TiCl 4水解法制备的阻挡层对染料敏化太阳能电池光电性能的影响
陈东坡1,2
张晓丹1,*
魏长春1刘彩池2赵颖1
(1南开大学光电子薄膜器件与技术研究所,光电子薄膜器件与技术天津市重点实验室,光电信息技术科学教育部重点实验室,
天津300071;
2
河北工业大学信息功能材料研究所,天津300130)
摘要:
通过不同浓度的TiCl 4溶液水解,在光阳极导电玻璃(FTO)基底上制备了阻挡层薄膜,以此来抑制FTO
表面的光生电子与I -3之间的复合反应,采用X 射线光电子能谱(XPS)和X 射线衍射分别测试了阻挡层薄膜的组成,用场发射扫描电子显微镜(FE-SEM)和紫外-可见(UV-Vis)分光光度计测试了阻挡层的形貌和对光的透过率,在AM1.5和暗环境下分别测试了染料敏化太阳能电池(DSSC)的光电性能.实验结果表明:用此方法可以获得由TiO 2粒子组成的阻挡层薄膜;阻挡层薄膜的形貌随着TiCl 4溶液浓度的增加而改变,它的厚度随着TiCl 4溶液浓度的增加而增加;引入阻挡层后,FTO 对光的透过率都会下降;这一薄膜的引入可以提高电池的光电性能,用0.04mol ·L -1的TiCl 4溶液制备的阻挡层对暗电流的抑制作用最为明显,电池在AM1.5的条件下测试,转换效率最高达7.84%.关键词:
染料敏化太阳能电池;阻挡层;TiO 2薄膜;暗电流;TiCl 4
中图分类号:
O644
Effect of Blocking Layers Prepared by the Hydrolysis of TiCl 4Solution on the Photovoltaic Performance of a Dye-Sensitized Solar Cell
CHEN Dong-Po 1,2
ZHANG Xiao-Dan 1,*
WEI Chang-Chun 1
LIU Cai-Chi 2
ZHAO Ying 1
(1Institute of Photo-Electronic Thin Film Devices and Technology of Nankai University,Tianjin Key Laboratory of Photo-Electronic
Thin Film Devices and Technology,Key Laboratory of Opto-Electronic Information Science and Technology of Ministry of Education,Tianjin 300071,P .R.China ;2Institute of Information and Function Materials,Hebei University of Technology,
Tianjin 300130,P .R.China )
Abstract:Blocking layer thin films were prepared on a conductive fluorine-doped tin oxide (FTO)substrate by the hydrolysis of TiCl 4solution with different concentrations.This blocked the recombination between photoelectrons and I -3.Blocking layer compositions were characterized by X-ray diffraction (XRD)
and X-ray photoelectron spectroscopy (XPS).The surface morphology and transmittance were determined by field emission scanning electron microscopy (FE-SEM)and UV-visible spectrophotometry.The photovoltaic performance of the dye-sensitized solar cells (DSSC)was measured under AM1.5illumination and under dark conditions.We found that the blocking layers were composed of TiO 2particles.Increasing the concentration of TiCl 4in solution leads to an increase in the blocking layer thickness.Apart from the increase in thickness,the morphology develops as the concentration increases.The transmittance of FTO decreases after the blocking layers deposit on the surface and the blocking layers prepared using 0.04mol ·L -1
TiCl 4solution can suppress the dark current most efficiently and we thus obtained the highest power
[Article]
https://www.doczj.com/doc/9a6580030.html,
物理化学学报(Wuli Huaxue Xuebao )Acta Phys.?Chim.Sin .2011,27(2),425-431
February Received:September 20,2010;Revised:December 12,2010;Published on Web:January 4,2011.?
Corresponding author.Email:xdzhang@https://www.doczj.com/doc/9a6580030.html,;Tel:+86-138********.
The project was supported by the National High Technology Research and Development Program of China (863)(2007AA05Z436,2009AA050602),National Key Basic Research Program of China (973)(2006CB202602,2006CB202603),National Natural Science Foundation of China (60976051),and New Century Program Foundation for Talents from the Ministry of Education of China (NCET-08-0295).
国家高技术研究发展规划(863)(2007AA05Z436,2009AA050602),国家重点基础研究发展规划(973)(2006CB202602,2006CB202603),国家自然科学基金(60976051)及教育部新世纪人才计划(NCET-08-0295)资助项目
?Editorial office of Acta Physico ?Chimica Sinica
425
Vol.27
Acta Phys.?Chim.Sin.2011
conversion efficiency of7.84%under AM1.5illumination conditions.
Key Words:Dye-sensitized solar cell;Blocking layer;TiO2thin film;Dark current;TiCl4
1引言
染料敏化太阳能电池(DSSC)由于理论转换效率高、制作工艺简单、成本低、对环境友好和寿命长等特点,1成为了新一代太阳能电池研究中的热点.目前,采用液态电解质的染料敏化太阳能电池的光电转换效率虽然已经达到10%-11%,2-4但该类电池中的暗电流却影响了电池短路电流的进一步提高,进而影响了电池的转换效率,这成为DSSC在应用推广中的主要瓶颈.5
在DSSC中,暗电流来源于TiO2导带中的电子与电解质、氧化钛染料之间的复合反应.但电子与氧化态染料分子之间的复合反应速率要比I-离子与氧化钛染料分子之间的反应速率小得多.所以电子与氧化钛染料分子之间的复合反应可以忽略掉,这样暗电流可以认为主要来自于光生电子与电解质中I-3之间的复合反应.6-8有研究小组认为这一暗反应主要发生在TiO2多孔膜中,因为他们发现来自于多孔在TiO2薄膜中的暗电流比来自于导电玻璃薄膜上的暗电流大.9-12后来Frank等人13通过IMIS分析发现I-3与光生电子之间的复合反应发生在FTO附近,并非TiO2薄膜中,Cameron和Peter14-16则认为导电薄膜上的光生电子和I-3间的复合反应是一个必须考虑的过程,此过程中形成的暗电流不能被忽略.
因此,要提高电池的光电转化效率,必须抑制由导电玻璃上的光生电子与电解液中I-3之间所形成的暗电流,通常采用的方法是在导电薄膜和多孔TiO2薄膜之间引入一层薄的、致密的TiO2薄膜作为阻挡层.17这一阻挡层在固态DSSC中已被证明是特别有效的,18而在液态DSSC中是否有效目前还存在争论,不过近来的一些研究发现在液态DSSC中引入阻挡层后也能提高电池的光电性能.19-22
制作阻挡层的方法通常有喷雾热分解法,23浸渍-提拉法,24旋涂法,7溅射法,25丝网印刷法17等.本文中,我们采用TiCl4水解法制备了阻挡层,阻挡层的形貌、厚度及对导电玻璃透过性能的影响通过TiCl4溶液的浓度来控制,然后讨论了它们对电池光电性能的影响,并给出最优前驱液浓度及沉积条件.
2实验部分2.1阻挡层薄膜的制备
先分别配制0.02、0.04、0.06、0.08、0.10、0.20 mol·L-1的TiCl4(99.0%,天津市光复精细化工研究所)溶液,再将洗净的导电玻璃(日本NSG公司,15Ω·□-1,透过率≥84%)放入六个培养皿中,确保导电面朝上,然后往其中加入上述配好的TiCl4溶液,在70°C的条件下恒温加热30min,再将它们取出,分别用无水乙醇(≥99.8%,天津市科密欧化学试剂有限公司)和去离子水冲洗干净,再用氮气吹干,从而制备出具有不同厚度的阻挡层薄膜.
2.2染料敏化太阳能电池的制备
称取0.5g P25粉(Degussa)放入玛瑙研钵中,再称取0.109g EC N10、0.141g EC N50(EC为乙基纤维素, N10、N50代表粘度系数,天津爱勒易医药材料有限公司),用无水乙醇将其溶解后倒入研钵,使其与P25混合均匀,然后往其中加入松油醇(分析纯,天津化学试剂六厂提供),搅拌30min左右,得到所需粘度的浆料A,再分别称量0.454g200nm的TiO2、0.046 g10nm的TiO2、0.114g EC N50,用和配置浆料A相同的方法得到浆料B.将没有阻挡层和带有不同厚度阻挡层的导电玻璃放在工作台上,用刮涂法把浆料A均匀地涂敷在导电玻璃上,得到一定厚度的均匀薄膜.待自然晾干后再在上面用相同的方法刮涂浆料B,厚度控制在4μm左右,室温晾干后将其放入马弗炉中,经500°C保温30min,等薄膜降温至80°C后将其放入染料N719中浸泡24h,取出便得到电池的光阳极.用表面镀Pt的导电玻璃作为对电极,与浸完染料的光阳极进行封装,再加入电解质便构成了一个染料敏化太阳能电池.
