染料敏化太阳能电池TiO_2光阳极改性研究进展_孟飞

第25卷第4期 湖南城市学院学报（自然科学版）V ol.25 No.4 2016年7月 JOURNAL OF HUNAN CITY UNIVERSITY （Natural Science） July 2016

染料敏化太阳能电池TiO2光阳极改性研究进展

孟 飞，肖陆飞

（滁州职业技术学院，安徽滁州 239000）

摘要：介绍了染料敏化太阳能电池DSSC的结构和工作原理，对TiO2光阳极改性研究进展与成果进行了综述，最后，对未来TiO2光阳极的研究重点和研究方向进行了展望。

关键词：染料敏化太阳能电池；光阳极；TiO2

中图分类号：TM914.4+1 文献标识码：A doi: 10.3969/j.issn.1672-7304.2016.04.027

文章编号：1672–7304(2016)04–0059–04

人类社会的不断进步消耗了大量能源，从而导致环境污染问题日益严重，能源和环境问题已成为世界各国亟待解决的难题。20世纪末期，染料敏化太阳能电池(dye-sensitized solar cell，DSSC)的出现为太阳能电池的研究带来了曙光，该电池由4部分组成：作为光敏剂的染料、TiO2纳米多孔膜（光阳极）、对电极及电解质[1]，是由瑞士洛桑高等工业学院的（EPFL）M.Gratzel研究小组首先发明的。由于该电池具有价格低廉、封装工艺简单、材料环境友好、光电转化效率高等优点，得到了研究者的广泛关注。

1 DSSC的结构与原理

1.1 DSSC的结构

DSSC的结构并不复杂，主要由透明的导电基底（TCO）、产生激子的染料敏化剂、多孔的氧化物薄膜（光阳极）、有氧化-还原作用的电解质和对电解质中发生的氧化-还原反应起着催化作用的对电极（光阴极）等几部分组成[2]，其结构见图1。各部分作用见下表1。

图1 染料敏化太阳能电池（DSSC）的结构

表1 DSSC中各器件作用

DSSC器件作用

透明导电基底传导载流子。

多孔的半导体薄膜电子传输的通道；染料的载体。

染料敏化剂产生激子。

电解质传导激子分离后产生的空穴；能迅速还原染

料正离子，而自身还原电位要低于电池电

位。

1.2 DSSC的工作原理

染料敏化太阳电池的工作原理如图2所示[2]，在电流产生的过程中，电子经历了一个类似于光合作用的过程，主要经历以下7个过程：

（1）光子激发染料D，由基态跃迁到激发态D*

D + hｖ→ D*

（2）D*（激发态）把光生电子注入到CB（半导体导带）中:

D*→D+ + e-（CB）

（3）导带中的电子经过半导体膜传输到导电基底的导电面(BC)，流入到外电路中：

e-（CB）→e-（BC）

图2 染料敏化太阳电池的工作原理

（4）电子经外电路传输到对电极（CE）上，与扩散到对电极上的I3-离子复合再生成I-离子：

2e-（CE）+ I3-→3I-

（5）I-离子与氧化态的染料D+发生还原反应再生成染料D：

3 I- + 2 D+→I3-

+ D

（6）导带上的电子与氧化态染料D+之间发

生复合重新产生染料D：

e-（CB）+ D+ → D

（7）进入半导体膜中的I3-离子与膜中传输的

电子发生复合生成I-工作电极对电极。

I3- + e-（CB）→3 I-

从DSSC中光生电子运动途径可看出光生电子

的产生、迁移及消耗主要发生在DSSC光阳极。

作者简介：孟 飞（1981-），男，安徽萧县人，讲师，研究方向：精细化工。

湖 南 城 市 学 院 学 报（自然科学版）2016年第4期60

2 太阳能电池TiO2光阳极的改性研究进展

近年来，关于染料敏化太阳能电池的研究十分活跃，分别对光阳极、染料敏化剂、对电极和电解质展开了大量研究。由于光电转换效率受光阳极和染料之间的界面电阻影响较大，通过寻求理想的光阳极来降低光阳极和染料之间的界面电阻意义重大。在各种光阳极材料中，TiO2的研究最多，主要归因于其具有优异光电特性、光学和化学稳定性，低毒低成本、合适的电子结构等特征。目前，对TiO2光阳极研究除进行多层结构设计外，还存在表面处理与包覆、复合、重构、掺杂、量子点敏化及多种手段共改性等手段和方法。

2.1 表面处理

ZrCl4溶液、酸、TiCl4溶液及TiO2溶胶等常用作TiO2薄膜处理剂。多数研究者研究表明，通过表面处理可加强粒子间的电接触，钝化TiO2薄膜表面缺陷，减少粒子界面俘获态和缺陷态，提高电子输运效率。Wang等[3]研究HCl处理过的TiO2薄膜发现平带电势正移，光电子也易于注入，氧化态染料与光电子的复合相应减少。余军[4]研究了HCl水热处理的温度与HCl浓度对于薄膜性能的影响，进行了电化学交流阻抗、紫外可见光漫反射谱测试，分析发现HCl水热处理后，电池的电子注入效率增加和电子复合的减少是电池效率旳

