纳米晶化学太阳能电池的制备与检测——一个关于新能源材料的大学综合实验

等 传 统 材 料 专业 ，所 涉及 到 的 内容较 为 抽 象 ，故 仅 仅 依 靠 学 生 在 课 堂 上 所 能 完 成 的教 学 任 务 很 难 实现 让 学 生对 新 能 源材 料 的 了解 和认 识 。 作 为 理 论 教 学 的 补 充 和 延 伸 ， 开 展 综 合 实 验 ，培 养 学 生 实 践 能 力 的 同 时 ，增 加 他 们 对 新 能 源材 料 的初 步认 识 显得 尤 为 重要 。 该 实验 选 题 较 为 新 颖 ，学 生 参 与 积 极 性 高 ，帮 助 学
展 综 合 实 验 ，培 养 学 生 实 践 能 力 的 同 时 ，增 加 他 们 对 新 能 源 材 料 的初 步 认 识 显得 尤 为 重 要 。 在 太 阳 能 电 池 中 ，虽 然 硅 基 太 阳 能 光 伏 电池 具 有 原
１ ２
—
时间 （ ） 天
内容
料 丰 富 、无 毒 以及 与转 换 效 率 高 等优 点 ，但 由 于其 工 艺
复 杂 、价 格 昂贵 ，且 无 论 是 在 单 晶 、 多 晶 还 是 非 晶 硅 电
介 绍 常 见 光 电 材 料 种 类 、制 备 技 术 及 表 征 手 段 ，参 观 光 电 性 能 实 验 室 ，结 合 表 征 设 备 讲 解 表征太阳能电池参数 ； 查 阅 相 关 资 料 ，初 步 制 定 实 验 方 案 ，具 体 内容 分配到个人
Ｉｃ（ ｓ ｍＡ）
Ｏ． ５ １ Ｏ． ５ ３
以硫 酸 钛 和 尿 素 为 原 料 ，制 备 ＴＯ 溶 胶 ，在 制 得 ｉ，
的 ＴＯ ｉ 溶 胶 中 ，加 入 一 定 量 的 纳 米 Ｔ Ｏ ｉ 粉 （ 米 ＴＯ 纳 ｉ
３
１Ｏ ３
０．１ ８
粉 按 料 浆 中 ＴＯ 总 量 为 １０ Ｌ 计 算 加 入 ） ｉ， ２ ｇ・ ，并 加 入
导 电玻 璃 及 导 电玻 璃 的预 处 理 剂 十二 烷 基 三 甲 基 氯 化 铵 对 一 般 为 Ｉ／ 一 Ｉ ，其 作 用 是 还 原 被 氧 化 的 染 料 。选 择 的
和 十 二烷 基 磺 酸钠 ，电解 液 配 制 包 括 碘 化 钾 、碘 、 乙氰 电解 质 为 ＫＩ和 Ｉ 组 成 的 氧 化 还 原 电 对 。 Ｋ ，所 Ｉ为 ０ ２ ．
图 １ 纳 米 晶 化 学 太 阳 能 电池 的 制 备 工 艺 流 程 图
出现 差 别 。
表 ２ 所 制 备 电池 的 开 路 电压 和 短 路 电流
组 别 Ｖｏ ｍＶ） ｃ（
１０ ７ ２８ ０
２ 实 验 步 骤
２ １ Ｔ Ｏ 薄 膜 制备 ． ｉ ，
ｌ ２
总 第 １ ８期 第 ２期 ０
２１ ０ １年 ６月
高 校 实 验 室 工 作 研 究
ＧＡ０ＸＩ ＨＩ ＡＯ Ｓ ＹＡＮＳ ＨＩＧＯＮＧＺＵＯ ＹＡＮＪＵ Ｉ
Ｓ ｒａ ＮＯ． ０ ＮＯ． ｅｉｌ １ ８， ２
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纳 米 晶 化 学 太 阳 能 电池 的 制 备 与 检 测
太 阳 光 时 ，电 子 从 基 态 跃 迁 到 激 发 态 。 由于 只有 单 层 染
晶 ＴＯ 化学太 阳能电池 ，并对其 进行相应的检测 。 ｉ，