2.3主要仪器及性能测试
阻挡层薄膜的表面形貌采用场发射扫描电子显微镜(FESEM,JEOL JSM26700)分析测试,阻挡层薄膜的透过率采用紫外-可见分光光度计(日本岛津公司,UV23600)分析计算.阻挡层薄膜的结构和物质组成采用DMAX22500型X射线衍射仪和Kratos Axis Ultra DLD型多功能电子能谱仪(英国)测定,电池在光照和暗态下的光电性能参数采用标准光源(标准氙灯模拟器,购于中国科学院长春光学精密机械与物理研究所,AM1.5)测试.
426
No.2陈东坡等:TiCl4水解法制备的阻挡层对染料敏化太阳能电池光电性能的影响
3结果及讨论
3.1阻挡层薄膜的XRD分析
图1为不带和带有阻挡层薄膜的FTO的XRD
图.从图1可以看出,没有制备阻挡层时,FTO薄膜
表面出现6个衍射峰,对应的角度分别为:26.5°、
34.0°、38.1°、51.8°、62.0°、65.0°,这符合SnO2的晶面:
(110)、(101)、(200)、(211)、(310)、(301).用不同浓度的
TiCl4处理以后,衍射峰并没有出现明显的偏移,只
是强度稍微发生了一点变化,但不是很明显,原因是
因为阻挡层薄膜很薄,同时采用了大角度进行测试,
这样阻挡层薄膜的信息便不能反映出来,要确定阻
挡层薄膜是由什么物质构成,还需要借助其它表征
手段.26
3.2阻挡层薄膜的XPS分析
为了解阻挡层的材料组分,我们选取了上述系列薄膜中两个代表性浓度的样品进行了XPS的测试分析(见图2).从图2(A,C)可以看出,O1s对应一个特征峰,这是因为O1s态的轨道角动量量子数为0,不会出现能级分裂,这一特征峰所对应的结合能在图2A和图2C中分别为530.28和530.51eV(标准TiO2谱图中,O1s态的主峰对应的结合能为530.00eV),所以薄膜中的氧以TiO2的形式存在.对比图2B 和图2D可以发现Ti2p态分裂为两个能级,主峰对应的结合能分布在458.60eV附近(标准TiO2谱图中,Ti2p态的主峰对应的结合能为458.70eV),由此可以得知阻挡层薄膜中的Ti也是以TiO2的形式存在.因此阻挡层薄膜中的物质是TiO2,与TiCl4溶液的浓度无关.
3.3阻挡层的形貌
图1不带和带有阻挡层薄膜的FTO的XRD图Fig.1XRD patterns of FTO without and with different
blocking layers
2用0.04和0.20mol·L-1的TiCl4制备的阻挡层薄膜中O1s和Ti2p的XPS窄区扫描图
Fig.2XPS narrow spectra of O1s and Ti2p peaks of blocking layers prepared by0.04and0.20mol·L-1TiCl4solution
calibrated value:(A)2.080eV,(B)2.080eV,(C)2.029eV,(D)2.029eV
427
Vol.27 Acta Phys.?Chim.Sin.2011
图3为未用TiCl4处理的FTO和用不同浓度的TiCl4在70°C的条件下处理30min制备的阻挡层的SEM图.由图3(a)可以看出,未用TiCl4处理的FTO 表面显示氧化锡晶体的形貌特征,它是由200-250 nm左右的粒子构成.图3(b)是用0.02mol·L-1的TiCl4处理以后得到的表面形貌图,从中可以看出一些小的氧化锡晶体颗粒被TiCl4水解生成的TiO2粒子所包围,一些大颗粒的棱角也由于TiO2粒子的沉积而变得稍微圆滑起来,但不是很明显,FTO原来的表面形貌特征还能清晰地显示出来,原因是TiCl4的浓度很低,单位时间内水解生成的TiO2粒子量很少,且主要沉积在氧化锡颗粒的交接处所致.随着TiCl4浓度的提高,水解所生成的TiO2粒子数量有所增加,这样就会有相对较多的TiO2粒子沉积在二氧化锡粒子表面,并将它们包裹起来,从而使得一些相对较大的二氧化锡粒子的棱角变得更加圆滑,这通过对比图3(b)和图3(c)可以很好地说明.随着TiCl4浓度的进一步增大,这一现象更加明显,而且FTO 表面的形貌特征也已经基本消失,此现象在图3(d, e)中能够得到更好的体现,此时水解生成的TiO2粒子已经将各种大小的二氧化锡颗粒彻底包覆,这些颗粒的形貌特征也基本上彻底消失,表面呈现出一些大小相对均匀的小球.当TiCl4的浓度变为0.10 mol·L-1时,这些小球的形貌开始变得模糊起来,小球和小球之间的凹槽被沉积的TiO2粒子逐渐填平,阻挡层薄膜的表面也变得平滑起来,继续加大TiCl4的浓度,这一现象更加明显,见图3(g),阻挡层薄膜表面的球形结构彻底消失,变得相当平整,因为当TiCl4的浓度增大到0.20mol·L-1时,水解生成的TiO2粒子数量就很大,其中的一部分以二氧化锡粒子为晶核生长,并将它们包裹起来,形成一些球状的团聚物,另一部分则沉积在这些小球之间的凹槽处,使得FTO的表面变得平滑起来.由此可知,用不同浓度的TiCl4处理导电玻璃确实能够在导电膜的表面形成一层薄膜.而且随着TiCl4溶液浓度的增加,这一薄膜的厚度也在增加.
3.4阻挡层薄膜的透过分析
电池工作时,光线从光阳极射入,所以我们必须考虑当引入阻挡层以后FTO对光的透过情况.图4为带有不同厚度阻挡层的导电玻璃的透过谱.从图4可以看出,FTO在没经过TiCl4处理时,光的透过性能最好,经过不同浓度的TiCl4处理以后,光的透过性能都略有下降,因为把导电玻璃放在TiCl4溶液中
3未用TiCl4处理的FTO(a)和用不同浓度的TiCl4在70°C的条件下处理30min制备的阻挡层(b-g)的SEM图Fig.3SEM images for the bare FTO(a)and blocking layers(b-g)prepared by TiCl4solutions with different
concentrations at70°C for30min
c(TiCl4)/(mol·L-1):(b)0.02,(c)0.04,(d)0.06,(e)0.08,(f)0.10,(g)0.20
图4带有不同厚度阻挡层的导电玻璃的透过光谱
Fig.4Transmittance spectra of conductive glasses with
different blocking layer thicknesses
428
No.2陈东坡等:TiCl4水解法制备的阻挡层对染料敏化太阳能电池光电性能的影响
时,TiCl4在70°C的条件下水解生成了TiO2,这些
TiO2沉积在导电膜表面形成了一层致密的薄膜,从
而使得导电玻璃的透过性能有所下降.因此,从透过
率的曲线上也间接证明了TiO2阻挡层的存在.从图
4中还可以看出,在用TiCl4处理过的导电玻璃中,用
0.20mol·L-1的TiCl4处理过的导电玻璃的透过性能
最差,这是因为当TiCl4的浓度增大到0.20mol·L-1
以后,单位时间内水解生成的TiO2粒子数目就会变
得很大,此时沉积到导电膜表面的TiO2粒子数目就
会增多,水解相同的时间所形成的TiO2薄膜比较
厚,这一现象从图3(g)中的扫描电镜图片中能得到
很好的反应,所以透过性能最差.从图4还可以看出,当用0.02-0.10mol·L-1的TiCl4溶液处理导电玻璃时,导电玻璃对光透过性能的影响与处理之前相比差别不是很大,因此可以用0.02-0.10mol·L-1这一浓度范围的TiCl4溶液去处理导电玻璃来获得所需要的阻挡层,但是具体浓度为多少时对电池性能最为有利,仅从透过方面还不能得到确定的结果,还得借助于其它测试来确定.
