Transcript 染料敏化太阳电池的制作与性能测试

Northwest University
化学国家级实验教学示范中心
创新研究实验Ⅱ （材料化学实验）
染料敏化太阳电池的制
作与性能测试
Northwest University
化学国家级实验教学示范中心
实验技能训练要点
1. 溶胶凝胶合成纳米材料方法；
2. 多孔膜材料制作技术；
3. 太阳光谱吸收测量；
4. 光电转化效率的测试；
5. 电解质的配备及实际应用；
内容提要
第一部分
研究背景及目的意义
第二部分
实验基本原理
第三部分
实验仪器及试剂
第四部分
实验步骤
第五部分 结果与讨论
第六部分
实验延伸
研究背景
名称：染料敏化太阳电池（Dye-sensitized Solar Cell）
类别：光电化学电池，工作原理类似植物的光合作用
绿色植物的光合作用
太阳电池的人工光合成
 化石能源资源日益枯竭，环境污染制约经济可持续发展。
 能源的需求有增无减，能源资源已成为重要的战略物资。
 世界各国竞相出台可再生能源的扶持政策、法令、法规。
 从2006年1月1开始，我国《可再生能源法》开始实施。
到地球表面的太阳能
３ｘ１０２４Ｊ/年
 全世界年间能源消耗量的一
万倍
 全世界化石能源量的1/10
更有效地利用
太阳能 ＋ 太阳电池
＝ 清洁能源
国内外染料敏化电池研发单位
瑞士联邦工学院(EPFL)；
澳大利亚STI(Sustainable Technology International)
公司；
德国INAP研究所；
荷兰国家能源研究所(ECN)带头的联合团队；
日本产业技术综合研究所(AIST)、日本日立公司、
日本富士公司、日本Peccell技术公司；
美国的Konarka高技术公司；
中国科学院等离子体物理研究所、北京大学、中科
院化学所、华侨大学、中科院理化技术研究所、浙
江大学、南京大学等 、东南大学、同济大学。
第一部分：实验目的
1 了解光电转化材料的应用及其发展；
2 掌握染料敏化TiO2太阳电池的光电转化机理；
3 掌握TiO2纳晶多孔膜的制备技术；
4 学习光伏电池的测试技术及其原理。
第二部分 实验原理
实验原理
染料敏化纳米晶太阳能电池的结构及工作原理：
TiO2
染料
CO2
光合成
e
染料敏化电池
e
传统电池
Sugar
H2O
O2
导
电
玻
璃
二
氧
化
钛
光
敏
染
料
光阳极
Pt
电解液
导
电
玻
璃
对电极
DSSC电池三部分：
工作电极：多孔半导体膜，吸附染料分子
电解质：
I-/I3-乙腈溶液，液态/准固态/固态
对电极：
镀有一层铂的导电玻璃。
工作原理：
1. 染料(S)受光激发 (S*)： S + hv → S*
2. 激发态电子注入: S* → S+ + e- (CB)
3. I-离子还原氧化态染料： 3I- + 2S+ → I3- + S
4. 电子与氧化态染料复合： S+ + e- (CB) → S
5. 导带(CB)中的电子传输: e-(CB) → e-(BC)
6. 传输电子I3-离子复合：
I3- + 2e- (CB) → 3I-
7. I3-离子扩散及再生：
I3- + 2e- (CE) → 3I-
第三部分
试剂及仪器
试剂：TiO2 (Degussa P25)，盐酸，硝酸, 染料N3，
TiCl4, H2PtCl6, 聚乙二醇20000, KI, I2, 无水乙醇；丙
酮, 乙腈, 叔丁基吡啶 。
仪器：氙灯光源，Keithley数字源表，球磨机, 导电玻
璃(两片), 玛瑙研钵，玻璃刀，载玻片，玻棒，胶带，
马沸炉(管式炉)；瓷坩埚；培养皿；保险膜；导电夹；
匀胶机(旋涂仪)；光功率计，恒温水浴锅，烧杯数个。
实验过程
第四部分
实验步骤
1. TiCl4冰水溶液：强烈搅拌
下滴加适量TiCl4至冰水溶
液中配制50 mmol L-1溶液
2. 电解质配制：称取一定量的KI、I2及丙烯碳
酸酯(PC)，使KI和I2的浓度分别为0.5 mo1·L1和0.05
mol·L-1，再加入等体积的叔丁基吡啶
3. FTO（1.8×2.5 cm2）导电玻璃分别用去污粉
、丙酮、酒精超声清洗30分钟三次，烘干。将上
述处理过的导电玻璃在50 mmol L-1的TiO2水溶液
中70℃处理30 min，增加TiO2层与玻璃的结合。
4. TiO2多孔膜的制备： 取P25粉
体6.0 g、6.7%的硝酸10 mL和聚
乙二醇(PEG-20000) 3.0 g混合，
研钵研磨2小时.