增加原因；同时使用了TiCl4/ZrCl4混合溶液、TiCl4/Sm(NO3)3混合溶液分别处理多孔薄膜，其组装电池的光电转换效率均不同程度提高。Park等[5]把在HNO3溶液中酸化后的纳米TiO2颗粒涂膜制备出TiO2光阳极，通过研究发现光阳极对染料的吸附能力大大提升，TiO2/染料/电解质三者界面间电荷传递的阻力衰减明显，短路电流密度（J sc）变大。Li等[6]分别采用TiO2溶胶和TiCl4处理TiO2光阳极，研究发现二者处理效果接近。

2.2 表面包覆

所谓表面包覆是将一层导带位置较高的氧化物半导体包覆在纳米TiO2薄膜表面，形成核-壳结构，减少了氧化态染料及电解质与光电子的复合，增大了光吸收效率 [7]。Diamant等[8]用Al2O3、ZnO、ZrO2、Sr-TiO3、SnO2和Nb2O5进行包覆处理，除Nb2O5外其他氧化物在TiO2表面形成偶极层，利于电子传输，Nb2O5在TiO2表面形成了势垒对电子传输不利。Zhuang等[9]用MgO、ZnO和Al2O3进行包覆研究，表明处理后可在TiO2光阳极表面形成氧化物膜层，抑制了电子复合，光电压增大明显。2.3 半导体复合

半导体复合是将TiO2薄膜与已单独成膜的半导体化合物组合成膜，或将纳米TiO2与一种窄禁带半导体复合，从而降低受激发所需能量，使TiO2薄膜光谱响应范围向可见光区域移动，促进了复合后的材料中电子-空穴的分离，提高了电子注入效率[10]。SnO2、SiO2、ZrO2、ZnO、Nb2O5、CdS、石墨烯等半导体材料及其他非氧化物常用来对TiO2薄膜进行复合改性。王艳香等[11]采用醇热法制备粒径为25~50nm ZnO，采用水热法制备粒径为0~40nm TiO2，研究了添加不同质量分数ZnO对制备的ZnO/TiO2复合光阳极电池性能的影响。结果表明，加2wt% ZnO时，较纯TiO2的光电转化效率提高了20%。余家国[12]制备了TiO2NS/石墨烯复合膜电极，将其装备制成了染料敏化太阳能电池，研究了所制备DSSC微结构及光电转换性能，结果表明，石墨烯含量大小对石墨烯复合膜的物理结构和光吸收性能影响较大，同时显著复合膜中载流子的传输、捕获及复合。Chen等将Bi2Te3与TiO2薄膜复合制成了Bi2Te3/ TiO2复合阳极，研究表明，掺杂后多余的热转换为电能，提高了电荷传递速率，光电转换效率提高了近28％。Yun等研究了Zn(OH)2、Mg(OH)2、Al(OH)3和La(OH)3等4种化合物复合的TiO2薄膜的性能，发现掺入后电子寿命延长，增加了电流密度。

2.4 微观有序结构

目前已发现的TiO2主要有金红石（Rutile）、锐钛矿（Anatase）和板钛矿（Brookite）等三种晶格结构，其中金红石和锐钛矿属于四方晶系，板钛矿属于正交晶系。一般情况下，制备的DSSC 光阳极薄膜中TiO2纳米粒子是无秩序排列的，其界面效应及缺陷导致染料和光阳极间的界面电阻增大，光生电子的范围和扩散长度变小，增加了光生电荷的内部复合。为解决这一问题，国内外主要学者主要在TiO2纳米线、纳米棒、纳米管及阵列等有序结构阳极薄膜方面进行研究和探索。

Lamberti等将TiO2纳米管掺杂在TiO2纳米颗粒中，通过检测制备的复合光阳极发现纳米管的加入延长了电子寿命，提高了散射入射光子，光电转换效率提升了10％。Lei等通过超声剥离TiO2纳米管阵列转移到FTO玻璃上，装备的DSSC转换效率高达8.07％，表明此有序结构对电荷收集能力及对光能的吸收能力较强。程鹏飞在强碱环境下以商用的P25 TiO2粉体作为出发原料，通过不添加与添加双氧水，利用水热合成方法分别成功

孟 飞，肖陆飞：染料敏化太阳能电池TiO2光阳极改性研究进展

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地制备出具有超大比表面积的三维纳米筛结构（nanomesh structure）和海胆状结构（urchin-like structure）TiO2纳米材料（424m2g-1和392 m2g-1）制备的DSSC电池的光电转换效率提升幅度分别为47%和36%；以钛酸四正丁酯为钛源，以二乙撑三胺为结构导向剂，利用水热合成法制备了具有核壳结构的介孔TiO2，由于核壳结构的“光阱”作用，光散射效果显著提升，介孔结构增强了对染料的吸附能力，所制备分等级结构的TiO2双重特性使得的光电性能明显提升，与单纯的P25相比，DSSC光电转换效率上升了38%。

Varghese等采用HF溶液处理复合在导电玻璃的Ti iO2薄膜，得到了TiO2纳米管阵列，工艺经进一步优化后测得光电转换率为6.9％。兰章等通过添加适量TiCl4异丙醇溶液到传统纳米晶（nano-TiO2）浆料中，可生成一种新型的二级结构的微米级nano-TiO2聚集体，该二级结构能有效提高光阳极光谱吸收和散射性能及电子传输和收集效率，将此结构的膜替换传统nano-TiO2膜制备的DSSC电池光电转换效率由5.03%提高到7.30%。