3.5阻挡层薄膜对电池光电性能的影响
图5是没有阻挡层和具有不同厚度阻挡层的各种电池的电流密度-电压(J-V)曲线,表1是各种电池所对应的参数.没有引入阻挡层时,电池的短路流密度J sc=10.41mA·cm-2,开路电压V oc=0.78V,填充因子FF=0.56,所对应的转换效率为4.51%.在FTO 和二氧化钛多孔膜之间引入阻挡层以后,电池的短路电流和转换效率大幅提高,填充因子和开路电压也略有提高,这一现象在0.04mol·L-1TiCl4溶液中时体现得最为明显,此时J sc=16.60mA·cm-2,V oc=0.79V,FF=0.57,效率达到7.45%.这是因为当TiCl4的浓度比较低时,在导电玻璃表面沉积的TiO2粒子不能形成连续的薄膜,而是呈现一些网状结构,这些网状结构可以适当地抑制导电玻璃表面的电子与电解液中I-3的复合,从而使得短路电流和电池的效率随着TiCl4浓度的增加而增大,当TiCl4溶液的浓度增大到0.04mol·L-1时,在导电膜表面所沉积的阻挡层薄膜基本上连续且呈现出绒面结构的形貌,此时的透过性能在可见光范围内也比其它几种有阻挡层的导电玻璃要好.这从SEM和透过图中都能很好得体现,所以0.04mol·L-1时电池的短路电流和效率最高,当TiCl4的浓度超过0.04mol·L-1以后,电池的短路电流和效率都有所下降,尤其是在0.20mol·L-1时,电池的各种参数与没加阻挡层时相差不多.这主要是因为随着TiCl4浓度的增加,在导电膜表面所形成的阻挡层薄膜的厚度就会增加,这一方面使得光阳极对光的透过性能减弱,影响了染料对光的吸收,使得电池对光的捕获效率下降;另一方面,随着阻挡层厚度的增加,电子的传输路程就会变长,这样就增加TiO2膜中电子的复合几率,使流经外电路的电子数减少.这两方面的原因使得电池的短路电流和效率随着阻挡层厚度的增加而下降.
3.6暗电流分析
在染料电池中,暗电流来自于两部分,一部分是由FTO上的电子和电解液中的I-3复合产生,另一部分是由TiO2多孔膜中电子与电解液中的I-3复合产生,本实验中,除了阻挡层厚度不一样外,电池的其它制作工艺都相同,因此图6中暗电流主要是由I-3和FTO上的电子之间的复合反应引起.从图6可以看出,没加入阻挡层时,暗电流始端对应较低的开路电压,加入阻挡层后,暗电流始端对应的开路电压
图5没有阻挡层和具有不同厚度阻挡层的各种电池的电
流密度-电压(J-V)曲线
Fig.5Current density-voltage(J-V)curves of DSSC without and with different thicknesses of blocking layers
1没有阻挡层和具有不同厚度阻挡层的各种电池的
光伏性能
Table1Photovoltaic performance of DSSC without and with different thicknesses of blocking layers
Cell number
a
b
c
d
e
f
g
J sc/(mA·cm-2)
10.41
13.20
16.60
13.51
12.63
12.08
11.78
V oc/V
0.78
0.79
0.79
0.78
0.79
0.76
0.78
FF
0.56
0.59
0.57
0.58
0.56
0.59
0.58
Efficieny/%
4.51
6.21
7.45
6.12
5.59
5.50
5.39
c(TiCl4)/(mol·L-1):(a)0.00,(b)0.02,(c)0.04,(d)0.06,(e)0.08,
(f)0.10,(g)0.20;FF:fill factor
429
Vol.27 Acta Phys.?Chim.Sin.2011
增加了400多微伏,说明加入阻挡层以后电池的暗电流得到了很好的抑制.对比加入阻挡层的这些电池还可以发现用0.04mol·L-1的TiCl4溶液制备的阻挡层对暗电流的抑制效果最为明显,当浓度超过0.04mol·L-1后,阻挡层对暗电流的抑制作用随浓度的增加反而逐渐减弱,这是因为当TiCl4溶液浓度增加时,形成的阻挡层薄膜厚度就会增加,这样一方面增加了光生电子的传播路径,不利于电子的传输;另一方面阻挡层薄膜变厚时,阻挡层薄膜中的电子与I-3发生复合的区域也会增加,这两方面原因都会减弱阻挡层对暗电流的抑制作用.
3.7染料电池转换效率的重复性分析
在实验当中,通过一两次实验就想要得出一结论,这是不合理的,因为其中可能存在一些偶然性和不确定因素,所以对某次实验初步得出的结论进行多次验证便很必要.通过上述实验,我们总结出制备阻挡层最优的TiCl4浓度为0.04mol·L-1,沉积时间为30min,温度为70°C.在这一条件下,我们做了十块电池并对其进行测试,结果如图7所示,从中可以看出所有电池的效率都超过了6.20%,这十块电池的平均效率为6.92%.最高效率为7.84%.这一统计结果强有力地说明了采用0.04mol·L-1的TiCl4制备阻挡层可以获得重复性能好且效率较高的染料敏化太阳能电池.
4结论
用TiCl4水解法制备了阻挡层,通过实验研究我们发现,TiCl4溶液在70°C条件水解30min,可以得到TiO2粒子,并且水解产物不随前驱液浓度的改变而改变;用不同浓度的TiCl4溶液在导电玻璃上面制备阻挡层后,透过率都会下降,不过当TiCl4溶液浓度小于0.10mol·L-1时,差别不是很大,其中0.04 mol·L-1对应的透过性能最好;阻挡层的形貌和厚度会随着TiCl4溶液浓度的改变而改变,将不同浓度的TiCl4溶液制备的阻挡层用于染料电池后,发现电池的短路电流和转换效率都会提高,暗电流也比没有引入阻挡层时小得多,由0.04mol·L-1的TiCl4溶液所制备的阻挡层对暗电流的抑制作用最为明显,对应的电池效率也最高,达到7.84%.
References
(1)Huang,S.Y.;Schlichtholrl,G.;Nozik,A.J.J.Phys.Chem.B
1997,101,2576.
(2)Koo,H.J.;Kim,Y.J.;Lee,Y.H.;Lee,W.I.;Kim,K.;Park,N.
G.Adv.Mater.2008,20,195.
(3)Wang,Q.;Ito,S.;Gr?tzel,M.;Fabregat-Santiago,F.;Mora-
Seró,I.;Bisquert,J.;Bessho,T.;Imai,H.J.Phys.Chem.B
2006,110,25210.
(4)Chiba,Y.;Islam,A.;Komiya,R.;Koide,N.;Han,L.Appl.Phys.
Lett.2006,88,223505.
(5)Zhang,Q.;He,Y.Q.Materials Review2008,28,95.
(6)Frank,A.J.;Kopidakis,N.;van de Lagemaat,J.Coord.Chem.
Rev.2004,248,1165.
图6没有阻挡层和具有不同阻挡层的各种电池的暗态
J-V曲线
Fig.6Dark current density-voltage curves of DSSC without and with different blocking layers
7染料敏化太阳能电池转换效率的重复性分析Fig.7Histogram depicting reproducibility of DSSC
conversion efficiency
430
No.2陈东坡等:TiCl4水解法制备的阻挡层对染料敏化太阳能电池光电性能的影响
(7)Ito,S.;Liska,P.;Comte,P.;Charvet,R.L.;Pechy,P.;Bach,U.;
Schmidt-Mende,L.;Zakeeruddin,S.M.;Kay,A.;Nazeeruddin,
M.K.;Gr?tzel,https://www.doczj.com/doc/9a6580030.html,mun.2005,No.25,4351.
(8)Yoo,B.;Kim,K.J.;Bang,S.Y.;Ko,M.J.;Kim,K.Journal of
Electroanalytical Chemistry2010,638,161.
(9)Kay,A.;Gr?tzel,M.Chem.Mater.2002,14,2930.
(10)van de Lagemaat,J.;Park,N.G.;Frank,A.J.J.Phys.Chem.B
2000,104,2044.
(11)Bisquert,J.;Garcia-Belmonte,G.;Fabregat-Santiago,F.;
Ferriols,N.S.J.Phys.Chem.B2000,104,2287.
(12)Pichot,F.;Ferrere,S.;Fields,C.L.;Gregg,B.A.J.Phys.Chem.
B2001,105,1422.
(13)Zhu,K.;Schiff,E.A.;Park,N.G.;Lagemaat,J.;Frank,A.J.
Appl.Phys.Lett.2002,80,685.
(14)Cameron,P.J.;Peter,L.M.J.Phys.Chem.B2005,109,930.
(15)Cameron,P.J.;Peter,L.M.J.Phys.Chem.B2005,109,7392.
(16)Cameron,P.J.;Peter,L.M.J.Phys.Chem.B2003,107,14394.
(17)Liu,X.Z.;Huang,Z.;Li,K.X.;Li,H.;Li,D.M.;Chen,L.Q.
Chin.Phys.Lett.2006,9,2606.
