染料敏化太阳能电池关键材料的制备与表征

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1、....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。图1Gratzel研究小组开发的DSSC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

2、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（DyeSensitizedSolarCell，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

3、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TiO2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

4、、周期较长，因此根据其参考....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。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“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、TiO2半导体纳米晶薄膜、电解质和铂电极。其中吸附了染

5、料的半导体纳米晶薄膜称为光阳极，铂电极称为对电极。图3DSSC组成与结构示意图参考....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450

6、℃。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有较长寿命的激发态；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，但成本较高。第二类为酞菁和菁类系列染料。酞菁分

7、子中引入磺酸基、羧酸基等能与TiO2表面结合的基团后，可用做染料敏化剂。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-化学转化的功能，因此，从绿叶中提取的叶绿素具有一定的光敏活性。从植物的花中提取的花青素也有较好

8、的光电性能