实验10　染料敏化太阳能电池的制备及性能测试

一、实验目的

① 了解染料敏化太阳能电池的结构及制作过程。

② 掌握染料敏化太阳能电池的工作原理及光电性能测试方法。

二、实验原理

染料敏化太阳能电池（DSSC）的结构是一种“三明治”式结构，主要由纳米多孔二氧化钛半导体薄膜、染料光敏化剂、电解质、对电极和导电基底等几部分组成。DSSC工作原理（见图10.1）类似于自然界中植物的光合作用，与p-n结太阳能电池不同的是，在染料敏化太阳能电池中光的吸收和光生电荷的分离是分开的。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，并且染料与二氧化钛薄膜接触，于是电子注入二氧化钛导带中，此时染料分子自身变为氧化态。注入二氧化钛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光阳极被电解质溶液中的I^-（碘离子）还原为基态，电解质中的（碘三离子）被从光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。在整个过程中，表观上化学物质没有发生变化，而光能转化成了电能。但是反应过程中，若氧化态的染料和电解质溶液中的I^-在光阳极上被二氧化钛导带中的电子还原，则外电路中的电子将减少，这就是类似硅电池中的“暗电流”。整个反应过程如下：

① 染料D受激发由基态跃迁到激发态D^*：　　　　D+hνD^*

② 激发态染料分子将电子注入半导体导带中：　 D^*D⁺+e^-

③ 注入二氧化钛导带中的电子通过TiO₂网格

④ I^-还原氧化态染料分子：　　　　　　　　　 3I^-+2D⁺+2D

⑤ 扩散到对电极上得到电子使I^-再生：　　　 +2e^-3I^-

⑥ 半导体多孔膜中的电子与进入多孔膜中复合： +2e^-3I^-

⑦ 氧化态染料与导带中的电子复合：　　　　　　 D⁺+e^-D

其中，反应⑦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。

DSSC对光的吸收主要通过染料来实现，而电荷的分离传输则是通过动力学反应速率来控制。电荷在半导体中的运输由多数载流子完成，所以这种电池对材料纯度和制备工艺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数，只需几到十几个微米厚的半导体薄膜就可以满足对光的吸收，使DSSC电池成为真正的薄膜电池。

三、实验设备与材料

① 设备：玻璃刀，玻璃打孔器，超声波清洗器，丝网印刷机，旋涂机，热封机，太阳光模拟器，数字源表Keithley 2400，马弗炉，万用表，烘箱，吹风机。

② 试剂：二氧化钛，乙基纤维素，松油醇，丙酮，无水乙醇，染料N719，无水乙腈，碘，碘化锂，4-叔基吡啶（TBP）、H₂PtCl₆，无水异丙醇，FTO导电玻璃。

四、实验步骤与方法

1.太阳能电池的制作

（1）裁制和清洗导电玻璃

把导电玻璃裁成大小约2cm×1.5cm的小块玻璃备用。在裁剪的过程中要注意用万用表来区分导电面和非导电面，使玻璃刀在非导电面一侧进行切割，尽量避免用手直接触摸导电面。依次用洗衣粉和丙酮超声清洗10min，然后用去离子水冲洗2～3次，最后用乙醇超声清洗10min，将清洗干净的导电玻璃放在无水乙醇溶液中存储备用。

（2）二氧化钛溶胶的制备

将1.62g的二氧化钛（P25）均匀的分散在8.5mL的松油醇和0.45g的乙基纤维素的混合溶液中，磁力搅拌10h，获得均匀的二氧化钛溶胶。

（3）刷膜和烧结

采用丝网印刷法将制得的二氧化钛浆料均匀地刷在FTO导电玻璃表面，每次印刷完后，水平放入90℃烘箱烘干5～10min，之后放入马弗炉升温至450℃高温烧结1h。得到厚度大约为10μm的二氧化钛薄膜。

（4）二氧化钛膜的染料敏化

首先把高温烧结过的二氧化钛薄膜按面积（5mm×5mm）的大小进行修裁，随后置于烘箱中，在80℃条件下烘10min，除去表面吸附的少量水分，趁热将其浸入到含一定浓度染料敏化剂的无水乙醇溶液中，浸泡30min后将膜取出，清洗、晾干，即获得染料敏化的二氧化钛电极。

（5）铂电极的制备

将清洗好的导电玻璃平整地置于匀胶机中心，将适量的浓度约为40mmol/L氯铂酸无水异丙醇溶液滴加在FTO中心，在2000r/min下旋转20s，使溶液均匀分散，然后将分散好氯铂酸溶液的导电玻璃置于马弗炉中，380℃热处理30min，得到铂电极。

（6）电解液的配制

本实验中所用的电解液为：将0.5M TBP，0.05M I₂和0.1M LiI溶解在5mL无水乙腈中。

（7）光电池组装

首先在染料敏化二氧化钛膜的四周平整粘贴一层透明胶，形成腔体，然后往腔体内滴入电解质溶液，盖上铂电极并用夹子夹紧，即得简易封装的染料敏化TiO₂太阳能电池。

2.染料敏化太阳能电池的光电性能测试

太阳能电池光电性能测试在太阳光模拟器Oriel 91160-1000（450W）（AM1.5～100mW/cm²）的模拟太阳光下进行，用美国Keithley 2400数字源表采集光电流、光电压，得到DSSC的光电流（I）-电压（V）曲线。

实验操作：连接好装置，打开计算机中的测试软件，将组装好的染料敏化太阳能电池光阳极朝上置于光源中心，点击软件上的运行按钮，采集到太阳能电池的I-V曲线数据。从数据中可以得出太阳能电池的短路光电流密度（J_sc）、开路光电压（V_oc）以及最大输出功率时的光电流密度（J_max）和光电压（V_max），从而根据公式ff=和η==分别计算出填充因子（ff）和光电转换效率（η）等参数。

五、数据记录与处理

根据实验数据作出染料敏化太阳电池的I-V曲线图及功率输出曲线图，并完成表10.1。

六、思考题

① 影响染料敏化太阳能电池光电转换效率的因素有哪些？

② 与其他太阳能电池比较，DSSC电池有哪些优势和局限性？

参　考　文　献

[1]　肖尧明，吴季怀，李清华，等.柔性染料敏化太阳能电池光阳极的制备及其应用[J].科学通报，2009，54（16）：2425-2430.

[2]　南辉，林红，张璟，等.染料敏化太阳能电池丝网印刷浆料中有机造孔剂对电池性能的影响[J].硅酸盐通报，2009，28（3）：440-443.