(18)Karthikeyan,C.S.;Peter,K.;Wietasch,H.;Thelakkat,M.Sol.
Energy Mater.2007,91,432.
(19)Burke,A.;Ito,S.;Snaith,H.;Bach,U.;Kwiatkowski,J.;
Gr?tzel,M.Nano Lett.2008,8,977.
(20)Xia,J.B.;Masaki,N.;Jiang,K.J.;Yanagida,S.J.Phys.Chem.
C2007,111,8092.
(21)Xia,J.B.;Masaki,N.;Jiang,K.J.;Yanagida,S.Chem.
Commun.2007,No.2,138.
(22)Xia,J.B.;Masaki,N.;Jiang,K.J.;Yanagida,S.J.Phys.Chem.
B2006,110,25222.
(23)Kavan,L.;Gr?tzel,M.Electrochim.Acta1995,40,643.
(24)Negishi,N.;Takeuchi,K.Sol-Gel Sci.Technol.2001,22,23.
(25)Hattori,R.;Goto,H.Thin Solid Films2007,515,8045.
(26)Dong,X.;Tao,J.;Li,Y.Y.;Wang,T.;Zhu,H.Acta Phys.-Chim.
Sin.2009,25,1874.[董祥,陶杰,李莹滢,汪涛,
朱宏.物理化学学报,2009,25,1874.]
431
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09041020 4/22 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、FTO B．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
染料敏化太阳能电池 物理科学与技术学院化学物理学交叉培养班张玲玲 2011213434 摘要染料敏化太阳电池主要是模仿光合作用原理，研制出来的一种新型太阳电池，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。本文主要从染料敏化太阳能电池的原理和电解质来进行介绍。 关键词染料敏化太阳能电池原理制备 一、染料敏化太阳能电池的基本结构 染料敏化太阳能电池主要由纳米多孔半导体薄膜、染料敏化剂、氧化还原电解质、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染料敏化太阳能电池的负极。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I3/I-。 图1染料敏化太阳能电池的基本结构 二、染料敏化太阳能电池的工作原理 当太阳光照射在染料敏化太阳能电池上，染料分子中基态电子被激发，激发态染料分子将电子注入到纳米多孔半导体的导带中，注入到导带中的电子迅速富集到导电玻璃面上，传向外电路，并最终回到对电极上。而由于染料的氧化还原
电位高于氧化还原电解质电对的电位，这时处于氧化态的染料分子随即被还原态的电解质还原。然后氧化态的电解质扩散到对电极上得到电子再生，如此循环，即产生电流。电池的最大电压由氧化物半导体的费米能级和氧化还原电解质电对的电位决定。 图2 染料敏化太阳能电池的工作原理示意图 2.1纳米晶多孔薄膜 作为太阳能电池半导体材料，首要条件为光照下性能稳定。考虑到只有禁带宽度Eg ﹥ 3eV 的宽带隙半导体才满足这一条件，因此可以用作DSC 半导体材料的禁带宽度必须大于3eV 。TiO2禁带宽度为3. 2eV ，是性能最优、使用最广泛的DSC 半导体电极材料。所有的太阳能电池都是依靠光电效应将光能转化为电能． 半导体的截止波长由下式计算: g E 1240g =λ 式中: Eg 为半导体禁带宽度，λg 为半导体的截止吸收波长． 则禁带宽度为3eV 半导体材料截止波长为413 nm ，而太阳光主要分布在可见光区域，而可见光光谱范围为390 ～770 nm ，因此基本不能被吸收． 为了使宽带隙半导体材料能够吸收可见光，必须通过某种方法将截止波长红移至红外区． 吸附于半导体表面的染料可以使半导体的吸收边强烈红移。 2.2染料分子
光电化学电池的发展和未来发展趋势 1508471008赵世南随着人类的工业文明得以迅猛发展，由此引发的能源危机和环境污染成为急待解决的严重问题，利用和转换太阳能是解决世界范围内的能源危机和环境问题的一条重要途径。世界上第一个认识到光电化学转换太阳能为电能可能实现的是Becquere，他在1839年发现涂布了卤化银颗粒的金属电极在电解液中产生了光电流，以后Brattain、Garrett及Gerisher等人先后提出和建立了一系列有关光电化学能量转换的基本概念和理论，开辟了光电化学研究的新领域。 光电化学池即通过光阳板吸收太阳能并将光能转化为电能。光阳板通常为光半导体材料，受光激发可以产生电子——空穴对，光阳极和对极（阴极）组成光电化学池，在电解质存在下光阳极吸光后在半导体带上产生的电子通过外电路流向对极，水中的质子从对极上接受电子产生氢气。 光电化学池中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。染料敏化太阳电池主要由透明导电玻璃、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。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。染料敏化太阳能电池(DSSC)是由二氧化钛多孔膜、光敏化剂（染料）、电解质（含氧化还原电对）、镀铂对电极及导电基板组成的夹层结构。 光电化学池中染料敏化纳米晶光电化学电池其基本工作原理是：在染料分子的激发态、TiO2导带、SnO2（导电玻璃）导带、Pt（对电极）功函之间存在着一个能级梯度差，当染料分子吸收太阳光其中基态的电子受光激发跃迁到染料激发态能级后，在能级差的驱动下，电子将会迅速转移到TiO2导带中，经纳米晶TiO2膜空间网格的输运进入到SnO2导带，后经外路到达对电极，并与氧化还原电对进行电子交换后，依靠氧化还原电对在氧化态染料和对电极间完成电子转移，从而实现整个光电循环。 染料敏化太阳能电池的核心部分是纳米多孔半导体氧化物薄膜电极。敏化染料中染料分子是染料敏化太阳能电池的光捕获天线，是染料敏化太阳能电池的一个重要组成部分，它的作用就是吸收太阳光，将基态电子激发到高能态，然后再转移到外电路，它的性能是决定电池转换效率的重要因素之一。整个光电转换的性能决定于染料能级与TiO2能级的匹配情况以及它对太阳光谱的响应性能。到目前，最有效的敏化染料是含有4,4-二羧基-2,2-联吡啶配体的钌有机配
能源转换效率最佳的碳纳米管光电化学太阳能电池 布满磷脂盘状物（phospholipid disks）的碳纳米管，能让太阳能电池具备自我修复（self-repairing）的功能，就像是植物行光合作用。这种光电化学（photoelectrochemical）太阳能电池是由美国麻省理工学院（MIT）的研究人员所开发，其能源转换效率号称可达到目前效能最佳之固态太阳能光电板的两倍。 以人工方式进行的太阳能转换，以及自然界的太阳能转换，两者间的主要不同之处，在于工程师会为太阳能电池做防护，以避免固态无机材料的逐渐劣化;而自然界的太阳能转换，是通过光合作用，来预防并修复不可避免的液态有机材料损坏。 在自然界，使用永续性太阳能的案例不胜枚举;举例来说，能让树叶进行光合作用的有机化合物，经常会受到阳光的损坏，但树叶有自我修复机制。通过对能够不断更新其太阳能转换燃料机制的生物性光合作用过程之研究，科学家们现在已经有自信能制作出模仿该种自我修复能力的太阳能电池。 MIT 的研究人员并没有声称已经破解光合作用的秘密，但表示已能够模仿植物的自我修复机制，不断充实其能量采集技术。 光合作用过程包含一些内建的机制，植物内部以化学为基础的动力引擎，会周期性地分解为基本的功能区块（building blocks），然后那些更新过的元素会再重组成全新的引擎。根据MIT 教授Michael Strano 的说法，植物会每个小时执行以上的程序，更新并循环其基于蛋白质的光合作用功能，使其以最佳效率持续运作。 Strano 所开发的方案，具备一种会模仿光合作用程序可逆性、叫做磷脂的合成性盘状分子，该种分子每一个都具备能将光线转换成电流的内部反应中