该 实 验 从 原 料 制 备 ，到 电池 组 装 ，再 到 最 后 性 能 检
料 分 子 吸 附 在 半 导 体 纳 米 晶表 面 ，几 乎 所 有 染 料 激 发 态 上 的 电子 可 以有 效 地 注 入 到 半 导 体 导 带 中 ，而 空 穴 则 留 在 染 料 中 。电 子 随 后 扩 散 至 导 电 基 底 ，经 外 电路 转 移 至 对 电 极 。氧 化 态 的 染 料 被 还 原 态 的 电 解 质 还 原 ，氧 化 态 的 电解 质 在 对 电极 接 受 电子 被 还 原 ，从 而 完 成 了 电 子 的
；
３
池 的制 备 过 程 中所 需 求 设 备较 高 而 不 适 合 开 展 大学 生 的 综 合 实 验 。半 导 体 纳米 晶 化 学 太 阳 能 电池 可 以有 效 地 吸
收 太 阳光 ，并 将 其 转 化 为 电 能 ，且 具 有 成 本 低 和 工 艺 简 单 、稳 定 等 性 能 。 虽 然 与 ｓ 基 太 阳 能 电 池 “ 生 电 ” ｉ 光
４ ５—８ ９ ｌ ０
学 生 汇 报 ，将 各 自查 阅 资 料 汇 总 ，同 时 开 始 准 备原材料 ； 染 料敏化电池制备 ； 染 料敏化电池表征 ； 撰 写 实 验 报 告及 收 获 。
的原 理 有 所 不 同 ，但 都 涉 及到 电 子 的 扩 散 ，且 所 制 备 电 １ １ 纳 米 晶化 学太 阳能 电池 发 电原 理 ． 池 性 能 的 表 征 参 数 基 本 相 同 。 故 ， 以 纳 米 晶 ＴＯ 太 阳 ｉ， 染 料 敏 化 纳 米 晶 太 阳能 电池 利 用 自然 界 中光 合 成 以 能 电 池 为 研 究 对 象 ，通 过 对 ＴＯ 薄 膜 制 备 、染 料 染 色 、 ｉ， 对 电 极 制 备 、电 解 质 配 制 及 电池 封 装 等 几 部 分 制 备 纳 米 及 照 相 的原 理 ，将 太 阳能 直 接 转 化 为 电能 。 当染 料 吸 收
玻 璃 ，放人 马 弗炉 中 ４０ 烧 结 ３ ｍｎ 为 了使膜 达 到 一 没 有 污染 等特 点 而 成 为 新 能 源 开 发 的 重 要 研 究 领 域 。 培 ５℃ ０ ｉ。 养相 关 专 业 学 生 ，开 展 新 能 源 材 料 研 究 是 当今 高 等 院 校 定 的厚 度 ， 自然 冷却 后 ，可 重 复涂 膜 、烧 结操 作 多 次 。
用 主 要 集 中在 光 生 电 和 光 生热 两 个 方 面 ，其 中又 以 光 生 能 力 ，又 让 学 生 对 光 电材 料 有 了感 性 认 识 ，是 一 门非 常
电 （ 阳能 电池 ） 为 主 要 研 究 和 发 展 利 用 对 象 。 近 年 新 颖 的大 学 生 综 合 实 验 内容 。 太 来 ，我 院在 太 阳 能 电池 方 面有 较 多 研 究 ，成 果 丰 硕 ，在
２ ２ ＴＯ ． ｉ ，薄 膜 染 色
发 展 的 重 点 ，开展 综 合 性 实 验 课 程 使 学 生 能 够 理 论 联 系
染料 是 纳 米 晶 太 阳 能 电池 中非 常重 要 的 部 分 ，染 料 实 际 、增 加 感 性 认 识 、提 高 动 手 能 力 ，有 利 于 培 养 学 生
