染料敏化TiO2太陽能電池制備及實(shí)驗(yàn)研究

喬春珍 李輝 郭超 杜海欣 高佳榮 楊家明

摘要：由于一次能源的不斷消耗，開發(fā)利用新能源迫在眉睫，現(xiàn)已成為世界各國科學(xué)工作者的共同目標(biāo)。燃料敏化太陽能電池具有多種獨(dú)特的光學(xué)和電學(xué)特性進(jìn)入研究者的視野。本文致力于染料敏化TiO2太陽能電池的制備與特性分析，探究了分散劑、OP乳化劑、電解質(zhì)溶液中碘離子與碘濃度對(duì)染料敏化TiO2太陽能電池性能的影響，為實(shí)際的生產(chǎn)應(yīng)用提供參考。

關(guān)鍵詞：太陽能電池;染料敏化;TiO2薄膜

中圖分類號(hào)：TM914.4 ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A ? ? 文章編號(hào)：1674-9324（2016）40-0283-02

伴隨世界經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人們對(duì)能源的依賴也逐漸增加，能源需求正逐步擴(kuò)大。根據(jù)《2015年BP世界能源統(tǒng)計(jì)年鑒》數(shù)據(jù)，2014年全球一次能源消費(fèi)構(gòu)成仍以化石能源為主，消費(fèi)量達(dá)到111.58億噸油當(dāng)量[1]，占總體能源消耗結(jié)構(gòu)的86.3%，其中以強(qiáng)污染為代表的煤炭和石油在能源消耗結(jié)構(gòu)中比重較高。這種極不合理的消費(fèi)結(jié)構(gòu)會(huì)導(dǎo)致兩個(gè)重大問題：一是能源危機(jī)，二是環(huán)境污染。從世界一次能源消費(fèi)量增速來看，2014年僅有0.9%[1]，且化石燃料的比例逐漸下降，可再生能源在消費(fèi)結(jié)構(gòu)中呈逐年上升趨勢(shì)。說明全球各國正逐漸意識(shí)到可持續(xù)發(fā)展的重要性，并且已經(jīng)采取措施進(jìn)行節(jié)能減排和優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)，如今開發(fā)利用可再生能源已是全人類的共同愿望。

目前進(jìn)入實(shí)用領(lǐng)域的主要是硅系太陽能電池，硅系太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率高，通常超過20%，但是缺點(diǎn)也尤為明顯，它的制作工藝較復(fù)雜，生產(chǎn)成本高達(dá)為20～40元/W，大大限制了在社會(huì)生產(chǎn)中的推廣和使用[2]。因此人們一直在尋找新型的太陽能電池來替代成本高昂的硅系太陽能電池，染料敏化太陽能電池應(yīng)運(yùn)而生。

染料敏化太陽能電池（簡(jiǎn)稱DSC或DSSC），是20世紀(jì)90年代發(fā)展起來的一種新型太陽能電池，它工藝簡(jiǎn)單、性能穩(wěn)定、擁有較高的光電轉(zhuǎn)化效率，生產(chǎn)成本僅為5～10元/W。這種新型太陽能電池是由瑞士的GrAtzel教授領(lǐng)導(dǎo)的研究小組基于自然界中的光合作用原理首次提出的[3]，他們利用納米多孔TiO2膜作為陽極，在其表面吸附一層對(duì)可見光有很強(qiáng)的吸收能力且能級(jí)與TiO2匹配的染料，通過染料分子對(duì)TiO2敏化達(dá)到對(duì)可見光的吸收，能級(jí)與可見光相匹配的染料對(duì)太陽光進(jìn)行吸收并且把光生電荷傳輸?shù)絋iO2薄膜，實(shí)現(xiàn)有效的電荷分離。

一、染料敏化TiO2太陽能電池的結(jié)構(gòu)與原理

1.DSSC的結(jié)構(gòu)。染料敏化TiO2太陽能電池主要由三個(gè)部分組成[4]：①多孔TiO2薄膜電極（光陽極）;②電解質(zhì);③對(duì)電極。其中TiO2薄膜電極由導(dǎo)電玻璃、TiO2薄膜和染料敏化劑組成，對(duì)電極由惰性金屬和導(dǎo)電玻璃組成，染料敏化劑的作用相當(dāng)于葉綠體中的葉綠素。

2.DSSC的原理。染料敏化TiO2太陽能電池的基本原理類似于植物的光合作用，染料敏化劑吸收太陽光后發(fā)生氧化反應(yīng)，產(chǎn)生的電荷傳輸?shù)絋iO2薄膜上，流過光陽極、外電路、對(duì)電極形成電流，到達(dá)電解質(zhì)發(fā)生還原反應(yīng)產(chǎn)生I3-，最后I3-將氧化的敏化劑還原，自身變回I2，并且不斷循環(huán)。在整個(gè)循環(huán)過程中，敏化劑與電解質(zhì)充當(dāng)催化劑作用，不會(huì)因?yàn)殡姵氐氖褂枚模瑥亩ＷC了電池的長(zhǎng)時(shí)間高效工作。

具體的循環(huán)過程如下：①吸附在TiO2薄膜上的染料敏化劑分子（S）在光照下吸收能量躍遷為激發(fā)態(tài)染料分子（S*）：S+hv→S*。②激發(fā)態(tài)染料分子（S*）失去電子轉(zhuǎn)化為氧化態(tài)染料分子（S+）：S*-e-→S+。③氧化態(tài)染料分子（S+）將電子注入到TiO2半導(dǎo)體的導(dǎo)帶中。④電子流（e-）由半導(dǎo)體納米TiO2膜流經(jīng)外電路傳輸至對(duì)電極。⑤電解質(zhì)中I2分子從對(duì)電極得到電子形成還原態(tài)的I3-：I2+e-→I3-。⑥還原態(tài)I3-將氧化態(tài)染料分子（S+）還原為基態(tài)染料分子（S）：I3-+S+→I2+S。