太阳能电池的分类简介 （1）硅太阳能电池 硅太阳能电池分为单晶硅太阳能电池、多晶硅薄膜太阳能电池和非晶硅薄膜太阳能电池三种。 单晶硅太阳能电池转换效率最高，技术也最为成熟。在实验室里最高的转换效率为24.7%，规模生产时的效率为15%（截止2011，为18%）。在大规模应用和工业生产中仍占据主导地位，但由于单晶硅成本价格高，大幅度降 低其成本很困难，为了节省硅材料，发展了多晶硅 薄膜和非晶硅薄膜做为单晶硅太阳能电池的替代 产品。 多晶硅薄膜太阳能电池与单晶硅比较，成本低 廉，而效率高于非晶硅薄膜电池，其实验室最高转 换效率为18%，工业规模生产的转换效率为10%（截 止2011，为17%）。因此，多晶硅薄膜电池不久 将会在太阳能电池市场上占据主导地位。 非晶硅薄膜太阳能电池成本低重量轻，转换效率较高，便于大规模生产，有极大的潜力。但受制于其材料引发的光电效率衰退效应，稳定性不高，直接影响了它的实际应用。如果能进一步解决稳定性问题及提高转换率问题，那么，非晶硅太阳能电池无疑是太阳能电池的主要发展产品之一。
2）多晶体薄膜电池 多晶体薄膜电池硫化镉、碲化镉多晶薄膜电池的效率较非晶硅薄膜太阳能电池效率高，成本较单晶硅电池低，并且也易于大规模生产，但由于镉有剧毒，会对环境造成严重的污染，因此，并不是晶体硅太阳能电池最理想的替代产 品。 砷化镓（GaAs）III-V化合物电池的转换效率 可达28%，GaAs化合物材料具有十分理想的光学 带隙以及较高的吸收效率，抗辐照能力强，对热 不敏感，适合于制造高效单结电池。但是GaAs 材料的价格不菲，因而在很大程度上限制了用 GaAs电池的普及。 （3）有机聚合物电池 以有机聚合物代替无机材料是刚刚开始的一个太阳能电池制造的研究方向。由于有机材料柔性好，制作容易，材料来源广泛，成本低等优势，从而对大规模利用太阳能，提供廉价电能具有重要意义。但以有机材料制备太阳能电池的研究仅仅刚开始，不论是使用寿命，还是电池效率都不能和无机材料特别是硅电池相比。能否发展成为具有实用意义的产品，还有待于进一步研究探索。 （5）有机薄膜电池 有机薄膜太阳能电池，就是由有机材料构成核心部分的太阳能电池。大家对有机太阳能电池不熟悉，这是情理中的事。如今量产的太阳能电池里，95%以上是硅基的，而剩下的不到5%也是由其它无机材料制成的 6）染料敏化电池 染料敏化太阳能电池，是将一种色素附着在TiO2粒子上，然后浸泡在一种电解液中。色素受到光的照射，生成自由电子和空穴。自由电子被TiO2吸收，从电极流出进入外电路，再经过用电器，流入电解液，最后回到色素。染料敏化太阳能电池的制造成本很低，这使它具有很强的竞争力。它的能量转换效率为12%左右。 （7）塑料电池 塑料太阳能电池以可循环使用的塑料薄膜为原料，能通过“卷对卷印刷”技术大规模生产，其成本低廉、环保。但塑料太阳能电池尚不成熟，预计在未来5年到10年，基于塑料等有机材料的太阳能电池制造技术将走向成熟并大规模投入使用。 太阳能工作原理 太阳能电池是通过光电效应或者光化学效应直接把光能转化成电能的装置。太阳能发电有两种方式，一种是光一热一电转换方式，另一种是光一电直接转换方式。其中，光一电直接转换方式是利用光电效应，将太阳辐射能直接转换成电能，光一电转换的基本装置就是太阳能电池。太阳能电池是一种大有前途的新型
实验一 染料敏化太阳能电池关键材料的制备与表征 在众多新能源中，太阳能因具有清洁、环保、无污染、取之不尽、用之不竭等诸多优点，被认为是未来最有希望的新能源之一。太阳能电池是通过光电效应或光化学效应直接把光能转化成电能的装置。太阳能电池产业，已成为世界主要国家抢占新一轮经济和科技发展制高点的重大战略之一。 在众多太阳能电池中，硅基太阳能电池技术最为成熟，但制作工艺复杂、价格昂贵、设备要求较高而不适合开展大学生实验。纳米二氧化钛（TiO 2）晶体太阳能电池是最近发展起来的一种新型太阳能电池，其优点在于其低廉的成本、简单的工艺以及相对稳定的性能。其光电效率稳定在10%以上，而制作成本仅为硅太阳能电池的1/5～1/10，寿命却能达到20年以上。但是TiO 2的禁带宽度为3.2eV ，只能吸收波长小于375nm 的紫外光。为了使其吸收红移至可见光区，增大对全光谱范围的响应，1991年，瑞士洛桑高等工业学院（EPFL ）的Gratzel 研究小组开发了染料敏化太阳能电池（Dye Sensitized Solar Cell ，简称DSSC ），它由 吸附了染料光敏化剂（过渡金属钌的有 机化合物）的纳米TiO 2多孔薄膜制成， 其光电转换效率可达7.1%。1993年，他 将光电转换效率提高到了10%，1998年， 该研究组进一步研制出全固态DSSC ， 使用固体有机空穴传输代替液体电解质， 单色光光电转化效率达到33%，引起了全世界的科学家对DSSC 的关注。近年来，染料敏化太阳能电池的研究主要集中在阳极材料的改性、染料的改进、电解质的研究、以及阴极对DSSC 的影响等方面。 “染料敏化太阳能电池的制备、组装及测试”实验涵盖材料制备实验（水热反应制备TiO 2纳米颗粒、热解法制备Pt 催化剂、丝网印刷技术制备光阳极薄膜、玻璃工操作、材料热处理等）、仪器分析实验（台阶仪测量薄膜厚度、X 射线衍射仪表征材料的结构与成分、扫描电子显微镜观测形貌、紫外-可见吸收光谱测试光谱吸收效果）等多种实验方法。由于实验步骤繁多、周期较长，因此根据其 图1 Gratzel 研究小组开发的 DSSC
实验一染料敏化太阳能电池关键材料的制备与表征 在众多新能源中，太阳能因具有清洁、环保、无污染、取之不尽、用之不竭等诸多优点，被认为是未来最有希望的新能源之一。太阳能电池是通过光电效应或光化学效应直接把光能转化成电能的装置。太阳能电池产业，已成为世界主要国家抢占新一轮经济和科技发展制高点的重大战略之一。 在众多太阳能电池中，硅基太阳能电池技术最为成熟，但制作工艺复杂、价格昂贵、设备要求较高而不适合开展大学生实验。纳米二氧化钛（TiO2）晶体太阳能电池是最近发展起来的一种新型太阳能电池，其优点在于其低廉的成本、简单的工艺以及相对稳定的性能。其光电效率稳定在10%以上，而制作成本仅为硅太阳能电池的1/5～1/10，寿命却能达到20年以上。但是TiO2的禁带宽度为3.2eV，只能吸收波长小于375nm的紫外 光。为了使其吸收红移至可见光区，增 大对全光谱围的响应，1991年，瑞士洛 桑高等工业学院（EPFL）的Gratzel研 究小组开发了染料敏化太阳能电池（Dye 图1 Gratzel研究小组开发的DSSC Sensitized Solar Cell，简称DSSC）， 它由吸附了染料光敏化剂（过渡金属钌的有机化合物）的纳米TiO2多孔薄膜制成，其光电转换效率可达7.1%。1993年，他将光电转换效率提高到了10%，1998年，该研究组进一步研制出全固态DSSC，使用固体有机空穴传输代替液体电解质，单色光光电转化效率达到33%，引起了全世界的科学家对DSSC的关注。近年来，染料敏化太阳能电池的研究主要集中在阳极材料的改性、染料的改进、电
解质的研究、以及阴极对DSSC 的影响等方面。 “染料敏化太阳能电池的制备、组装及测试”实验涵盖材料制备实验（水热反应制备TiO 2纳米颗粒、热解法制备Pt 催化剂、丝网印刷技术制备光阳极薄膜、 玻璃工操作、材料热处理等）、仪器分析实验（台阶仪测量薄膜厚度、X 射线衍 射仪表征材料的结构与成分、扫描电子显微镜观测形貌、紫外-可见吸收光谱测试光谱吸收效果）等多种实验方法。由于实验步骤繁多、周期较长，因此根据其特点分为两部分，第一部分为关键材料的制备与表征；第二部分为器件的组装与测试。本实验为第一部分。下图为实验室制备的DSSC 。 N N N N N N Ru COOH COOH COOH HOOC HOOC COOH N N N N Ru COOH HOOC HOOC COOH N C S N C S N N N Ru COOH HOOC HOOC N C S N C S N C S 图2 实验室制备的使用不同染料敏化剂的DSSC 【实验目的】 （1）了解染料敏化太阳能电池的工作原理及性能特点。 （2）掌握染料敏化太阳能电池光阳极、对电极等关键材料的制备方法。 （3）掌握相关材料的表征方法。 【实验原理】 染料敏化太阳能电池的结构与工作原理： 染料敏化太阳能电池的结构是一种“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、TiO 2半导体纳米晶薄膜、电解质和铂电