5. 得到的TiO2水溶胶在处理过的
导电玻璃上涂布，用胶带的厚度
控制膜厚。
5. 烧结: 将上述TiO2膜60℃烘
干30分钟, 10℃/分的速度升温
至450℃恒温30分钟煅烧。将
烧结的TiO2膜再次在50 mM
TiCl4中70℃处理30 min ，用
水和乙醇清洗并烘干，再次
10℃/分的速度升温至450℃恒
温30分钟煅烧。
6. TiO2膜着色：当炉
温冷却到70-80℃时，将二
氧化钛多孔膜电极取出浸
泡在制备好的染料溶液中
，浸泡24小时，使多孔膜
电极充分吸附染料分子
7. 制作铂黑对电极：将
同样大小的导电玻璃用蒸
馏水、无水乙醇洗涤并吹
干，旋涂3×10-3 mol·L-1
H2PtCl6的乙丙醇溶液至导
电面，快速升温至390℃烧
结15分钟。
8. 电池组装：把浸过染料24小时的
二氧化钛多孔膜电极用镊子取出，无
水乙醇清洗晾干。两片玻璃电极错开，
留出约4mm宽的导电部分作为电池测
试用，并用两个夹子把电池夹住。将
电池倾斜放置，从一端的缝中滴入电
解质。由于毛细管原理，电解质很快
在两个电极间均匀扩散，直至充满整
个电池。然后在其四周小心的涂上氰
基丙烯酸盐粘合剂，待晾干后测试其
性能。
Jsc=14.6 mA/cm2
Voc=700 mV
ff=0.735
h=7.5%
15
100
12
80
9
IPCE/%
Current density/mA cm
-2
18
6
60
40
20
0
3
400 500 600 700 800 900
Wavelength/nm
0
0
100
200
300
400
500
Potential/mV
600
700
第五部分 结果与讨论
1. 查阅相关文献, 比较染料敏化太阳电池的光电转化机理与
传统的硅电池光电转化机理有什么不同? 染料和TiO2各起什么
作用?
2. 染料敏化太阳电池中TiO2半导体膜必须是纳米晶多孔膜,
这里的纳米和多孔怎么理解, 用商用的固体TiO2制作的致密膜
能否用于敏化电池?
3. 参考背景知识, 谈一谈化学工作者在该领域可作出哪些贡
献, 或者说在提高染料敏化太阳电池的效率方面, 哪些工作需
要我们学化学的去完成?
注意事项
1、纳晶多孔膜的好坏决定效率, 为了能够得到好的多孔膜
电极, 在胶体制备, 刮涂以及烧结等过重中要严格按照操作步
骤进行, 否则很可能功亏一篑.
2、导电玻璃切割及清洗过程要小心谨慎, 一方面， 不可划
伤玻璃的导电面，以及油物污染导电玻璃； 另一方面，要带
手套，保护手不被划伤.
第六部分
实验延伸
染料敏化太阳能电池的制作成本仅为硅太阳能电
池的1/51/10，如果它的光电转换效率可稳定在5%
左右，寿命能达到二十年，将极具商业应用价值。
偏远地区，可解决人们的照明用电，及电视、洗
衣机、冰箱等家用电器的用电问题。对于一些游牧民
族，在白天日照下，黑暗的帐篷里会有灯光，夜晚时
可以使用储存的能源看电视、听音响。它还可以用于
一日三餐的热源。
城里，可用作电动自行车和电动汽车的能源储备。
市场售价35元/Wp(峰瓦)
商业效益
多晶硅太阳能电池
效率15%
成本约600元/m2
染料敏化太阳能电池
换算
12元/Wp
效率5%
研发
效率
规模化
成本
成本约200元/m2
染料敏化太阳能电池
效率9%
换算
2.5元/Wp
谢谢大家