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...