2.5 离子掺杂

单一TiO2薄膜的光电性能不太理想，适当的掺杂在一定程度上引起能带位置变化，调整带隙宽度，有利于电荷分离，延长电子寿命，从而提高光电转换效率[10-11]。金属元素掺杂和非金属元素掺杂是目前主要的两种掺杂方式，其中，非金属掺杂又分为TiO2中的氧原子被非金属原子取代、非金属原子进入TiO2晶格间缝隙两种掺杂方式。C 、N、S、Cl、Si等非金属元素及Zn、Al、Nb、Mg、Zr、Cr等金属元素常掺杂于TiO2薄膜进行改性。Ma等将N掺杂在中TiO2中，经测试发现，TiO2薄膜对光的吸收发生了转移，光电转换效率相应提高了33%。Reyes-Gil分别用N、C、P 掺杂TiO2制备光阳极，发现几种非金属离子的加入使TiO2薄膜对可见光的响应增强明显。李慧等采用水热法在FTO玻璃上制备了TiO2纳米棒阵列，然后在氨气和氩气的混合气体中退火，得到氮掺杂TiO2纳米棒阵列。XRD及SEM测试结果表明产物均为金红石相，TiO2纳米棒阵列为倾斜生长在FTO衬底上，掺杂氮对产物的结构及形貌没有大的改变。XPS研究结果表明，Ｎ原子是以代替Ｏ原子的形式渗入TiO2纳米棒。通过光电化学研究，掺杂氮的TiO2纳米棒阵列TiO2纳米棒阵列的光电流密度增加了66％。

在金属离子掺杂方面，Teng研究组将Zn掺杂在TiO2薄膜中，研究发现其费米能级升高，电子传输能力在低强度光照下也较强。Dulrr等对掺杂了Zr的TiO2薄膜进行研究，发现禁带宽度增加了0.2e V，开路电压增大0.1V。Huang等将Nb掺杂与未掺杂的TiO2薄膜进行比较，发现掺杂后TiO2导电性增强，光电转换效率提高18.2%。Kim等将掺杂Cr及未进行任何掺杂的两种TiO2复合制备了双层薄膜，发现该双层薄膜可有效抑制电子的复合。Wang Song等将N和Nd同时掺杂在TiO2薄膜中，装备的染料敏化太阳电池综合性能低于单独N掺杂的电池性能。李树全等研究发现Ho3+离子等稀土离子掺杂的TiO2薄膜电极能吸收红外光，提高了光的吸收效率，但转化效率较低。秦艺颖等用溶胶-水热法制备了Sm3+掺杂的TiO2粉体(TiO2：Sm3+ ) ，将其按不同质量分数掺杂到P25基体中，制备了具有下转换功能的光阳极，并将其用于染料敏化太阳能电池中，提高了电池的光电性能。当光阳极中TiO2：Sm3+粉体的掺杂质量分数为80%时，短路电流密度达到13.12 mA/cm2，与纯P25光阳极相比，提高了26.5%，转换效率也提高了23.5%。2.6 量子点敏化

量子点(Quantum dot, QD)是指尺寸在几十纳米范围内的纳米颗粒，内部电子被约束在三维势阱内，其运动在各个方向都是量子化的。电子和空穴被量子限域导致连续能带结构转为具有分子特性的分立能级结构，从而表现出了与体相材料不同的物理特性，如量子尺寸效应、量子限域效应、表面量子效应等。敏化量子点研究较多是CdS，此外，CdSe、CdT e 、PbS、SnS、Bi2S3、InP等，纳米碳、石墨烯等碳量子点也有学者研究。

Sun等研究了TiO2纳米管阵列被CdS量子点敏化后的性能，显示量子点连接在纳米管阵列膜上，拓宽了光吸收范围，获得了4.15%的光电转换率。Zhang等研究了多孔TiO2电极被CdSe和CdS量子点共敏化后的光电性质，转换效率达4.92%。Lee等在多孔TiO2薄膜上采用SILAR法沉积了CdSe量子点，光电转换率达4%。Santra 等研究了Mn2+离子掺杂的CdS量子点和CdSe量子点共敏化的TiO2薄膜性能，其光电转换率高达5.4%，突破了5%的局限。刘炳坤首次在谷胱甘肽的辅助下采用简单的水热方法在TiO2纳米棒阵列表面原位生长CdS量子点，并将其作为光阳极应用于量子点敏化太阳能电池。

2.7 其他多种手段共改性

湖 南 城 市 学 院 学 报（自然科学版）2016年第4期62

为获得更理想的TiO2光阳极，许多学者在综合以上各优化手段的基础进行了积极探索。Chou Chuen-Shii等研究了TiO2/Au、TiO2/Ag装备的染料敏化太阳能电池，发现阳极光电流在可见光区域增强明显。Han Zhiyue等将贵金属Pt和Ag沉积TiO2薄膜表面，发现改性后的TiO2光阳极装备的电池Jsc增大明显，表明贵金属沉积可促进光生电子的传输。Qian等将直径小于7nm的TiO2纳米棒溶胶渗透至TiO2薄膜中，研究发现其光电转换率提高了64%。Ferrere等将TiO2电极暴露在紫外光下，照射后其光电转换率大幅提高。Lee等研究了电池的形状，发现欧姆接触点和TiO2电极的距离决定了电池内阻的大小，进而影响光电转换率。李小东由电纺丝制备的一维纳米线网络和生长于其上的纳米针状结构组成的树枝状异质结构电极，开展了相关研究。

