纳米二氧化钛太阳能电池的制备及其性能测试一、前言1、实验目的（1）了解纳米二氧化钛染料敏化太阳能电池的组成、工作原理及性能特点；（2）掌握合成纳米二氧化钛溶胶、组装成电池的方法与原理；（3）学会评价电池性能的方法。2、意义能源短缺与环境污染是目前人类面临的两大问题。传统的能源媒，石油和木材按目前的消耗速度只能维持五十至一百年。另外，由此所带来的环境污染，也正在威胁着人类赖以生存的地球。而在人类可以预测的未来时间内，太阳能作为人类取之不尽用之不竭的洁净能源，不产生任何的环境污染，且基本上不受地理条件的限制，因此太阳能利用技术研究引起了各国科学家的广泛重视。由于纳米技术的诱人前景和广泛的经济和社会效益，将太阳能电池与纳米技术相结合的开发应用更成为研究的热点。1991年Gratzel等制备了TiO2纳米多孔膜半导体电极，把多吡啶钉配合物吸附在多孔膜上，制作成染料敏化纳米晶TiO2太阳能电池,简称DSSC。目前该太阳能电池的光电转换效率大于10%（模拟太阳光），开路电压大于720mV，光电流密度大于20mA/cm2，寿命高达15~20年，其制造成本仅为硅太阳能电池的1/5~1/10。同时，DSSC具有永久性、清洁性和灵活性三大优点，基于DSSC这些性能特点，目前对它的研究已再度升温。3、文献综述与总结纳米TiO2的粒径和膜的微结构对光电性能的影响很大，纳米TiO2的粒径小，比表面积越大，吸附能力越强，吸附染料分子越多，光生电流也就越强，所以人们采用不同方法使之纳米化、多孔化、薄膜化。只有紧密吸附在半导体表面的单层染料分子才能产生有效的敏化效率。（1）半导体电极的制备目前，合成纳米TiO2的方法有溶胶凝胶法、水热反应法、溅射法、醇盐水解法、溅射沉积法、等离子喷涂法和丝网印刷法等。应用在DSSC中的TiO2多孔薄膜常用制备方法有胶体涂膜直接低温烧结法、水热法烧结、热液法烧结、微波烧结、紫外-化学气相沉积法等。溶胶凝胶法是用水解钛酸正丁酯（或无机钛盐，如TiCI4）制得TiO2胶体溶液，后经由浸渍、提拉、丝网印刷、旋涂等方法在导电基底上生长纳米高温锻烧制备出纳米TiO2电极，向溶胶中加入聚合物则有助于TiO2纳米晶粒径的大小的控制。虽然溶胶凝胶法工艺简单，但是有机物成本高、变量多、时间长，干燥后比较容易裂，制膜厚度不易于控制。因此导致多孔膜的表面呈现不规则的碎片状，更不利于光阳极吸收染料。水热法—般将溶胶在高压釜中高温高压长时间加热处理，因此水热法被视作溶胶-凝胶法的改进方法，即加入了水热熟化过程通过其控制产物的结晶和晶粒生长，从而对半导体氧化物的尺寸和分布进行控制。大多水热法可得到平均粒径为15-20nm的TiO2颗粒，然后釆用blade或者丝网印刷法将装料刮涂在导电玻璃上。除TiO2半导体材料被用作染料敏化太阳能电池的光阳极材料ZnO、Nb2O5、SnO2、Fe2O3、WO3等也被用作光电转换材料。但是这些材料不管是单晶的还是多晶的，掺杂的还是未掺杂的，他们的光电转化效率还是没有办法与以TiO2作为基底物质的电池相比。（2）染料敏化剂敏化染料分子的性质是电子生成和注入的关键因素。作为光敏剂的染料须具备以下条件：①牢固吸附在半导体上；②在可见光区具有较高的光吸收；③氧化态和激发态有高的稳定性；④激发态寿命长；⑤足够负的激发态电势以使电子注入半导体导带；⑥基态电势尽可能正。钌吡啶敏化剂虽然性能优良，但价格较高，而卟琳类和酞菁类染料敏化剂成本较低，在近红外区有较好的吸收，且吸光系数高，结合两者优缺点联合使用，形成光谱特征的互补，使吸收光谱变宽,使得应用前景更为广阔。纯有机染料不含中心金属离子，其优点为消光系数较高，包括香豆素、卟啉、类胡萝卜素、花菁素、半花菁、叶绿素及其衍生物等。无机染料敏化剂多选用窄带隙半导体材料,并使无机敏化剂与TiO2进行半导体复合，由于具有2种不同能级的导带和价带,复合半导体受光照激发后电子和空穴将迁移至TiO2的导带和复合材料的价带当中，从而实现载流子的有效分离。目前研究较多的无机敏化剂包括CdS、CdSe、WO3等。综上所述，染料的发展方向包括设计和合成耐光照、光谱响应范围大、电子注入效率、热稳定性好的敏化剂。二、实验部分1、实...