硅太阳能电池的性能参数主要有：短路电流、开路电压、峰值电流、峰值电压、峰值功率、填充因子和转换效率等。 ①短路电流(isc)：当将太阳能电池的正负极短路、使u=0时，此时的电流就是电池片的短路电流，短路电流的单位是安培(a)，短路电流随着光强的变化而变化。 ②开路电压(uoc)：当将太阳能电池的正负极不接负载、使i=0时，此时太阳能电池正负极间的电压就是开路电压，开路电压的单位是伏特(v)。单片太阳能电池的开路电压不随电池片面积的增减而变化，一般为0.5～ 0.7v。 ③峰值电流(im)：峰值电流也叫最大工作电流或最佳工作电流。峰值电流是指太阳能电池片输出最大功率时的工作电流，峰值电流的单位是安培(a)。 ④峰值电压(um)：峰值电压也叫最大工作电压或最佳工作电压。峰值电压是指太阳能电池片输出最大功率时的工作电压，峰值电压的单位是v。峰值电压不随电池片面积的增减而变化，一般为0.45～0.5v，典型值为 0.48v。 ⑤峰值功率(pm)：峰值功率也叫最大输出功率或最佳输出功率。峰值功率是指太阳能电池片正常工作或测试条件下的最大输出功率，也就是峰值电流与峰值电压的乘积：pm===im×um。峰值功率的单位是w(瓦)。太阳能电池的峰值功率取决于太阳辐照度、太阳光谱分布和电池片的工作温度，因此太阳能电池的测量要在标准条件下进行，测量标准为欧洲委员会的101号标准，其条件是：辐照度lkw／㎡、光谱aml.5、测试温度25℃。
⑥填充因子(ff)：填充因子也叫曲线因子，是指太阳能电池的最大输出功率与开路电压和短路电流乘积的比值。计算公式为ff=pm/(isc×uoc)。填充因子是评价太阳能电池输出特性好坏的一个重要参数，它的值越高，表明太阳能电池输出特性越趋于矩形，电池的光电转换效率越高。串、并联电阻对填充因子有较大影响，太阳能电池的串联电阻越小，并联电阻越大，填充因子的系数越大。填充因子的系数一般在0.5～0.8之间，也可以用百分数表示。 ⑦转换效率(η)：转换效率是指太阳能电池受光照时的最大输出功率与照射到电池上的太阳能量功率的比值。即： η=pm(电池片的峰值效率)/a（电池片的面积）×pin（单位面积的入射光功率），其中pin=lkw／㎡=100mw／cm2。 组件的板形设计一般从两个方向入手。一是根据现有电池片的功率和尺寸确定组件的功率和尺寸大小；二是根据组件尺寸和功率要求选择电池片的尺寸和功率。 电池组件不论功率大小，一般都是由36片、72片、54片和60片等几种串联形式组成。常见的排布方法有4片×9片、6片×6片、6片×12片、6片×9片和6片×10片等。下面就以36片串联形式的电池组件为例介绍电池组件的板型设计方法。
本文由hpshu贡献 pdf文档可能在WAP端浏览体验不佳。建议您优先选择TXT，或下载源文件到本机查看。 2009 年第 1 期 上海电力 可再生能源发电 太阳能光热光电综合利用 倪明江 ,骆仲泱 ,寿春晖 ,王 ,赵佳飞 ,岑可法涛 ( 浙江大学能源清洁利用国家重点实验室 ,浙江杭州 310027) 摘 : 太阳能光热光电的综合利用技术是将聚光、要分光、热电联用等技术集成 ,通过对太阳能全波段能量进行一体化地利用 ,可极大地提高太阳能的利用效率 ,降低成本 ,具有重要的研究价值和市场应用价值。文章介绍了太阳能光热光电综合利用系统的技术情况 ,分别对集中式和分布式两种技术路线作了阐述 ,分析了聚光 PV/ T 系统以及与建筑一体化设计的 PV/ T 系统的未来发展方向。最后 , 结合各类太阳能利用系统的特点 , 比较分析了各种光热光电技术存在的问题 ,提出了综合利用各种光热光电技术来提高应用效果的理念。关键词 : 太阳能利用技术 ; 热发电 ; 聚光热电联用 ; 光热光电综合利用中图分类号 : T K513 文献标识码 :A 基金项目 : 国家自然科学基金资助项目(50676082) 1 引言 传统化石能源的大量使用 , 不仅造成了化石能源本身的短缺 , 也给世界环境带来了极大的危害 ,给人类生存空间造成了严重威胁。寻求可再生能源的高效清洁利用成了目前人类面临的共同问题 [ 1 ,2 ] 发展。而以现今的发展趋势来看 , 太阳能热力发电和光伏发电将是世界各国在太阳能利用领域研究的新重点。 2. 1 热利用 太阳能热利用方面 , 中国已成为世界上最大的太阳能热利用产品的生产、应用和出口的国家。 2007 年 ,集热器总保有量约为 10 800 万 m2 。热 。太阳能作为可再生清洁能源蕴藏着巨 15 大能量 ,被普遍认为是理想的新能源。太阳辐射到达地球表面的能量高达 4 ×1 0 5 利用形式多样 , 包括了太阳能热水器、太阳能空调、太阳能干燥和太阳能海水淡化等。 ( 1 ) 太阳能热水器太阳能热水器是太阳能热利用中最常见的一种装置。其基本原理是将太阳辐射能收集起来 , 通过与物质的相互作用转换成热能供生产和生活利用。我国是世界上最大的太阳能热水器制造中心 , 由我国生产的集热器推广面积约占世界的 76 % 。随着太阳能热水器的发展 ,出现了闷晒式、 M W , 相当于 每年 3. 6 ×亿 t 标准煤 ,约为全球能耗的 2000 10 倍。太阳能可以免费使用 ,又不需要运输 ,对环境无任何污染。在传统化石能源储备减少、价格快速上升 ,在温室气体排放引发的气候环境问题愈来愈显著的今天 , 太阳能作为可再生能源和新能源的代表 , 得到越来越多的关注 , 太阳能的利用、太阳能材料及相关技术的开发在世界范围内引起了重视
染料敏化太阳能电池的结构与工作原理 染料敏化太阳能电池主要由表面吸附了染料敏化剂的半导体电极、电解质、Pt 对电极组成，其 结构如图1-1。 图1-1 染料敏化太阳能电池结构图 当有入射光时，染料敏化剂首先被激发，处于激发态的染料敏化剂将电子注入半导体的导带。氧化态的染料敏化剂被中继电解质所还原，中继分子扩散至对电极充电。这样，开路时两极产生光 电势，经负载闭路则在外电路产生相应的光电流（图1-2）。 图1-2 染料敏化太阳能电池工作原理图 通过超快光谱实验可得出染料敏化太阳能电池各个反应步骤速率常数的数量级[12]： ①染料(S)受光激发由基态跃迁到激发态（S*）： S + hυ→S* ②激发态染料分子将电子注入到半导体的导带中： S* →S+ + e-(CB)，k inj = 1010~1012s-1 ③I-离子还原氧化态染料可以使染料再生： 3I- + 2S+ →I3 - + 2S，k3 = 108s-1 ④导带中的电子与氧化态染料之间的复合：
S+ + e-(CB) →S，k b = 106s-1 ⑤导带中的电子在纳米晶网络中传输到后接触面(back contact ，BC)后而流入到外电 路中： e-(CB) →e-(BC)，k5 = 103~100s-1 ⑥纳米晶膜中传输的电子与进入TiO2 膜的孔中的I3 -离子复合： I3 - + 2e-(CB) →3I-，J0 = 10-11~10-9A cm-2 ⑦I3 -离子扩散到对电极上得到电子使I-离子再生： I3 - + 2e-(CE) →3I-，J0 = 10-2~10-1A cm-2 激发态的寿命越长，越有利于电子的注入，而激发态的寿命越短，激发态分子有可能来不及将 电子注入到半导体的导带中就已经通过非辐射衰减而返回到基态。②、④两步为决定电子注入效率 的关键步骤。电子注入速率常数（k inj）与逆反应速率常数（k b）之比越大（一般大于三个数量级）， 电子复合的机会越小，电子注入的效率就越高。I-离子还原氧化态染料可以使染料再生，从而使染料 不断地将电子注入到二氧化钛的导带中。步骤⑥是造成电流损失的一个主要原因，因此电子在纳米 晶网络中的传输速度(k5)越大，电子与I3 -离子复合的交换电流密度(J0)越小，电流损失就越小。步骤 ③生成的I3 -离子扩散到对电极上得到电子变成离子I-(步骤⑦)，从而使I-离子再生并完成电流循环。 DSC的结构组成：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DSC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I3/I-。 DSC工作原理如下图所示： ⑴染料分子受太阳光照射后由基态跃迁至激发态； ⑵处于激发态的染料分子将电子注入到半导体的导带中； ⑶电子扩散至导电基底，后流入外电路中； ⑷处于氧化态的染料被还原态的电解质还原再生； ⑸氧化态的电解质在对电极接受电子后被还原，从而完成一个循环； ⑹和⑺分别为注入到TiO2 导带中的电子和氧化态染料间的复合及导带上的电子和氧化态的电解质间的复合