3 TiO2光阳极未来的研究方向和前景展望

近年来，为得到性能良好的染料敏化电池，许多学者对TiO2光阳极的改性工作开展了大量研究，取得了一些研究成果，但与实际需求还有一定差距。我们认为，下一阶段TiO2光阳极研究的主要任务有以下几点。

（1）更加深入研究TiO2光阳极电子输运机理和阻抗特性、掌握TiO2光阳极电子传输的机理，为改性设计、工艺优化和工业化生产奠定良好基础。（2）不断探索多种手段并用，共同改性TiO2光阳极薄膜的技术，发挥各手段的协调作用，提高电池性能。（3）充分利用各种微观有序结构在电子传输方面的优点，加强TiO2光阳极微观有序结构的设计，改进工艺，不断解决导电基底和工艺复杂的问题。（4）在现有基础上，研究解决大面积DSSC转换效率下降的突出问题，加强大面积制备工艺及稳定性的研究，多手段并用设计高表面、合适孔隙率、低电阻和宽谱响应的TiO2光阳极薄膜，为装备高性能DSSC电池提供保障[12]。参考文献：[1]珺

朱彤.染料敏化电池光阳极制备及器件的性能研究[D].南京：

南京邮电大学，2014.

[2]李辉.氧化锌光阳极染料敏化太阳能电池的研究[D].成都：西南

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武汉:武汉理工大学,2012.

*基金项目：2014年安徽省高校自然科学研究重点项目（项目编

号：KJ2014A190）；2016年安徽省高校优秀青年人才支持计划

重点项目（项目编号：gxyqZD2016541）。

Research progress of titanium Dioxide Anode in Dye-Sensitized Solar Cells

MENG Fei, XIAO Lu-fei

(Chuzhou V ocational and Technical College, Chuzhou Anhui 239000)

Abstract: This paper introduces the structure and working principle of dye-sensitized solar cell,reviews the modified research progress of titanium dioxide anode. Lastly，an outlook on the future challenges and prospects crystalline TiO2 materials as the Photostatted for DSSC are also briefly brought up．Key words: Dye sensitized solar cell; Photo anode; TiO2

（责任编辑：廖建勇）

染料敏化太阳能电池

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

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

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有机薄膜太阳能电池的研究进展 摘要：围绕提高有机薄膜太阳能电池的能量转换效率，从太阳光吸收效率、激子的分解率、载流子的迁移率和电荷向电极的注入效率4个方面综述了国内外的研究进展，并指出了提高转换效率的研究趋势，展望了有机薄膜太阳能电池的美好前景。 关键词：有机薄膜太阳能电池；转换效率 1 前言 近年来，有机薄膜太阳能电池的发展尤其引人注目，德国、日本、韩国和美国在这一领域处于领先地位。相比传统的硅基太阳能电池，有机薄膜太阳能电池以其潜在的低成本、高效率、环境友好、稳定性高的特点，成为最有希望实现民用化光伏的产业，目前的转换效率突破了9%，发展趋势被业界一致看好。 2 有机薄膜太阳能电池的基本原理 图1 有机薄膜太阳能电池的基本原理 当阳光从阳极层（P型有机半导体）照射时，有机分子吸收光产生激子，激子向电子给体和电子受体的界面移动，在界面处通过光诱导解离分解成自由电子和自由空穴，自由电子和自由空穴各自向电极两端迁移，最后注入到两端电极输向外电路。 3 提高转化效率的研究进展 有机薄膜太阳能电池要实现产业化，就需要有较高的转换效率，目前提高转换效率的研究主要集中在以下几方面： 3.1 提高太阳光吸收效率 材料对太阳光的吸收效率越高激子的生成效率就越高。有机材料对太阳光的吸收一般在可见光区，大部分材料对太阳光的吸收利用率不超过40 %，提高材料的吸收光谱与太阳光谱的 匹配性是提高材料对太阳光吸收效率的有效途径。另外，还可以在器件结构中引入具有强吸收特性的材料。利用它们吸收部分太阳能量，再通过激子扩散将其转移给活性材料［1］。 将太阳光吸收特性不同的电池单元层积得到级联电池（又称叠层电池），通过底层电池对顶层电池的补充吸收可以增加对太阳光谱的吸收。张馨芳［2］等人研究了有机无机复合体系本体异质结叠层有机太阳能电池，用Ag作为夹层材料来连接上层的本体异质结太阳电池和下层的太阳电池，得到的叠层结构的太

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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