将 着 色 后 的 ＴＯ，膜 从 溶 液 中 取 出 ，清 洗 并 烘 干 ， ｉ 将 电极 的着 色 面 朝 上 放 在 桌 上 ，把 正 电极 导 电 面 与 ＴＯ， ｉ 膜 接 触 。两 片玻 璃 稍 微 错 开 ， 留出 一定 的 导 电部 分 作 为 电池 的测 试 用 ，太 阳能 电池 制 作 即 可 完 成 。
及 乙二醇等。 路电流进行表征。
１３ ． 制 备 工 艺
ｍｏ Ｌ ，Ｉ ｌ・ ，为 ０ ０ ｌ・Ｌ～，溶 剂 选 乙腈 与 乙 二 醇 ． ２ ｍｏ
采 用万 用 电表 对所 制 备 太 阳 能 电池 的 开 路 电压 ，短 （ 乙腈 ： 乙二 醇 ＝ ： ） 。 ４ １
２ ５ 电 池组 装 ．
主要 从 事 新 能 源材 料 、生 物 材 料 研 究 。
●收 稿 日期 ：２ １ ０ ０—１ ２ ２— ８
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高 校 实 验 室 工 作 研 究
总第 １８期 ０
纳米 ＴＯ 及合 成 ＴＯ 溶 胶 所 需 原 料 硫 酸钛 和 尿素 ， ｉ， ｉ，
染 料 敏 化 太 阳能 电池 的 电解 质 溶 液 中 的氧 化 还 原 电
一
定 量 的 聚 乙 二 醇 （聚 乙 二 醇 的 量 占 Ｔ Ｏ ｉ ，质 量 的
３ 结 语
能 源 一 直 是 人 们 所 关 注 的问 题 。矿 物 燃 料 的资 源逐
４ ％ ），充 分 研 磨 、超 声 波 分 散 ，制 得 ＴＯ ０ ｉ ，浆 料 。 。
取 适 量 的 ＴＯ， 料 滴 到 导 电玻 璃 导 电 面 ，采 用 玻 璃 棒 渐 耗 尽 以 及 对 环 境 的 影 响 ，促 使 人 们 寻 找 开 发 新 的 能 ｉ 浆 ９ 涂膜 方 法进 行 涂膜 ，常温 晾 干 。将 上 膜 后 晾 干 了 的导 电 源 。 占地 球 总 能 源 ９ ％ 以 上 的太 阳 能 ，具 有 取 之 不 尽 、
师 资 、实 验 室 建 设 等方 面都 积 累 了 一 定 的基 础 。 太 阳能 电池 的研 制 离 不 开 光 电 材 料 的 研 究 。 与 传 统 材 料 不 同 ，
１ 实 验 内容
在 综 合 实 验 过 程 中首 先 让 学 生 了解 纳 米 晶 化 学 太 阳
光 电材 料 的研 究 与表 征 有别 于 金 属 、陶 瓷 及 高 分 子 等 传 能 电池 的发 电原 理 ，并 查 阅 评 价 太 阳能 电 池 的 指 标 ，随 统 材 料 专 业 ，所 涉 及 到 的 内容 较 为抽 象 ，故 仅 仅 依 靠 学 着 后 续 实 验 内 容 的 进 行 ，实 现 从 理 论 到 实 践 的 认 知 体 生 在 课 堂 上 所 能 完 成 的 教 学 任 务 很 难 实 现 让 学 生 对 新 能 系 ，每 组 学 生 ６—８人 ，进 程 如 表 １所 示 。 源 材 料 的 了解 和认 识 。作 为理 论 教 学 的 补 充 和 延 伸 ，开 表 １ 实 验 安 排 表
２ ６ 电 池 检 测 ．
用 太 阳 能模 拟 器 模 拟 太 阳光 ，利 用 标 准 电池 调 节 太 阳光 强 为 １ ，用 万用 表 测 试 每 组 学 生 制 备 电 池 的 开 路 电 压Ｖ ＯＣ和 短 路 电流 ＩＣ ，如 表 ２所 示 。影 响 电 池 性 能 Ｓ
