -3DMPII 、0.12mol ·dm -3I 2、0.10mol ·dm -3LiI 和0.50mol ·dm -34⁃叔丁基吡啶的电解质溶液，其DSCs 的短路光电流密度为16.67mA ·cm -2、开路电压为0.69V 、填充因子为0.70、光电转换效率达8.08%.关键词：1,2⁃二甲基⁃3⁃丙基咪唑碘，氧化还原，染料敏化，太阳电池中图分类号：O646,TK514物理化学学报（Wuli Huaxue Xuebao ）Acta Phys.⁃Chim.Sin .,2005,21(5):534~538May1991年Gr ätzel 等人[1]利用自己合成的联吡啶钌(II)配合物染料和纳米多孔TiO 2薄膜制备的染料敏化纳米薄膜太阳电池（以下简称为DSCs ），获得了7.1%的光电转换效率，十多年来，DSCs 的研究进展很快[2⁃10].DSCs 主要是由染料敏化纳米TiO 2光阳极、电解质和对电极三部分组成.其中纳米多孔TiO 2薄膜的膜厚通常为10μm ，且对于10μm 的纳米多孔TiO 2薄膜而言，液体电解质溶液中相应的1,2⁃二甲基⁃3⁃丙基咪唑碘(DMPII)最适宜的浓度是0.60mol ·dm -3，碘的最适宜浓度是0.10mol ·dm -3.DMPII 易溶于3⁃甲氧基丙腈(MePN)，且其浓度达到1.0mol ·dm -3时，溶液的电导率最大.理论上讲，DSCs 电解质溶液中游离的I -浓度越高，氧化态染料的还原再生就越快，也就越有利于染料对光的吸收和减少氧化态染料与TiO 2导带电子的复合.因此，系统地研究DMPII 的浓度对I 3-和I -氧化还原行为的影响是十分必要的.本文利用超微铂电极和循环伏安法及电化学阻抗谱研究了I 3-和I -在以3⁃甲氧基丙腈为溶剂的DMPII 溶液中的氧化还原行为，并对比了由不同浓度的I 2(实际上是I 3-）和DMPII 组成电解质溶液的DSCs 光伏性能.1实验部分1.1试剂无水碘化锂(LiI)、碘(I 2)、4⁃叔丁基吡啶(TBP)和3⁃甲氧基丙腈购买于Fluka 公司，使用时未进一步纯化.1,2⁃二甲基⁃3⁃丙基咪唑碘是由1,2⁃二甲基咪唑(Aldrich)和碘丙烷(Fluka)合成的[11]，其纯度用600MHz 1H NMR (DMX ⁃600,Bruker,Switzer ⁃land)进行表征，符合使用要求.所用溶剂无水乙醇为AR 级，水为一次蒸馏水.1.2DSCs 的制作先用溶胶⁃凝胶法制备TiO 2胶体溶液并配成浆料[9⁃10]，再用平面丝印机将TiO 2浆料印刷到经激光刻划仪(Universal Laser Systems,Inc,USA M ⁃300型)刻划分割并清洗干净的导电玻璃（SnO 2:F,TEC ⁃8,LOF ）的导电面上，每块TiO 2浆料的面积约为0.25cm 2，在450℃的空气气氛下烧结30min 可得纳米TiO 2多孔薄膜，膜厚控制在15μm 左右.接着在这层纳米TiO 2多孔薄膜上继续印刷和烧结一层约4μm 厚、粒径400nm 的TiO 2大颗粒反射层，于450℃的空气气氛下烧结30min.然后，待TiO 2膜冷却到80℃时，立即浸入5×10-4mol ·dm -3联吡啶钌染料[顺二硫氰根⁃双(2,2′⁃联吡啶⁃4,4′⁃二羧酸)合钌(II)]的无水乙醇溶液中，放置过夜，电极表面残存的染料用无水乙醇冲洗除去.将H 2PtCl 6溶液喷涂到导电玻璃的导电面上并在空气中于410℃焙烧20min ，即可得到铂对电极.用密封膜(Surlyn,Dupont)将该铂对电极和染料敏化TiO 2光阳极粘接在一起.电解质溶液可通过铂对电极上事先打出的小孔注534No.5戴松元等：染料敏化纳米薄膜太阳电池中DMPII 浓度的优化SolutionA B C D E F c (DMPII)/mol ·dm -30.60 1.0 1.0 1.0 1.0 1.0c (I 2)/mol ·dm -30.100.100.120.1350.150.17入，并用密封膜和玻璃将其密封，组成四个小电池.最后用黑色遮光纸贴在TiO 2光阳极的外表面，使每个小电池TiO 2光阳极的光照面积为0.09cm 2.1.3测试方法用轮廓仪（XP ⁃2,Ambios Technology Inc,USA ）测量所得纳米TiO 2多孔薄膜的膜厚；由电导率仪（DDSJ ⁃308A ，雷磁，上海精密科学仪器有限公司）和铂黑电导电极（DJS ⁃1C ）测量溶液的电导率.溶液的循环伏安图和电化学阻抗谱是通过电化学工作站（CHI660A,CH Instruments,A ）来测量.循环伏安测量是用两电极体系，以半径为5滋m 的铂超微圆盘电极(CHI107)作工作电极，半径为1mm 的铂圆盘电极作为对电极和参比电极，采用扫描速率（5mV ·s -1)以获得稳态伏安特性曲线.电化学阻抗谱的测量是用铂黑电导电极（DJS ⁃1C,上海雷磁）构成测量池，阻抗测量的频率范围为1Hz~10kHz,偏压为0V ，正弦扰幅为±10mV.每个样品测量后，须将铂黑电导电极用无水乙醇清洗，再用蒸馏水浸泡过夜.太阳电池的光伏性能是用太阳模拟器(氙灯，300SQ ，AM(air mass number)1.5[3]，100mW ·cm -2，光斑面积30cm ×30cm ，光强不均匀性小于3%，中国科学院长春光机所)和数据源表（Keithley 2420，USA ）来测量，测试过程和数据输出是通过Testpoint 软件自动完成.