材料物理14组 实验报告--终极版教材

材料物理课程演示实验

实验一染料敏化太阳能电池DSSC

【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、掌握制备TiO2溶胶的方法和制备染料敏化电池的操作过程。

3、检测，评价太阳能敏化电池的性能。

【实验原理】

染料敏化太阳能电池

1、其主要优势是：原材料丰富、成本低、工艺技术相对简单，在大面积工业化生产中具有较大的优势，同时所有原材料和生产工艺都是无毒、无污染的，部分材料可以得到充分的回收，对保护人类环境具有重要的意义。自从1991年瑞士洛桑高工(EPFL)M. Grtzel教授领导的研究小组在该技术上取得突破以来，欧、美、日等发达国家投入大量资金研发。

2、结构组成：

主要由纳米多孔半导体薄膜、染料敏化剂、氧化还原电解质、对电极和导电基底等几部分组成。纳米多孔半导体薄膜通常为金属氧化物(TiO2、SnO2、ZnO 等)，聚集在有透明导电膜的玻璃板上作为DSSC的负极。对电极作为还原催化剂，通常在带有透明导电膜的玻璃上镀上铂。敏化染料吸附在纳米多孔二氧化钛膜面上。正负极间填充的是含有氧化还原电对的电解质，最常用的是KCl（氯化钾）。

3、原理：

当光照射到电池表面时，吸附在TiO2光电极表面的染料分子受到激发由基态S跃迁到激发态S*，然后将一个电子注入到TiO2导带内，此时染料分子自身转变为S+。注入到TiO2层的电子富集到导电基底，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氧化溶液中的电子给体，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I3-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映循环。

图1 实验原理图

研究结果表明：只有非常靠近TiO2表面的敏化剂分子才能顺利把电子注入到TiO2导带中去，多层敏化剂的吸附反而会阻碍电子运输;染料色激发态寿命很短，必须与电极紧密结合，最好能化学吸附到电极上;染料分子的光谱响应范围和量子产率是影响DSC的光子俘获量的关键因素。到目前为止，电子在染料敏化二氧化钛纳米晶电极中的传输机理还不十分清楚，有Weller等的隧穿机理、Lindquist等的扩散模型等，有待于进一步研究。

【实验仪器】

电池架1组、导电玻璃光阳极3片、导电玻璃对电极3片、鳄鱼夹导线2根、染料溶液1ml、电解液溶液1ml、棕色试剂10ml 1个、蜂鸣器1个、染料浸泡盒1个、无尘纸3张、吸附纸12*12mm 3张、铝胶带6条、双面胶6条、镊子1个、4B铅笔1支、滴管1支、手套1副、螺丝刀1把、螺钉8支、橡胶条6根、铜片4件、无水乙醇。

【实验内容】

1、染料的制备

将染料倒入棕色瓶中，缓缓加入无水乙醇，之后反复震荡10-15分钟。

2、光阳极浸泡染料

将带有TiO2的导电玻璃放入浸泡盒中，倒入染料。避光浸泡20-30分钟，用镊子取出晾干。TiO2呈红色，为太阳能的负极。

3、制作对电极

将双面胶粘在导电玻璃导电面，用4B铅笔将导电玻璃涂黑，为太阳能正极。

4、粘贴铝胶带

将铝胶带粘在导电玻璃的边缘。

5、组装电池

将电池架放在水平桌子上，左正极，右负极，用镊子将三块吸附纸覆盖光阳极，用吸管吸附电解液均匀滴在无尘纸上，全部浸透，没有溢出，铜片放在电池架上，对电极导电面朝下放在电池架上，铝胶带面在左侧，放长橡皮条在右侧，压上另一个电池架，固定螺钉，是三块电池串联。

6、电路连接

电池正极连接红色鳄鱼夹，负极连黑色，再连上蜂鸣器。

【实验现象】

在阳光下，可以听到蜂鸣器的响声。

【总结】

该实验的难点就是染料的浸泡与电池的组装，在实验中，我们注意到以下几点：铝胶带比较窄，防止过宽导致短路；正负极的红黑导线的连接一定注意正确连接；铜片在电池架上一定要紧紧压实；染料的充分浸泡。在实验中由于铝胶带窄，所以粘胶带花了很久的时间，小组同学一起完成实验，分工明确，有人实验，有人摄像等，当蜂鸣器响的时候，大家都特别开心。在一番努力后，我认为我们小组对染料敏化电池的原理有了更清楚的认识，对制作太阳能电池的操作过程也非常熟悉，在操作前都看了很多遍，我觉得大家一起的实验过程就很值得回忆。

实验二旋转LED

【实验目的】

本实验基于人的视觉停留效果，即物体在快速运动时, 当人眼所看到的影像消失后，人眼仍能继续保留其影像0.1-0.4秒左右的图像，设计了一个在高速旋转的电机上用利用51单片机控制单排LED灯的亮灭，进行字符或图形的显示。【实验原理】

1、LED工作原理：

LED由一个PN结组成，具有单向导电性。当给发光二极管加上正向电压后，从P区注入到N区的空穴和由N区注入到P区的电子，在PN结附近数微米内分别与N区的电子和P区的空穴复合，产生自发辐射的荧光。不同的半导体材料中电子和空穴所处的能量状态不同。当电子和空穴复合时释放出的能量多少不同，释放出的能量越多，则发出的光的波长越短。

图1 发光二极管构造图

2、视觉暂留

人眼在观察景物时，光信号传人大脑神经，需经过一段短暂的时间，光的作用结束后，视觉形象并不立即消失，这种残留的视觉称“后像”，视觉的这一现象则被称为“视觉暂留”，其原因是由视神经的反应速度造成的，其时值是二十四分之一秒，通常情况下，视觉残留会保持0.1～0.4秒，也就是说以0.1～0.4

秒间隔闪烁的图像，被人眼观察，会被认为是连续的图像。视觉残留是动画、电影等视觉媒体形成和传播的根据。本次旋转LED可以归纳为动态扫描和机械旋转两部分，其实质就是与机械转动配合起来的动态扫描显示技术。

3、电路结构图的设计

图2 电路结构图

4、无线电供电小板原理图

图3 无线电供电小板原理图5、总电路图