天然染料敏化TiO2太阳能电池的制备及光电性能测试实验报告

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1、天然染料敏化TiO2太阳能电池的制备及光电性能测试一、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。

2、DSSC电池的工作原理：电池中的TiO2禁带宽度为3.2eV，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

3、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

4、，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.leV)，且比表面积略大于金红石，对染料的吸附能力较好，因而光图1DSSC结构与工作原理图电转换性能较好。因此目前使用的都是锐钛矿型的TiO2。研究发现，锐钛矿

5、在低温稳定，高温则转化为金红石，为了得到纯锐钛矿型的TiO2，退火温度为450oC。染料敏化剂的特点和种类用于DSSC电池的敏化剂染料应满足以下几点要求:①牢固吸附于半导体材料;②氧化态和激发态有较高的稳定性;③在可见区有较高的吸收;④有一长寿命的激发态;⑤足够负的激发态氧化还原势以使电子注入半导体导带;⑥对于基态和激发态氧化还原过程要有低的动力势垒，以便在初级电子转移步骤中自由能损失最小。目前使用的染料可分为4类:第一类为钌多吡啶有机金属配合物。这类染料在可见光区有较强的吸收，氧化还原性能可逆，氧化态稳定性高，是性能优越的光敏

6、化染料。用这类染料敏化的DSSC太阳能电池保持着目前最高的转化效率。但原料成本较高。第二类为酞菁和菁类系列染料。酞菁分子中引入磺酸基、羧酸基等能与TiO2表面结合的基团后，可用做敏化染料。分子中的金属原子可为Zn、Cu、Fe、Ti和Co等金属原子。它的化学性质稳定，对太阳光有很高的吸收效率，自身也表现出很好的半导体性质。而且通过改变不同的金属可获得不同能级的染料分子，这些都有利于光电转化。第三类为天然染料。自然界经过长期的进化，演化出了许多性能优异的染料，广泛分布于各种植物中，提取方法简单。因此近几年来，很多研究者都在探索从天然

7、染料或色素中筛选出适合于光电转化的染料。植物的叶子具有光化学能转化的功能，因此，从绿叶中提取的叶绿素应有一定的光敏活性。从植物的花中提取的花青素也有较好的光电性能，有望成为高效的敏化染料。天然染料突出的特点是成本低，所需的设备简单。第四类为固体染料。利用窄禁带半导体对可见光良好的吸收，可在TiO2纳米多孔膜表面镀一层窄禁带半导体膜。例如InAs和PbS，利用其半导体性质和TiO2纳米多孔膜的电荷传输性能，组成多结太阳能电池。窄禁带半导体充当敏化染料的作用，再利用固体电解质组成全固态电池。但窄禁带半导体严重的光腐蚀阻碍了进一步应用

8、。电解质电解质在电池中主要起传输电子和空穴的作用。目前DSSC电解质通常为液体电解质，主要由I-/I3-、(SCN)2-/SCN-、[Fe(CN)6]3-/[Fe(CN)6]4-等氧化还原电对构成。但液态电解质也存在一些缺点:(l)液态电解质的存在易导致吸附在T