染料敏化太阳能电池关键材料的制备与表征

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

染料敏化太阳能电池的TiO2光阳极研究进展

文章编号:1001-9731(2014)16-16009-05 染料敏化太阳能电池的TiO2光阳极研究进展? 肖一斌,徐长志,朱忠其,柳清菊 (云南大学云南省高校纳米材料与技术重点实验室,昆明650091) 摘一要:一综述了染料敏化太阳能电池(d y e-sensitized solar cells,DSSC)的TiO2光阳极的研究现状及存在的问题,分析探讨了改进和提高DSSC电池性能的方法和途径,并对其发展趋势进行了展望三 关键词:一TiO2薄膜;染料敏化太阳能电池;光阳极中图分类号:一TM914文献标识码:A DOI:10.3969/j.issn.1001-9731.2014.16.002 1一引一言 太阳能电池因能直接将光能转化为电能,可有效解决能源与环境方面的诸多问题而备受关注三硅二砷化镓等光伏电池发展至今已取得很大进展,但其对材料纯度要求高,成本相对较高三DSSC因具有成本低二理论转换率高二制备工艺简单和对环境友好等优点,成为太阳能电池研究的重点之一三自1991年,Gr?tzel 等得到以TiO2纳米晶多孔薄膜为光阳极的DSSC具有7.1%~7.9%的光电转换率以来[1],其光电转换率逐年提高[2]三目前,实验室制作的TiO2小面积DSSC 光电转换率已经达到12.3%[2],大面积DSSC光电转换率达到9.9%[3],显示出巨大的发展潜力三作为DSSC光阳极多孔薄膜的纳米氧化物有ZrO2二TiO2二ZnO二Nb2O5二SnO2二In2O3二NiO二Al2O3等,但是转换率最好的是TiO2,加之TiO2还具有廉价二无毒二物理化学性能稳定二透光性强和来源广泛等优点而受到重点研究三本文主要从改性TiO2光阳极以提高DSSC 光电性能的方法入手,综述了TiO2光阳极的研究进展,探讨了如何进一步改进和提高DSSC电池性能,并对其发展趋势进行展望三 2一TiO2光阳极研究进展 TiO2光阳极薄膜是染料敏化剂分子的载体,同时起着分离二传输电子的作用,是电池的关键部分,其性能的好坏直接关系到DSSC的光电转换效率三目前对TiO2光阳极的研究侧重于薄膜的微观结构方面,以促进光电子形成光电流,抑制不利反应,优化电极以期得到高性能的DSSC三常用的优化手段主要有多层结构设计二离子掺杂二表面处理二表面包覆二微观有序结构二量子点敏化二半导体复合和多种手段共改性等三2.1一多层结构设计 多层结构设计主要是指将TiO2光阳极设计为致密层二多孔层和散射层3层结构(见图1),致密层和散射层的引入对提高DSSC的光电转换效率效果显著三根据DSSC工作原理,电子损失包括电子与氧化态电解质离子复合二与氧化态的敏化剂分子复合二光阳极薄膜内部载流子复合以及激发染料敏化剂回到基态4个过程三其中电子与氧化态电解质离子在多孔膜与导电玻璃接触界面上的复合是造成电子损失的主要因素[4-5]三因此,在纳米TiO2多孔膜层与导电玻璃之间加一层致密纳米TiO2薄膜,抑制光生电子与氧化态电解质复合,是提高电子寿命二提高DSSC光电转换效率的有效方法三Jan g等[5]用电沉积法在FTO上制备一层TiO2致密层,对抑制光生电子与氧化态电解质离子复合反应效果明显三Xu等[6]用不同浓度的TiO2溶胶对导电玻璃和纳米TiO2多孔薄膜进行不同方式的界面处理,发现对导电基底进行处理的DSSC各方面性能都优于未处理的三Xu等[7]用溶胶旋转涂制致密层,将DSSC的光电转化率提高了约27%三 图1一TiO2光阳极薄膜基本结构示意图(a)和多孔膜SEM图(b)[6] Fi g1Structure dia g ram of TiO2p hoto-anode(a)and SEM fi g ure of p orous membrane(b)[6] 另外,在纳米TiO2多孔薄膜和电解质的界面引入大颗粒散射层(反射层),有利于提高电子产率,是提高DSSC光电性能最直接有效的方法三Zhan g等[8]在小颗粒TiO2多孔膜上加一层TiO2散射层,研究证明TiO2散射层能明显提高对光的反射,改善电输出,提高了光电转换率三Lin等[9]在柔性导电基底上先制备 90061 肖一斌等:染料敏化太阳能电池的TiO2光阳极研究进展 ?基金项目:国家自然科学基金资助项目(51062017,51262030) 收到初稿日期:2013-09-19收到修改稿日期:2014-02-10通讯作者:柳清菊,E-mail:qj uliu@y https://www.wendangku.net/doc/4011065760.html, 作者简介:肖一斌一(1986-),男,云南曲靖人,在读硕士,师承柳清菊教授,从事光电材料研究三

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

有机太阳能电池研究进展(1)