二、實(shí)驗(yàn)過程

1.實(shí)驗(yàn)試劑和儀器。ITO導(dǎo)電玻璃（100mm×100mm）、二氧化鈦粉體（P25）、乙酰丙酮（分析純）、OP乳化劑（化學(xué)純）、碘（分析純）、碘化鉀（分析純）、乙腈（分析純）、乙二醇（分析純）等。

2.實(shí)驗(yàn)過程。第一步：配制TiO2膠體。稱取12g TiO2粉體放入研缽中，加入水少量、0.60ml乙酰丙酮、0.40ml OP乳化劑，用研棒研磨1小時(shí)，得到白色的TiO2膠體。第二步：涂覆法制備TiO2薄膜。在導(dǎo)電玻璃導(dǎo)電一側(cè)的四周貼一層透明膠帶，中間留出60mm×60mm的區(qū)域，把TiO2膠體均勻地涂抹在中間，自然晾干后撕開膠帶，用酒精燈燒結(jié)30分鐘至薄膜完全固化，再慢慢冷卻，形成白色的TiO2薄膜。

第三步：利用天然染料把TiO2薄膜著色。取適量新鮮的黑莓、藍(lán)莓或石榴籽，加入適量水，榨取鮮新的汁液作為染料，將TiO2薄膜放入染料中浸泡1h后取出，最后用乙醇沖洗，再自然晾干。第四步：制作對(duì)電極。取一塊導(dǎo)電玻璃，把導(dǎo)電一側(cè)放在蠟燭上方用煙烘烤，形成一層黑色的碳黑薄膜。第五步：配制電解質(zhì)溶液。量取3.32g碘化鉀、0.508g碘于容器中，加入32ml乙腈、8ml乙二醇，充分混合攪拌，得到40ml溶質(zhì)為碘和碘化鉀、溶劑為乙腈和乙二醇的溶液。忽略微量的體積變化，各組分濃度為碘化鉀0.5mol/L，碘0.05mol/L，乙腈體積分?jǐn)?shù)80%，乙二醇體積分?jǐn)?shù)20%。第六步：注入電解質(zhì)。在TiO2薄膜上逐滴加入適量電解質(zhì)溶液，直到TiO2薄膜完全浸透。第七步：組裝電池。將兩極板稍微錯(cuò)開，用彈簧夾夾住。正極夾鉗與對(duì)電極板連接，負(fù)極夾鉗與TiO2薄膜電極板接觸。第八步：測(cè)量數(shù)據(jù)。在太陽光照射下，用萬用表測(cè)量太陽能電池的短路電流和開路電壓。

本次實(shí)驗(yàn)是為了探究影響染料敏化TiO2太陽能電池性能的主要因素，即分散劑、op乳化劑、碘離子這三者的濃度對(duì)電池性能的影響，每個(gè)變量對(duì)應(yīng)一組實(shí)驗(yàn)，每組實(shí)驗(yàn)取5個(gè)數(shù)據(jù)。

三、實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

1.制作單個(gè)染料敏化TiO2太陽能電池實(shí)驗(yàn)。在室外太陽光下，測(cè)得開路電壓504mV，短路電流0.07mA。根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，燃料敏化TiO2太陽能電池在光照條件下產(chǎn)生了穩(wěn)定的電壓和電流，即能夠有效吸收太陽光并轉(zhuǎn)化為電能。

2.對(duì)照試驗(yàn)。

圖1和圖2中的曲線分別為分散劑、op乳化劑、碘離子對(duì)太陽能電池開路電壓和短路電流的影響。由圖可知，隨著各濃度的增加，太陽能的開路電壓和短路電流均呈現(xiàn)先增大后減少，存在一個(gè)最佳值。

四、結(jié)論及展望

通過本次實(shí)驗(yàn)，論證了染料敏化TiO2太陽能電池在實(shí)際應(yīng)用中不但完全可行，而且具有獨(dú)特的優(yōu)越性。無論是乙酰丙酮、OP乳化劑還是碘化鉀與碘的用量，都存在一個(gè)最佳值，即在TiO2粉體6mg，水30ml的情況下，乙酰丙酮0.15ml、OP乳化劑0.10ml、碘化鉀濃度為0.5mol/L、碘濃度為0.05mol/L時(shí)，染料敏化TiO2太陽能電池的性能最好。

同其他太陽能電池一樣，更高的光電轉(zhuǎn)換效率仍然是染料敏化TiO2太陽能電池的一大瓶頸，但因其綠色環(huán)保無污染、性能穩(wěn)定、適應(yīng)性強(qiáng)、價(jià)格低廉、制作簡(jiǎn)單，已經(jīng)受到人們大量關(guān)注。在不遠(yuǎn)的將來，隨著能源與環(huán)境問題的升級(jí)和染料敏化太陽能電池生產(chǎn)工藝的技術(shù)突破，料敏化太陽電池必將會(huì)得到廣泛應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)：

[1]2015年BP世界能源統(tǒng)計(jì)年鑒[Z].2015-6.

[2]高建華，錢偉君，吳偉，曾毅.染料敏化太陽能電池TiO2薄膜的制備方法[J].理化檢驗(yàn)-物理分冊(cè)，2008，44（8）.

[3]范樂慶，吳季懷，黃昀，林建明.染料敏化太陽能電池的二氧化鈦膜性能研究[J].感光科學(xué)與光化學(xué)，2003，21（3）：1.

[4]郭俊雄，崔旭梅，藍(lán)德均，左承陽.基于納米TiO2陣列的染料敏化太陽能電池研究進(jìn)展[J].廣州化工，2016，（2）.