光强的标定是通过标准单晶硅电池（国防3004校准实验室，编号：0035）来校准.2结果与讨论2.1DMPII 的浓度与电导率的关系图1为DMPII 在MePN 中的浓度与电导率的关系.从图中可以看出，当DMPII 的浓度超过1.0mol ·dm -3后，虽然DMPII 在MePN 中仍能溶解，但溶液的电导率不再增大.说明DMPII 的浓度为1.0mol ·dm -3时，溶液中游离的I -浓度较高.游离的I -浓度高，对氧化态染料的还原再生有利,从而有利于提高DSCs 的性能.所以，在MePN 中，DMPII 的最佳浓度为1.0mol ·dm -3.2.2DMPII 浓度对I 3-和I -氧化还原行为的影响图2为含不同浓度DMPII 和不同浓度I 2的MePN 溶液在25℃时的稳态循环伏安图.根据阳极和阴极稳态扩散电流(i s )和公式i s =4nFDr 0c 即可计算出I -和I 3-在MePN 溶液中于25℃时的表观扩散图1DMPII 在MePN 中的浓度与溶液电导率之间的关系Fig.1The relationship between the ionicconductivity and the concentration of DMPII in MePN at 20℃图2含不同浓度的DMPII 和I 2的MePN 溶液的稳态循环伏安图Fig.2Steady ⁃state voltammograms of solutions with DMPII and iodine in MePN at 25℃Initial E =0.70V,high E =0.70V,low E =-0.80V,scan rate 5mV ·s-1535Ac ta Phys.⁃Chim.Sin.穴Wuli Huaxue Xuebao 雪熏2005Vol.21A B C D E F 252.80171.40163.50148.70144.90141.1019.7717.9518.4319.2818.8518.330.880.880.880.880.880.88Solutions R ct /ΩY 0/μF ·s n-1nCPE图3溶液B~F 中I 3-浓度与阴极稳态电流i s 的关系Fig.3The relationship between the cathodicsteady ⁃state current i s and the concentra ⁃tion of I 3-in solution B~FThe components of A,B,C,D,E and F are the same as in Fig.2.106·D (I 3-)/cm 2·s -1 3.32 2.70 2.75 2.70 2.73 2.70106·D (I -)/cm 2·s -13.903.253.213.183.173.14系数(D )[5,12].这里，n 为I 3-和I -在电极反应中得失电子的数目，F 为法拉第常数，r 0为超微电极的半径，c 为溶液中I 3-和I -的浓度.其I -和I 3-在MePN 溶液中于25℃时的表观扩散系数见表1.从表1中可以看出，当I 2的浓度为0.10mol ·dm -3时，I 3-和I -在0.6mol ·dm -3DMPII 中的扩散系数均大于1.0mol ·dm -3DMPII 中的扩散系数,这可能是由于DMPII 浓度增大，溶液粘度增加，而导致扩散系数下降.当然，I 3-的扩散系数下降，对其从纳米TiO 2膜中向对电极的扩散是不利的.当DMPII 浓度为1.0mol ·dm -3时，增大I 2的浓度，I 3-的扩散系数基本不变，I -的扩散系数略有减小，说明改变I 2的浓度，对I 3-和I -的扩散基本上没有影响.由于I 3-的扩散系数基本不随I 2的浓度而变，因此，保持DMPII 的浓度一定，阴极稳态扩散电流与I 2的浓度呈线性关系，随I 2浓度的增加而增大（见图3）.图4为含不同浓度DMPII 和不同浓度I 2的MePN 溶液在25℃的电化学阻抗谱，拟合结果见表2.其中R s 反映溶液的电阻，其大小与用电导率仪测量的溶液电导率的结果一致.即0.60mol ·dm -3DMPII 溶液的电导率低于1.0mol ·dm -3DMPII 的，且当DMPII 的浓度为1.0mol ·dm -3时，增大I 2的浓度，溶液的电导率基本不变.界面传输电阻R ct 反映I 3-和I -扩散到铂黑电极上得失电子的难易，增大I -的浓度，R ct 减小；增大I 3-的浓度，R ct 也减小；这与图2中的阳极和阴极稳态扩散电流的结果相一致.常相位角元件CPE 反映电解池（Pt 黑|电解质溶液|Pt 黑）界面的双电层电容，其导纳公式为：Y Q =Y 0(j 棕)n ，指数n （0≤n ≤1）反映Pt 黑电极表面的粗糙程度，即偏离平板电容的程度.Y 0的数值反映Pt 黑与电解质溶液界面的电双层电容.表2中所有Y 0的数值变化不大，说明DMPII 在Pt 黑电极表面的表1I 3-和I -的表观扩散系数Table 1Apparent diffusion coefficient of triiodide and iodide ions in MePN at 25℃图4溶液A~F 的电化学阻抗谱及等效电路[13⁃15]Fig.4Nyquist diagram of EIS and its equivalentcircuit at 25℃The components of solutions from A to F are the same as in Fig.2.Experimental data are represented by symbols while the solid lines correspond to the fit.