专题介绍 有机太阳能电池研究进展 X 林　鹏,张志峰,熊德平,张梦欣,王　丽 (北京交通大学光电子技术研究所,信息存储、显示与材料开放实验室,北京,100044) 摘　要:有机太阳能电池与无机太阳能电池相比,还存在许多关键性问题。为了改善有机太阳能电池的性能,各种研究工作正在进行,这些研究主要是为了寻找新的材料,优化器件结构。对电池原理、部分表征方法、效率损失机制、典型器件结构、最近的发展、以及未来的发展趋势作了简要描述。 关键词:有机太阳能电池;器件结构;给体;受体;转换效率 中图分类号:T N 383 文献标识码:A 文章编号:1005-488X(2004)01-0055-06 Progres s in Study of Organic Sola r Ce ll LIN Peng ,ZHANG Zhi -feng ,XIONG De -ping ,ZHANG Meng -xin ,WANG Li (I nstitute of O p toelectronics T echnology ,Beij ing J iaotong University ,Beijing ,100044,China )Abstr act :Compaer ed with inorganic solar cells ,organic solar cells still have many critical pr oblems.In order to improve the properties of organic solar cells,a lot of different studies have been carried on.T he main purposes of these studies are to seek new mater ials and new device structure.A brief review of the theory of photovoltaic cells,along with some aspects of their characterization ,the basic efficiency loss mechanism ,typical device structures ,and the trends in research will be presented. Key wor ds :organic photovoltaic cell;device structure;donor;acceptor ;conversion effi-ciency 前　言 进入21世纪以来,由于煤、石油、天然气等自然资源有限,已经不能满足人类发展的需要。环境污染也已经成为亟待解决的严重问题。同使用矿物燃料发电相比,太阳能发电有着不可比拟的优点。 太阳能取之不尽,太阳几分钟射向地球的能量相当 于人类一年所耗用的能量。太阳能的利用已经开始逐年增长。但目前使用的硅等太阳能电池材料,因成本太高,只能在一些特殊的场合如卫星供电、边远地区通信塔等使用。目前太阳能发电量只相当于全球总发电量的0.04%。要使太阳能发电得到大规模推广,就必须降低太阳能电池材料的成本,或 第24卷第1期2004年3月 光　电　子　技　术OPT OELECT RONIC T ECHNOLOGY Vol.24No.1 Mar.2004 　 X 收稿日期:2003-11-17 作者简介:林　鹏(1978-),男,硕士生。主要从事光电子技术研究。 张志峰(1977-),男,硕士生。主要从事有机电致发光(OLED)的研究工作。熊德平(1975-),男,硕士生。主要从事无机半导体材料方面的研究工作。

染料敏化太阳电池光阳极薄膜的研究进展

Progress of the Photo-Anode Film in Dye-Sensitized Solar Cells Xiaowei GUO, Gairong CHEN, Hui WANG, Chaolin MIAO, Yu MIAO, Zhimin CAO College of Chemistry and Chemical Engineering, Xinxiang University, Xinxiang, Henan, China, 453003 Email: guoxxxwei@https://www.wendangku.net/doc/4011065760.html,, xxcgr@https://www.wendangku.net/doc/4011065760.html, Abstract: The photo-anode film is the core part in dye-sensitized solar cells, and the quality of the photo-anode have great influence on photoelectric properties of the dye-sensitized solar cells, and is one of the key influence factors on photoelectric conversion efficiencies of the dye-sensitized solar cell. The pro-gress of the structure, the preparation and modification of the photo-anode in dye-sensitized solar cells are reviewed in this paper. Keywords: dye-sensitized solar cells; photo -anode; progress 染料敏化太阳电池光阳极薄膜的研究进展 郭晓伟，陈改荣，王辉，苗超林，苗郁，曹志民 新乡学院，化学与化工学院，新乡，河南，中国，453003 Email: guoxxxwei@https://www.wendangku.net/doc/4011065760.html,, xxcgr@https://www.wendangku.net/doc/4011065760.html, 摘要：染料敏化太阳电池的光阳极是电池的核心部分，光阳极的质量对电池的光电性能有巨大的影响，是决定电池光电转化效率的关键影响因素之一。本文主要综述了染料敏化太阳电池的光阳极的结构、制备和改性方法的研究进展。 关键词：染料敏化太阳电池；光阳极；进展 1 引言 1991年，Gratzel等人制备了染料敏化太阳电池(Dye-sensitized Solar Cells，简称DSSC)，其中光电极采用的是纳米TiO2多孔半导体膜，染料采用的是过渡金属Ru等有机化合物，采用合适的电解质，其在AM1.5的太阳光下所获得的光电转化效率达7.1%[1-3]。目前该类电池的光电转化效率已达到11%以上，可与非晶硅太阳能电池相媲美，而成本仅为硅光电池的1/5~1/10，使用寿命可达15年以上，引起世界各国科学家的广泛关注。 2 DSSC基本结构和工作原理 染料敏化太阳电池的组成部分主要有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。纳米多孔半导体薄膜通常为金属氧化物，聚集在有透明导电膜玻璃板上作为DSSC的负极。对电极作为还原催化剂，通常在带有透明导电玻璃上镀上铂。敏化染料吸附在纳米多孔半导体薄膜表面上。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-。在工作时，染料分子吸收光子后跃迁至激发态，处在激发态的染料分子产生中心离子到配体的电荷转移，电子通过配体很快注入到较低能级的TiO2导带，经过多孔的网络传输，进入TiO2导带的电子最终进入光阳极，然后通过外电路产生光电流，电子通过负载传输到对电极[4]。氧化态的染料分子被电解质中的I-还原，回到基态，I-被氧化为I3-，扩散到对电极，接受电子被还原成I-，完成1个循环。 纳米多孔半导体膜电极(光阳极)是染料敏化太阳能电池的核心部分[5]。通过光敏材料敏化的半导体光阳极接收从染料激发态传输过来的电子并将电子传输到导电玻璃上，光阳极在电池中起着基质的作用，膜的质量对电池的光电性能有巨大的影响，是决定电池光电转化效率的关键影响因素之一。为了提高电池的光电转化效率，通常需要半导体氧化物薄膜具有较高 河南省重点科技攻关（112102210250），新乡市重点科技攻关（ZG11008）资助项目 郭晓伟：男，1981年生，硕士，E-mial：guoxxxwei@https://www.wendangku.net/doc/4011065760.html, 通讯作者：陈改荣 E-mial：xxcgr@https://www.wendangku.net/doc/4011065760.html,

