2025年染料敏化太阳能电池关键材料的制备与表征VIP免费

实验一染料敏化太阳能电池核心材料的制备与表征在众多新能源中，太阳能因含有清洁、环保、无污染、取之不尽、用之不竭等诸多优点，被认为是将来最有但愿的新能源之一。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，已成为世界重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。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、设备规定较高而不适合开展大学生实验。纳米二氧化钛（TiO2）晶体太阳能电池是近来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、简朴的工艺以及相对稳定的性能。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，寿命却能达成以上。但是TiO2的禁带宽度为3.2eV，只能吸取波长不大于375nm的紫外光。为了使其吸取红移至可见光区，增大对全光谱范畴的响应，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，该研究组进一步研制出全固态DSSC，使用固体有机空穴传输替代液体电解质，单色光光电转化效率达成33%，引发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重要集中在阳极材料的改性、染料的改善、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（水热反映制备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、材料热解决等）、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构造与成分、扫描电子显微镜观察形貌、紫外-可见吸取光谱测试光谱吸取效果）等多个实验办法。由于实验环节繁多、周期较长，因图1Gratzel研究小组开发的DSSC此根据其特点分为两部分，第一部分为核心材料的制备与表征；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。NNNNNNRuCOOHCOOHCOOHHOOCHOOCCOOHNNNNRuCOOHHOOCHOOCCOOHNCSNCSNNNRuCOOHHOOCHOOCNCSNCSNCS图2实验室制备的使用不同染料敏化剂的DSSC【实验目的】（1）理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、对电极等核心材料的制备办法。（3）掌握有关材料的表征办法。【实验原理】染料敏化太阳能电池的构造与工作原理：染料敏化太阳能电池的构造是一种“三明治”构造，如图1所示，重要由下列几个部分构成：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构成与构造示意图光阳极：现在，DSSC惯用的光阳极是纳米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）略不不大于金红石型的能带隙（3.leV），且比表面积略不不大于金红石，对染料的吸附能力较好，因而光电转换性能较好。因此现在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℃。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下列几点规定：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取；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，方便在初级电子转移环节中自由能损失最小。现在使用的染料可分为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取，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太阳能电池保持着现在最高的转化效率，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...