■A,▲B,◆C,▶D,★E,●F;R s :serial resistance (resistance of electrolyte);R ct :charge ⁃transfer resistance;CPE:constant phase element.表2电化学阻抗谱的拟合结果Table 2Parameters obtained by fitting the experimental spectra with the equivalentcircuit536No.5戴松元等：染料敏化纳米薄膜太阳电池中DMPII浓度的优化Solution Jsc/mA·cm-2V oc/V FFη(%)A16.130.690.687.49B16.670.700.647.50C16.760.690.708.08D16.410.680.687.56E16.040.680.677.29吸附已达到饱和.2.3含DMPII的DSCs的光伏性能表3列出了由不同浓度的DMPII和不同浓度的I2组成的电解质溶液，其DSCs的光伏性能参数.图5为由电解质溶液A和C组成的DSCs的光电流与电压特性曲线.从中可以看出，当I2的浓度为0.10mol·dm-3,DMPII的浓度由0.60mol·dm-3增大到1.0mol·dm-3时，DSCs的短路光电流密度增大，填充因子减小.前者是由于DMPII的浓度增大，界面传输电阻R ct减小，所以短路光电流密度增大.后者是由于DMPII的浓度增大，I3-的表观扩散系数下降，所以填充因子减小.保持DMPII的浓度为1.0mol·dm-3，提高I2的浓度，发现在I2的浓度为0.12mol·dm-3，DSCs的光电转换效率最高.如果再提高I2的浓度，由于I3-的扩散控制过程已不再是制约DSCs光伏性能的主要因素，而此时I3-与TiO2导带电子的复合增多，所以DSCs的光电转换效率反而下降.3结论利用超微铂电极和循环伏安法及电化学阻抗谱研究了在DMPII的MePN溶液中I3-和I-的氧化还原行为，计算了25℃时I-和I3-在MePN溶液中的表观扩散系数，发现保持DMPII的浓度一定，改变I2的浓度，I3-的扩散系数基本不变，I-的扩散系数略有减小.此外，适当提高电解质溶液中I-和I2的浓度，可降低电极反应的界面传输电阻.以MePN为溶剂，含1.0mol·dm-3DMPII、0.12 mol·dm-3I2、0.10mol·dm-3LiI和0.50mol·dm-3 TBP的电解质溶液，其DSCs的短路光电流密度为16.76mA·cm-2，开路电压为0.69V，填充因子为0.70，光电转换效率达8.08%.References1O′Regan,B.;Grätzel,M.Nature,1991,353:7372Hagfeldt,A.;Grätzel,M.Chem.Rev.,1995,95:493Nazeeruddin,M.K.;Kay,A.;Rodicio,I.;Humphry⁃Baker,R.;Müller,E.;Liska,P.;Vlachopoulos,N.;Grätzel,M.J.Am.Chem.Soc.,1993,115:63824Nazeeruddin,M.K.;Péchy,P.;Renouard,T.;Zakeeruddin,S.M.;Humphry⁃Baker,R.;Comte,P.;Liska,P.;Cevey,L.;Costa,E.;Shklover,V.;Spiccia,L.;Deacon,G.B.;Bignozzi,C.A.;Grätzel, M.J.Am.Chem.Soc.,2001,123:16135Wang,P.;Zakeeruddin,S.M.;Comte,P.;Exnar,I.;Grätzel,M.J.Am.Chem.Soc.,2003,125:11666Bach,U.;Lupo,D.;Comte,P.;Moser,J.E.;Weissörtel,F.;Salbeck,J.;Spreitzer,H.;Grätzel,M.Nature,1998,395:5837Huang,C.H.;Li,F.Y.;Huang,Y.Y.Ultrathin films for optics and electronics.Beijing:Peking University Press,2001:378[黄春辉,李富友，黄岩谊.光电功能超薄膜.北京：北京大学出版社,2001: 378]8Zhang,L.;Ren,Y.J.;Zhang,Z.C.;Fang,S.B.;Tian,H.;Cai,S.M.Chem.J.Chinese Universities,2001,22(7):1105[张莉,任焱杰,张正诚,方世碧,田禾,蔡生民.高等学校化学学报(Gaodeng Xuexiao Huaxue Xuebao),2001,22(7):1105]9Dai,S.Y.;Wang,K.J.Chin.Phys.Lett.,2003,20:953[戴松元,王孔嘉.中国物理快报(Zhongguo Wuli Kuaibao),2003,20:953] 10Hu,L.H.;Dai,S.Y.;Wang,K.J.Acta Physica Sinica,2003,5(9): 2135[胡林华,戴松元,王孔嘉.