染料敏化太阳电池

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

染料敏化太阳能电池-化学与物理电源基础实验讲义1

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

染料敏化太阳能电池

染料敏化太阳能电池 摘要：与硅基太阳能电池相比，染料敏化太阳能电池（DSSC）具有成本低、制备工艺简单、理论光电转化效率高、制备过程无毒无污染等优点，因而迅速成为该领域的研究热点，目前染料敏化太阳能电池的最高转化效率已达到12%以上，被认为是实现下一代光伏器件大规模利用的主要候选者，是极具研发潜力的太阳能电池之一。 关键词：太阳能电池，染料敏化，光阳极 前言 染料敏化太阳能电池被人们称为神奇的人造树叶，因此以天然植物色素作为光敏剂的太阳能电池一直都被各国所关注。染料敏化太阳能电池是1991年由瑞士科学家O’Regan与Gr?ztel首先发明的，并发表在Nature上，其报道了光电转化效率达7.1%的染料敏化太阳能电池。染料敏化太阳能电池具有原材料丰富、成本低、制作工艺简单及生产过程都是无毒无害等优点，成为最有发展前景的太阳能电池之一。染料敏化剂是染料敏化太阳能电池的重要组成部分，它通过吸收太阳光将基态的电子激发到激发态中产生光电子，然后再注入半导体的导带上。因此，染料敏化剂的好坏对染料敏化太阳能电池的光电性能起着决定性的作用。目前，已开发的染料敏化剂主要有金属配合物染料和纯有机染料。染料敏化太阳能电池是仿照光合作用原理研制出来的，因此天然染料作为纯有机染料的一部分，从染料敏化太阳能电池研究初期就引起各国专家的注意。1997年，Gr?ztel从黑莓中提取天然染料作为敏化剂敏化太阳能电池，得到的光电转化效率为0.56%。为了提高天然染料敏化太阳能电池的光电转化效率，研究者们在天然染料分子的基础上进行了改性，经过不断努力，Hara等合成了光电转化效率7.6%由香豆素衍生染料敏化太阳能电池，使天然染料敏化太阳能电池的光电性能得到了很大提高，更增加了人们研究天然染料的信心。天然染料原材料丰富分布广泛种类繁多，可以直接从天然的植物中提取，制备过程简单无污染，大大降低了染料敏化太阳能电池的生产成本[1]。 一、染料敏化太阳能电池（DSSC）的结构与原理 DSSC的基本结构如图1所示，主要包括：TCO透明导电玻璃（光阳极）、TiO2纳米晶粒薄膜、光敏染料、电解液以及对电极。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

染料敏化太阳能电池实验报告(共9篇)

染料敏化太阳能电池实验报告(共9篇) 染料敏化太阳能电池实验 天然染料敏化TiO2太阳能电池的制备及光电性能测试姓名：蓝永琛班级：新能源材料与器件学号：20112500041 一、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。 二、实验原理 略 三、仪器与试剂 一、仪器设备 可控强度调光仪、紫外-可见分光光度计、超声波清洗器、恒温水浴槽、多功能万用表、电动搅拌器、马弗炉、红外线灯、研钵、三室电解池、铂片电极、饱和甘汞电极、石英比色皿、导电玻璃、镀铂导电玻璃、锡纸、生料带、三口烧瓶（500mL）、分液漏斗、布氏漏斗、抽虑瓶、容量瓶、烧杯、镊子等。 二、试剂材料 钛酸四丁酯、异丙醇、硝酸、无水乙醇、乙二醇、乙腈、碘、碘化钾、TBP、丙酮、石油醚、绿色叶片、红色花瓣、去离子水

四、实验步骤 一、TiO2溶胶制备 目前合成纳米TiO2的方法有多种，如溶胶-凝胶法、水热法、沉淀法、电化 学沉积法等。本实验采用溶胶-凝胶法。 （1）在500mL的三口烧瓶中加入1：100（体积比）的硝酸溶液约100mL，将三口烧瓶置于60-70oC的恒温水浴中恒温。 （2）在无水环境中，将5mL钛酸丁酯加入含有2mL异丙醇的分液漏斗中，将混合液充分震荡后缓慢滴入（约1滴/秒）上述三口烧瓶中的硝酸溶液中，并不断搅拌，直至获得透明的TiO2溶胶。 二、TiO2电极制备 取4片ITO导电玻璃经无水乙醇、去离子水冲洗、干燥，分别将其插入溶胶中浸泡提拉数次，直至形成均匀液膜。取出平置、自然晾干，再红外灯下烘干。最后在450oC下于马弗炉中煅烧30min 得到锐态矿型TiO2修饰电极。可用XRD粉 末衍射仪测定TiO2晶型结构。 三、染料敏化剂的制备和表征 (1) 叶绿素的提取 采集新鲜绿色幼叶，洗净晾干，去主脉，称取5g剪碎放入研钵，加入少量石油醚充分研磨，然后转入烧杯，再加入约20mL石油醚，超声提取15min后过滤，弃去滤液。将滤渣自然风干后转入研钵中，再以同样的方法用20mL丙酮提取，过滤后收集滤液，即得到