太阳能电池性能参数 1、开路电压 开路电压UOC：即将太阳能电池置于AM1.5光谱条件、100 mW/cm2的光源强度照射下，在两端开路时，太阳能电池的输出电压值。 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、100 mW/cm2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，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，其值越大表示太阳能电池的输出功率越大。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 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。太阳能电池的光电转换效率是衡量电池质量和技术水平的重要参数，它与电池的结构、结特性、材料性质、工作温度、放射性粒子辐射损伤和环境变化等有关。
图2.4.1 太阳能电池输出特性曲线
物理学和高新技术 光电化学电极的研究及其在太阳能转化方面的应用 3 罗文俊 于 涛 邹志刚 (南京大学物理系 环境材料与再生能源研究中心 南京 210093) 摘 要 Ti O 2半导体光电极的发现引发了科学界大量关于半导体光电极的研究.目前,对Ti O 2的掺杂,对新材料的探索以及对异质结的深入研究,目的都是为了提高半导体光电极的太阳光利用效率.敏化太阳能电池的出现是半导体光电极在实用化方面迈进的一大步.文章简述半导体光电极的研究历史,并对该领域将来的研究方向进行了展望. 关键词 半导体光电极,异质结,染料敏化,太阳能 Se m i conductor photoelectrodes and thei r appli ca ti ons i n sol ar energy conversi on LUO W en 2Jun Y U Tao Z OU Zhi 2Gang (Eco m aterials and Rene w able Energy Research Center ,D epart m ent of Physics ,N anjing U niversity,N anjing 210093,China ) Abstract Since it was found that Ti O 2phot oelectrodes can s p lit water into H 2and O 2directly under UV irradi 2ati on,much research has focused on sem iconductor electrodes,including doped Ti O 2,new materials,and heter o 2juncti ons,in efforts t o i m p rove the conversi on efficiency of solar energy .Subsequently,the appearance of dye -sensitized solar cells made sem iconduct or electr odes p ractically feasible .The hist orical devel opment of sem icon 2duct or photoelectrodes is briefly introduced,and their future p r os pects discussed . Keywords sem iconductor phot oelectr odes,heterojunction,dye -sensitized,s olar energy 3 国家自然科学基金(批准号:20373025,50472067)、2005年度教 育部留学回国人员科研启动基金资助项目 2005-05-26收到初稿,2005-09-16修回 通讯联系人.Email:yutao@nju .edu .cn 能源和环境问题是人类在21世纪面临的两大 主要难题,如何解决这两大难题给人类提出了巨大挑战.在能源方面,太阳能和氢能被认为是本世纪最有可能逐步代替化石能源的绿色能源.但是目前生产氢气的成本太高,探索降低生产氢气成本的新方法、新工艺已经成为当前世界各国亟待解决的战略问题.采用半导体光电极的技术,利用太阳能制备氢气或者直接将太阳能转化成电能被认为是最有希望的研究方向之一. 1 半导体光电极的发现 1839年,Becquerel 在巴黎的一次学术会议上报 道了他的研究结果 [1] .他在两种不同的金属电极上 镀一层卤化银作为电化学电池的电极,浸泡在电解液中,当让光照射到其中一根电极上时,他惊奇地发现在外电路中有电流通过.当时Becquerel 只有18岁,受实验条件和认识水平的限制,他在这一方面并没有做更为深入的研究. 直至20世纪50年代,随着半导体工业的迅速发展和半导体理论的日渐成熟,众多科学家在半导体材料及半导体器件方面做了大量的研究工作,积累了丰富的实验数据,半导体材料以其特殊的光电性质,在电化学研究中作为电极发挥了重要作用.诺
太阳能电池板 太阳能电池的的性能主要取决于它的光电转换效率和输出功率. 1.效率越大,相同面积的太阳能电池板输出功率也就越大, 用高效率的太阳能电池板可以节省安装面积, 但是价格更贵. 2.太阳能电池的功率, 在太阳能电池板的背面标牌中, 有关于太阳能电池板的输出参数, 如VOC开路电压,ISC短路电流,VMP工作电压,IMP工作电流, 等. 但我们只需要用工作电压和工作电流就可以了, 这两个相乘就可以得这块太阳能电池板的输出功率. 太阳能电池板介绍：采用高质量单晶/多晶硅材料,经精密设备树脂封装生产出来的太阳能板,有良好的光电转换效果,外形美观,使用寿命长。 太阳能电池板的作用是将太阳的光能转化为电能后，输出直流电存入蓄电池中。太阳能电池板是太阳能发电系统中最重要的部件之一。 太阳能电池组件可组成各种大小不同的太阳能电池方阵，亦称太阳能电池阵列。太阳能电池板的功率输出能力与其面积大小密切相关，面积越大，在相 同光照条件下的输出功率也越大。 2.太阳能电池板的种类 (1)单晶硅太阳能电池 目前单晶硅太阳能电池的光电转换效率为15%左右，最高的达到24%，这是目前所有种类的太阳能电池中光电转换效率最高的，但制作成本很大，以致于它还不能被大量广泛和普遍地使用。由于单晶硅一般采用钢化玻璃以及防水树脂进行封装，因此其坚固耐用，使用寿命一般可达15年，最高可达25年。 (2)多晶硅太阳能电池 多晶硅太阳能电池的制作工艺与单晶硅太阳能电池差不多，但是多晶硅太阳能电池的光电转换效率则要降低不少，其光电转换效率约12%左右(2004年7月1日日本夏普上市效率为14.8%的世界最高效率多晶硅太阳能电池)。从制作成本上来讲，比单晶硅太阳能电池要便宜一些，材料制造简便，节约电耗，总的生产成本较低，因此得到大量发展。此外，多晶硅太阳能电池的使用寿命也要比单晶硅太阳能电池短。从性能价格比来讲，单晶硅太阳能电池还略好。 ：
染料敏化太阳电池主要是模仿光合作用原理，研制出来的一种新型太阳电池，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去的突破以来，欧、美、日等发达国家投 染料敏化太阳能电池的研究历史可以追溯到19世纪早期的照相术。1837年，Daguerre制出了世界上第一张照片。两年后，Fox Talbot将卤化银用于照片制作，但是由于卤化银的禁带宽度较大，无法响应长波可见光，所以相片质量并没有得到很大的提高。1883年，德国光电化学专家Vogel 发现有机染料能使卤化银乳状液对更长的波长敏感，这是对染料敏化效应的最早报导。使用有机染料分子可以扩展卤化银照相软片对可见光的响应范围到红光甚至红外波段，这使得“全色”宽谱黑白胶片乃至现在的彩色胶片成为可能。1887年，Moser将这种染料敏化效应用到卤化银电极上，从而将染料敏化的概念从照相术领域延伸到光电化学领域。1964年，Namba 和Hishiki发现同一种染料对照相术和光电化学都很有效。这是染料敏化领域的重要事件，只是当时不能确定其机理，即不确定敏化到底是通过电子的转移还是通过能量的转移来实现的。直到20世纪60年代，德国的Tributsch发现了染料吸附在半导体上并在一定条件下产生电流的机理，才使人们认识到光照下电子从染料的基态跃迁到激发态后继而注入半导体的导带的光电子转移是造成上述现象的根本原因。这为光电化学电池的研究奠定了基础。但是由于当时的光电化学电池采用的是致密半导体膜，染料只能在膜的表面单层吸附，而单层染料只能吸收很少的太阳光，多层染料又阻碍了电子的传输，因此光电转换效率很低，达不到应用水平。后来人们制备了分散的颗粒或表面积很大的电极来增加染料的吸附量，但一直没有取得非常理想的效果。1988年，Grätzel小组用基于Ru的染料敏化粗糙因子为200的多晶二氧化钛薄膜，用Br2/Br-氧化还原电对制备了太阳能电池，在单色光下取得了12 %的转化效率，这在当时是最好的结果了。直到1991年，Grätzel在O’Regan的启发下，应用了O’Regan制备的比表面积很大的纳米TiO2颗粒，使电池的效率一举达到7.1 %，取得了染料敏化太阳能电池领域的重大突破。应当说，纳米技术促进了染料敏化 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DSC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