物理学报(Wuli Xuebao),2003, 52(9):2135]11Bonhäte,P.;Dias,A.P.;Papageorgiou,N.;Kalyanasundaram,K.;Grätzel,M.Inorg.Chem.,1996,35:116812Zhang,Z.X.Electrochemistry for ultramicroelectrodes.Beijing: Science Press,2000:16[张祖训.超微电极电化学.北京：科学出版社,2000:16]13Longo,C.;Nogueira,A.F.;Paoli,M.A.D.J.Phys.Chem.B, 2002,106:5925表3由电解质溶液A~E组成的DSCs的光伏性能Table3Photovoltaic performance of DSCs withelectrolytes A~E**The other components of electrolytes are the same(0.10mol·dm-3LiI,0.50mol·dm-3TBP,in MePN).J sc:short circuit photocurrent density;V oc:open circuit voltage;FF:fill factor;η:photoelectric conversion efficiency图5由电解质溶液A和C组成的DSCs的光伏特性曲线Fig.5Photocurrent鄄voltage characteristics ofDSCs with electrolyte A and C537Ac ta Phys.⁃Chim.Sin.穴Wuli Huaxue Xuebao 雪熏2005Vol.2114Hauch,A.;Georg,A.Electrochimica Acta,2001,46:345715Cao,C.N.;Zhang,J.Q.An introduction to electrochemical impedance spectroscopy.Beijing:Science Press,2002:132[曹楚南,张鉴清.电化学阻抗谱导论.北京:科学出版社,2002:132]:January 19,2005.Correspondent :DAI,Song ⁃Yuan(E ⁃mail :sydai@,Tel :0551⁃5591377).*The Project Supported by NKBRP (G2000028200)Optimization of 1,2⁃dimethyl ⁃3⁃propylimidazolium Iodide Concentration in Dye ⁃sensitized Solar Cells *SHI,Cheng ⁃Wu 1,2DAI,Song ⁃Yuan 1WANG,Kong ⁃Jia 1GUO,Li 1PAN,Xu 1KONG,Fan ⁃Tai 1HU,Lin ⁃Hua 1(1Institute of Plasma Physics,Chinese Academy of Sciences,Hefei 230031;2School of Chemical Engineering,Hefei University ofTechnology,Hefei 230009)Abstract The redox behaviors of I -and I 3-in 3⁃methoxypropionitrile (MePN)with different concentrations of 1,2⁃dimethyl ⁃3⁃propylimidazolium iodide (DMPII)and iodine were investigated by cyclic voltammetry and electrochemical impedance spectroscopy.The photovoltaic performance of dye ⁃sensitized solar cells (DSCs)was compared with electrolytes containing different concentrations of DMPII and iodine.The DSCs with theelectrolyte (1.0mol ·dm -3DMPII,0.10mol·dm -3LiI,0.12mol ·dm -3I 2,0.50mol ·dm -34⁃tert ⁃butylpyridine,in MePN)gave short circuit photocurrent density (J sc )of 16.76mA ·cm -2,open circuit voltage (V oc )of 0.69V,and fill factor (FF)of 0.70,corresponding to a photoelectric conversion efficiency (浊)of 8.08%under one Sun (AM1.5).Keywords:1,2⁃dimethyl ⁃3⁃propylimidazolium iodide,Redox,Dye ⁃sensitized,Solar cell538。