半导体敏化太阳能电池发展面临的突破(精)

半导体敏化太阳能电池的突破 [摘要]半导体敏化太阳能电池在过去数年已引起越来越大的兴趣。这类电池开始时转化效率非常低，现在迅速发展到转化效率达到4-5%。本文从三方面分析了优化提高太阳能电池的性能的途径：（1）材料：不仅包括光吸收材料，也包括电子和空穴导体、对电极材料；（2）通过表面处理来控制电子-空穴复合和能带排列；（3）发展具有增强光捕获和采集性能的纳米复合吸收材料。我们认为这些关键点可以使半导体敏化太阳能电池的设计和发展取得重要突破。 [正文]纳米技术被认为将使工业发生革命性的变化，通过纳米技术降低装置费用和提高效率，可使光电能源费用大大降低，产生显著的经济效益。传统的硅太阳能电池依赖高品质的材料，吸收光之后，产生的载流子将留在相同的材料中直到它们在选择性接触中被提取；为了阻止载流子提取前复合，必须采用高成本的尖端技术。相反，纳米尺度的吸收材料可以迅速把光生载流子分离到两个介质中，对材料品质不需苛刻要求，因此，大大减少了制造费用。吸收材料把光生载流子（电子和空穴）分离到两种介质中的概念，在染料敏化太阳能电池中被详细研究。其中，电池由辅助的纳米结构电子和空穴传输材料构成，染料分子起到吸收剂的作用。 半导体敏化太阳能电池从极低的转化效率迅速发展到接近4-5%。 另一方面，半导体材料构成了控制了能源市场-光伏器件的基础。当这些材料变成纳米尺度时，由于量子限制效应，出现了新的和奇特的性质。此外，块体材料的某些性质，如高吸光系数在在纳米尺度时仍然保留。 半导体量子点(QDs)具有大的固有偶极矩，它们的带隙可以通过尺寸和形状来调节，这一特性为吸光材料的纳米设计提供了一个极好的工具。更为重要的是，半导体量子点或薄膜的生产比块体便宜，它们的合成温度更低，并且可以采用液相方法。从这个意义上说，半导体量子点是发展敏化太阳能电池的优秀材料。 使用半导体作为增敏剂可以追溯到上世纪90年代。然而，直到最近几年，由于很多因素半导体敏化太阳能电池SSC才又被重视：纳米技术的发展使得半导体量子点和薄膜的制备及表征变得容易；染料敏化太阳能电池DSC的许多实验结果可应用到半导体敏化电池。所以，这种器件目前受到越来越多的研究小组重视。

染料敏化太阳电池光电能量转换效率的测定实验报告

染料敏化太阳电池光电能量转换效率的测定 一、实验目的 1.了解染料敏化太阳电池的基本工作原理，学习CHI630电化学工作 站的基本功能和调谐方法(或恒电位仪测量光电流的方法)； 2.了解染料敏化太阳电池的基本结构，测定方法； 3.掌握利用I-V曲线计算染料敏化太阳电池的能量转换效率 二、实验原理 太阳能的利用是一个永恒的课题。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。 染料敏化太阳电池是由透明导电玻璃、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。 图1 染料敏化太阳电池的结构示意图 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。图2是染料敏化太阳电池的能 级分布和工作原理图。

图2 染料敏化纳米晶太阳能电池的工作原理Ecb半导体的导带边;Evb半导体的价带边; D’,D’’ 是氧化还原电解质。对电极表面镀一层金属铂分别是染料的基态和激发态; I-,I- 3 上图表示在光照射太阳电池后,电池内的电子直接转移过程。(1)染料分子的激发。(2)染料分子中激发态的电子注入到TiO2的导带,CB和VB 分别表示TiO2的导带底和价带顶。从图中可以看出染料分子的能带最好与TiO2的能带重叠,这有利于电的注入。(3)染料分子通过接受来自电子 供体- I的电子,得以再生。(4)注入到TiO2导带中的电子与氧化态染料之3 间的复合,此过程会减少流入到外电路中电子的数量,降低电池的光电流。(5)注入到TiO2导带中的电子通过TiO2网格,传输TiO2膜与导电玻璃 的接触面后流入到外电路,产生光电流。(6)在TiO2中传输的电子与- I间 3 的复合反应。(7) - I离子扩散到对电极被还原再生,完成外电路中电流循 3 环。 太阳能电池的性能测试系统主要分为五部分，分别为光源，透镜，电池器件，电化学工作站(恒电位仪)，计算机，通过对太阳能电池光照下的电流/电压曲线的分析，来测试染料敏化TiO2纳米晶光电化学电池的