太阳能电池板太阳能电池的的性能主要取决于它的光电转换效率和输出功率. 1.效率越大,相同面积的太阳能电池板输出功率也就越大, 用高效率的太阳 能电池板可以节省安装面积, 但是价格更贵. 2.太阳能电池的功率, 在太阳能电池板的背面标牌中, 有关于太阳能电池 板的输出参数, 如VOC开路电压,ISC短路电流,VMP工作电压,IMP工作电流, 等. 但我们只需要用工作电压和工作电流就可以了, 这两个相乘就可以得 这块太阳能电池板的输出功率. 太阳能电池板介绍：采用高质量单晶/多晶硅材料,经精密设备树脂封装生产出来的太阳能板,有良好的光电转换效果,外形美观,使用寿命长。 太阳能电池板的作用是将太阳的光能转化为电能后，输出直流电存入蓄电池中。太阳能电池板是太阳能发电系统中最重要的部件之一。 太阳能电池组件可组成各种大小不同的太阳能电池方阵，亦称太阳能电池阵列。太阳能电池板的功率输出能力与其面积大小密切相关，面积越大，在相同光照条件下的输 出功率也越大。 2.太阳能电池板的种类 (1)单晶硅太阳能电池 目前单晶硅太阳能电池的光电转换效率为15%左右，最高的达到24%，这是目前所有种类的太阳能电池中光电转换效率最高的，但制作成本很大，以致于它还不能被大量广泛和普遍地使用。由于单晶硅一般采用钢化玻璃以及防水树脂进行封装，因此其坚固耐用，使用寿命一般可达15年，最高可达25年。 (2)多晶硅太阳能电池 多晶硅太阳能电池的制作工艺与单晶硅太阳能电池差不多，但是多晶硅太阳能电池的光电转换效率则要降低不少，其光电转换效率约12%左右(2004年7月1日日本夏普上市效率为%的世界最高效率多晶硅太阳能电池)。从制作成本上来讲，比单晶硅太阳能电池要便宜一些，材料制造简便，节约电耗，总的生产成本较低，因此得到大量发展。此外，多晶硅太阳能电池的使用寿命也要比单晶硅太阳能电池短。从性能价格比来讲，单 晶硅太阳能电池还略好。
天然染料敏化TiO2太阳能电池的制备及光电性能测试 太阳能电池是通过光电效应或者光化学效应直接把光能转化成电能的装置。纳米TiO2晶体化学能太阳能电池是最近发展起来的，优点在于其廉价的成本和简单的工艺及稳定的性能。其光电效率稳定在10%以上，制作成本仅为硅太阳电池的1/5～1/10．寿命能达到20年以上。但是TiO2的禁带宽度为3.2eV，只能吸收波长小于375nm的紫外光，为了使其吸收红移至可见光区，增大对全光谱范围的响应，1991年，瑞士洛桑高等工业学院(EPFL) Gratzel研究小组开发了染料敏化太阳能电池(Dye Sensitized Solar Cell，简称DSSC)，它是由吸附染料光敏化剂（过渡金属钌的有机化合物染料）的纳米二氧化钛(TiO2)多孔薄膜制成的新型光化学电池。其光电转换效率达7.1%。1993年，他再次报道了光电转换效率达10%的TiO2染料电池，1998年，该研究组进一步研制出全固态DSSC，使用固体有机空穴传输代替液体电解质，单色光光电转化效率达到33%，从而引起了全世界的科学家对染料敏化太阳能电池的关注。近年来，染料敏化太阳能电池的研究主要集中在阳极材料的改性、染料的改进、电解质的研究、以及阴极对染料敏化太阳能电池的影响等。本实验主要研究不同的染料敏化剂和不同的敏化方法对TiO2太阳能电池光电转换效应的影响。 【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。 【实验原理】 一、DSSC结构和工作原理 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: (l) 染料D受激发由基态跃迁到激发态D*： D + hv→ D* (2) 激发态染料分子将电子注入到半导体导带中：D*→ D+ + e- (3) I-还原氧化态染料分子：3I- + 2D+→ I3- + 2D (4) I3-扩散到对电极上得到电子使I-再生：I3- +2e- → 3I- (5) 氧化态染料与导带中的电子复合：D+ + e- → D (6) 半导体多孔膜中的电子与进入多孔膜中I3-复合：I3- +2e-→ 3I- 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。TiO2有锐钛矿型(Anatase)和金红石型(Rutile)两种不同晶型，其中锐钛矿型的TiO2带隙(3.2eV)略大于金红石型的能带隙(3.l eV)，且比表面积略大于金红石，对染料的吸附能力较好，因而光
硅太阳能电池的主要性能参数 本信息来源于太阳能人才网|https://www.doczj.com/doc/9a6580030.html, 原文链接： 硅太阳能电池的性能参数主要有：短路电流、开路电压、峰值电流、峰值电压、峰值功率、填充因子和转换效率等。 ①短路电流(isc)：当将太阳能电池的正负极短路、使u=0时，此时的电流就是电池片的短路电流，短路电流的单位是安培(a)，短路电流随着光强的变化而变化。 ②开路电压(uoc)：当将太阳能电池的正负极不接负载、使i=0时，此时太阳能电池正负极间的电压就是开路电压，开路电压的单位是伏特(v)。单片太阳能电池的开路电压不随电池片面积的增减而变化，一般为0.5～0.7v。 ③峰值电流(im)：峰值电流也叫最大工作电流或最佳工作电流。峰值电流是指太阳能电池片输出最大功率时的工作电流，峰值电流的单位是安培(a)。 ④峰值电压(um)：峰值电压也叫最大工作电压或最佳工作电压。峰值电压是指太阳能电池片输出最大功率时的工作电压，峰值电压的单位是v。峰值电压不随电池片面积的增减而变化，一般为0.45～0.5v，典型值为0.48v。 ⑤峰值功率(pm)：峰值功率也叫最大输出功率或最佳输出功率。峰值功率是指太阳能电池片正常工作或测试条件下的最大输出功率，也就是峰值电流与峰值电压的乘积：pm===im ×um。峰值功率的单位是w(瓦)。太阳能电池的峰值功率取决于太阳辐照度、太阳光谱分布和电池片的工作温度，因此太阳能电池的测量要在标准条件下进行，测量标准为欧洲委员会的101号标准，其条件是：辐照度lkw／㎡、光谱aml.5、测试温度25℃。 ⑥填充因子(ff)：填充因子也叫曲线因子，是指太阳能电池的最大输出功率与开路电压和短路电流乘积的比值。计算公式为ff=pm/(isc×uoc)。填充因子是评价太阳能电池输出特性好坏的一个重要参数，它的值越高，表明太阳能电池输出特性越趋于矩形，电池的光电转换效率越高。 串、并联电阻对填充因子有较大影响，太阳能电池的串联电阻越小，并联电阻越大，填充因子的系数越大。填充因子的系数一般在0.5～0.8之间，也可以用百分数表示。 ⑦转换效率(η)：转换效率是指太阳能电池受光照时的最大输出功率与照射到电池上的太阳能量功率的比值。即： η=pm(电池片的峰值效率)/a（电池片的面积）×pin（单位面积的入射光功率），其中pin=lkw ／㎡=100mw／cm2。 电池组件的板型设计 在生产电池组件之前，就要对电池组件的外型尺寸、输出功率以及电池片的排列布局等进行设计，这种设计在业内就叫太阳能电池组件的板型设计。电池组件板型设计的过程是一个对电池组件的外型尺寸、输出功率、电池片排列布局等因素综合考虑的过程。设计者既要了解电池片的性能参数，还要了解电池组件的生产工艺过程和用户的使用需求，做到电池组件尺寸合理，电池片排布紧凑美观。 组件的板形设计一般从两个方向入手。一是根据现有电池片的功率和尺寸确定组件的功率和尺寸大小；二是根据组件尺寸和功率要求选择电池片的尺寸和功率。 电池组件不论功率大小，一般都是由36片、72片、54片和60片等几种串联形式组成。常见的排布方法有4片×9片、6片×6片、6片×12片、6片×9片和6片×10片等。下面就以36片串联形式的电池组件为例介绍电池组件的板型设计方法。