實驗10　染料敏化太陽能電池的制備及性能測試

一、實驗目的

① 了解染料敏化太陽能電池的結構及制作過程。

② 掌握染料敏化太陽能電池的工作原理及光電性能測試方法。

二、實驗原理

染料敏化太陽能電池（DSSC）的結構是一種“三明治”式結構，主要由納米多孔二氧化鈦半導體薄膜、染料光敏化劑、電解質、對電極和導電基底等幾部分組成。DSSC工作原理（見圖10.1）類似于自然界中植物的光合作用，與p-n結太陽能電池不同的是，在染料敏化太陽能電池中光的吸收和光生電荷的分離是分開的。當太陽光照射在染料上，染料分子中的電子受激發躍遷至激發態，由于激發態不穩定，并且染料與二氧化鈦薄膜接觸，于是電子注入二氧化鈦導帶中，此時染料分子自身變為氧化態。注入二氧化鈦導帶中的電子進入導帶底，最終通過外電路流向對電極，形成光電流。處于氧化態的染料分子在光陽極被電解質溶液中的I^-（碘離子）還原為基態，電解質中的（碘三離子）被從光陰極進入的電子還原成I^-，這樣就完成一個光電化學反應循環。在整個過程中，表觀上化學物質沒有發生變化，而光能轉化成了電能。但是反應過程中，若氧化態的染料和電解質溶液中的I^-在光陽極上被二氧化鈦導帶中的電子還原，則外電路中的電子將減少，這就是類似硅電池中的“暗電流”。整個反應過程如下：

① 染料D受激發由基態躍遷到激發態D^*：　　　　D+hνD^*

② 激發態染料分子將電子注入半導體導帶中：　 D^*D⁺+e^-

③ 注入二氧化鈦導帶中的電子通過TiO₂網格

④ I^-還原氧化態染料分子：　　　　　　　　　 3I^-+2D⁺+2D

⑤ 擴散到對電極上得到電子使I^-再生：　　　 +2e^-3I^-

⑥ 半導體多孔膜中的電子與進入多孔膜中復合： +2e^-3I^-

⑦ 氧化態染料與導帶中的電子復合：　　　　　　 D⁺+e^-D

其中，反應⑦的反應速率越小，電子復合的機會越小，電子注入的效率就越高；反應⑥是造成電流損失的主要原因。

DSSC對光的吸收主要通過染料來實現，而電荷的分離傳輸則是通過動力學反應速率來控制。電荷在半導體中的運輸由多數載流子完成，所以這種電池對材料純度和制備工藝的要求并不十分苛刻，使得制作成本大幅下降。此外，由于染料的高吸光系數，只需幾到十幾個微米厚的半導體薄膜就可以滿足對光的吸收，使DSSC電池成為真正的薄膜電池。

三、實驗設備與材料

① 設備：玻璃刀，玻璃打孔器，超聲波清洗器，絲網印刷機，旋涂機，熱封機，太陽光模擬器，數字源表Keithley 2400，馬弗爐，萬用表，烘箱，吹風機。

② 試劑：二氧化鈦，乙基纖維素，松油醇，丙酮，無水乙醇，染料N719，無水乙腈，碘，碘化鋰，4-叔基吡啶（TBP）、H₂PtCl₆，無水異丙醇，FTO導電玻璃。

四、實驗步驟與方法

1.太陽能電池的制作

（1）裁制和清洗導電玻璃

把導電玻璃裁成大小約2cm×1.5cm的小塊玻璃備用。在裁剪的過程中要注意用萬用表來區分導電面和非導電面，使玻璃刀在非導電面一側進行切割，盡量避免用手直接觸摸導電面。依次用洗衣粉和丙酮超聲清洗10min，然后用去離子水沖洗2～3次，最后用乙醇超聲清洗10min，將清洗干凈的導電玻璃放在無水乙醇溶液中存儲備用。

（2）二氧化鈦溶膠的制備

將1.62g的二氧化鈦（P25）均勻的分散在8.5mL的松油醇和0.45g的乙基纖維素的混合溶液中，磁力攪拌10h，獲得均勻的二氧化鈦溶膠。

（3）刷膜和燒結

采用絲網印刷法將制得的二氧化鈦漿料均勻地刷在FTO導電玻璃表面，每次印刷完后，水平放入90℃烘箱烘干5～10min，之后放入馬弗爐升溫至450℃高溫燒結1h。得到厚度大約為10μm的二氧化鈦薄膜。

（4）二氧化鈦膜的染料敏化

首先把高溫燒結過的二氧化鈦薄膜按面積（5mm×5mm）的大小進行修裁，隨后置于烘箱中，在80℃條件下烘10min，除去表面吸附的少量水分，趁熱將其浸入到含一定濃度染料敏化劑的無水乙醇溶液中，浸泡30min后將膜取出，清洗、晾干，即獲得染料敏化的二氧化鈦電極。

（5）鉑電極的制備

將清洗好的導電玻璃平整地置于勻膠機中心，將適量的濃度約為40mmol/L氯鉑酸無水異丙醇溶液滴加在FTO中心，在2000r/min下旋轉20s，使溶液均勻分散，然后將分散好氯鉑酸溶液的導電玻璃置于馬弗爐中，380℃熱處理30min，得到鉑電極。

（6）電解液的配制

本實驗中所用的電解液為：將0.5M TBP，0.05M I₂和0.1M LiI溶解在5mL無水乙腈中。

（7）光電池組裝

首先在染料敏化二氧化鈦膜的四周平整粘貼一層透明膠，形成腔體，然后往腔體內滴入電解質溶液，蓋上鉑電極并用夾子夾緊，即得簡易封裝的染料敏化TiO₂太陽能電池。

2.染料敏化太陽能電池的光電性能測試

太陽能電池光電性能測試在太陽光模擬器Oriel 91160-1000（450W）（AM1.5～100mW/cm²）的模擬太陽光下進行，用美國Keithley 2400數字源表采集光電流、光電壓，得到DSSC的光電流（I）-電壓（V）曲線。

實驗操作：連接好裝置，打開計算機中的測試軟件，將組裝好的染料敏化太陽能電池光陽極朝上置于光源中心，點擊軟件上的運行按鈕，采集到太陽能電池的I-V曲線數據。從數據中可以得出太陽能電池的短路光電流密度（J_sc）、開路光電壓（V_oc）以及最大輸出功率時的光電流密度（J_max）和光電壓（V_max），從而根據公式ff=和η==分別計算出填充因子（ff）和光電轉換效率（η）等參數。

五、數據記錄與處理

根據實驗數據作出染料敏化太陽電池的I-V曲線圖及功率輸出曲線圖，并完成表10.1。

六、思考題

① 影響染料敏化太陽能電池光電轉換效率的因素有哪些？

② 與其他太陽能電池比較，DSSC電池有哪些優勢和局限性？

參　考　文　獻

[1]　肖堯明，吳季懷，李清華，等.柔性染料敏化太陽能電池光陽極的制備及其應用[J].科學通報，2009，54（16）：2425-2430.

[2]　南輝，林紅，張璟，等.染料敏化太陽能電池絲網印刷漿料中有機造孔劑對電池性能的影響[J].硅酸鹽通報，2009，28（3）：440-443.