的 因素 较 多 ，其 中 ＴＯ 薄 膜 的 孔 径 分 布 及 膜 厚 ，染 料 ｉ， 特 性 及 电解 质 的配 比等 都 可 能 导 致 开 路 电 压 和 短 路 电 流
敏 化 分 子 的 性 质 是 电 子 生 成 和 注 入 的关 键 因素 。 叶绿 素 实 践 和创 新 能 力 。在 实 验 过 程 中学 生 对 实 验 内容 显 示 了 在 可 见 光 区 有 良好 的 吸 收 性 能 ，这 是其 可 用 于 制 备 高 效 浓 厚 的 兴趣 ，通 过 实 验 调 动 和激 发 了学 生 学 习 的 主 动 性 率 纳 米 晶 太 阳能 电 池 的 一 个 重 要 因素 。根 据 文 献 ’ 所 和 积极 性 ，并 感 性 地 认 识 了光 能 到 电能 的 转 化 材 料 的 表 示 以 菠 菜 为 原 料 ，采 用丙 酮 和 乙 醇混 合 液 协 同 萃 取 叶 绿 征 。然 而 ，受 条 件 所 限 ，组 装 的纳 米 晶 染 料 敏 化 电 池 比 素 ，同 时使 叶 绿 素 充 分 吸 附 到 ＴＯ 薄 膜 表 面 。 具 体 方 较 简 陋 ，但 随 着实 验 室 建 设 的 日趋 完 善 ，制 定 更 加 系 统 ｉ， 法是 称 菠 菜 叶 ５ ｇ放入 棕 色 试剂 瓶 中 ，加 入 ６ ｍｌ 积 比为 细 致 的 实 验项 目 ，进 一 步 提 高 半 导 体 电极 、敏 化 染 料 和 ０ 体 １１的丙 酮和 乙醇混 合 液 ，浸 泡 至发 白 ，即 可得 到 初 级 染 电 解 质 的 性 能 ，一定 能在 高 校 培 养 新 能 源 材 料 专 业 人 才 ： 料 ；将 这 些初 始 染料 放 入棕 色 瓶 中 ，再 放 入 ５— ６片 ４ ｍ 中 发 挥 重 大作 用 。 ｍ × ｍ 的未 研磨 菠 菜 叶 ；把 按 ２ １所 述 方 法 制 备 的 ＴＯ ４ｍ ． ｉ，
整个输运过程 。
１２ ． 主 要 试 剂 与 仪 器
测 构 成 完 整 的 制 备 与 表 征 体 系 ，设 计 方 案 利 于学 生 灵 活
● 基 金 项 目 ：陕 西 省 重 点学 科 建设 项 目资 助 。
● 作者 简 介 ：王 爱 娟 （ ９ １一），女 ，山东 安 丘 人 ，博 士 ，讲 师 １８
— — 一
个 关 于新 能 源 材料 的大 学综 合 实 验
王 爱娟 ，葛丽 玲 ，蒋百 灵 ， 林 叶
（ 西安 理工 大 学 材 料科 学 与工 程学 院 ，陕西 西 安
７０４ ） １０ ８
摘 要 ：光 伏 市 场飞 速 发 展 的今 天 离不 开 光 电 材料 ，而 光 电 材料 的 研 究 与 表 征 有 别 于 金 属 、陶 瓷 及 高分 子
生 深 入 了 解光 电材 料 的 制备 过 程 、 工 作 原 理 、 测 量技 术 及 数 据 处 理 方 法 等 知 识 。
关 键 词 ： 纳米 晶 ；ＴＯ ；电 池 ；制 备 ；检 测 ｉ，
在 众 多 新 能 源 中 ，太 阳能 具 有 发 展 空 间 大 、不 受 地 操 作 ，且 学 生 可 以针 对 实 验 内容 的某 一 部 分 提 出 自 己 的 域 限制 而 成 为 最 佳 候 选 能 源之 一 。 目前 ，对 太 阳 能 的 利 想 法 ，并 在 实 验 平 台上 进 行 验 证 ，既 锻 炼 了 学 生 的动 手