稀土掺杂的染料敏化太阳能电池光电流测试

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1、稀土掺杂的染料敏化太阳能电池光电流测试一、实验目的：1. 利用物理吸附法在稀土掺杂的光阳极上吸附染料。2. 掌握制作染料敏化太阳能电池的方法。3. 能够掌握测试染料敏化太阳能电池光电流的原理和方法。二、实验原理：光电转化材料作为一种能够将光能通过一定的物理或化学途径转变成电能的新型光功能材料， 已成为材料科学领域的一个研究热点。目前光电转化材料大体分为无机半导体光电转化材料、 有机小分子光电转化材料和高分子光电转化材料。在常规的P-N 结光伏电池中，半导体起到两种作用：其一为捕获入射光，其二为传输光生载流子。但是，对于染料敏化太阳能电池（DSSC） ，基本的电子传输过程以基于吸附 N719染料

2、的 TiO2和电解液中有 I-/I3-氧化还原点对的器件为例，如图所示。首先是染料分子吸收太阳光的能量，电子从基态跃迁至激发态；通过染料与半导体界面作用， 染料激发态电子很快被注入能级较低、匹配很好的半导体导带， 而染料分子本身由于失去电子被氧化。二氧化钛导带的电子在纳米晶多孔膜中传导至导电基底上，最后通过外电路到达铂对电极将电解质中的I3-还原成 I-。I-通过扩散到达多孔电极将处于氧化态的染料分子还原成基态。理论上，这个激发 -氧化-还原的循环周而复始，持续不断的产生光电流。DSSC 中还存在两个暗反应，即半导体导带中的电子与氧化态染料之间的复合和纳米晶膜中传输的电子与进入膜孔中I3-离子

3、的复合。他们是造成电压和电流损失的一个主要原因。目前，染料敏化太阳能电池的光阳极，是由纳米晶多孔TiO2薄膜吸附 N3或 N719 染料而制得。 其主要作用是吸收光线， 吸收范围在 290-780 nm 之间。不过，他对占太阳光全部能量达43%的红外光几乎没有吸收。 因此如何将红外光转换为电池可以吸收利用的可见光和近紫外光，就显得非常重要。上转换发光是指：当采用波长较长的激发光 （如红外光） 照射掺杂稀土离子的样品时，样品发射出波长较短的光 （如可见光） 的现象。所以如何利用上转换发光材料来提高电池对红外光的吸收，就成为了本实验的目的。三、实验仪器与药品BAS100B 电化学工作站、太阳光模拟

4、器AM1.5 、磁力搅拌器、电热鼓风干燥箱、 FTO 导电玻璃、 X 射线衍射仪N719、Degussa P25 、I2、LiI 、无水乙醇、乙腈、叔丁醇、硝酸钇、硝酸镱、硝酸铒、乙二胺四乙酸（EDTA） 、氟化钠四、实验步骤1、合成 NaYF4：Yb3+/Er3+微米晶：在合成过程中，将2 mL、0.5M 的 Ln(NO3)3 (Ln = Y, Yb, and Er)水溶液和 1 mmol 的 EDTA 分散到 10 mL 的去离子水中，并且搅拌30 分钟，形成 Ln-EDTA螯合物。然后将氟化钠的水溶液逐渐滴加到上述混合液中，搅拌30 分钟。混合物被转移到 50mL 的水热釜中在 160反

5、应 24 小时。然后冷却到室温，最终的产物通过离心收集。2、制备光阳极和 DSSC电池组装：将 NaYF4： Yb3+/Er3+微米晶与 TiO2（Degussa P25 ） 混合后加入 3 mL 的 TiO2溶胶， 通过加入不同质量的NaYF4：Yb3+/Er3+微米晶配置不同浓度的浆料。采用刮涂方法将浆料涂到清洗过的FTO 导电玻璃上，在450焙烧 1 小时，得到稀土掺杂的光阳极。电极的厚度大约为10 微米。然后将电极浸入到0.5 mM 的N719 染料中保存 48 小时，使染料分子在阳极膜表面达到物理饱和吸附。然后与制备好的铂对电极用双面胶连接，并用环氧树脂粘在一起，组装成DSSC。五、

6、实验结果与讨论1、样品的晶体结构图 1、各样品的XRD 谱图 (a) NaYF4:Yb3+/Er3+微米晶。 (b) 纯 TiO2光阳极。 (c) TiO2-NaYF4:Yb3+/Er3+复合光阳极 . 插入图：谱图的放大。图 1 是发光 NaYF4:Yb3+/Er3+微米晶的 XRD 谱图，所有的衍射峰都属于纯六 角 相 氟 钇 钠 (JCPDS16-0334)， 没 有 多 余 的 杂 峰 。 纯TiO2光 阳 极 和TiO2-NaYF4:Yb3+/Er3+复合光阳极的 XRD 谱图也被显示在图1 的 b、c 中。对于纯 TiO2光阳极，几乎所有的峰都属于锐钛矿相的TiO2(JCPDS21

7、-1272). 而标记为 R110，R101和 R111的峰是金红石相 TiO2 (JCPDS21-1276) 。而对于复合光阳极，星号( )标记的峰是立方相的NaYF4 (JCPDS 06-0342) ，是由于膜的烧结过程，将六角相的氟钇钠烧碎成立方相的，也证明了成功的将稀土掺杂到光阳极中。2、样品的光电流测试（ I-V 测试）图 2、在模拟太阳光激发下(400 nm)不同NaYF4:Yb3+/Er3+掺杂浓度的样品的光电流-电压测试。表 1、不同NaYF4:Yb3+/Er3+掺杂浓度的TiO2-NaYF4:Yb3+/Er3+电池的太阳能电池参数。NaYF4:Yb3+/Er3+的浓度Isc(

8、mA/cm2) Voc(V) FF (%) 0% 5.55750.6900.722.77 1% 5.88500.6900.712.90 3% 6.35830.6790.713.06 5% 5.79170.7010.722.91 从上述数据可以明显的看出， 将稀土掺杂到光阳极中， 将提高太阳光的捕获，从而提高太阳能电池的效率。 不同掺杂浓度都有有所增加， 当稀土掺杂浓度达到3%的时候，效率增加10%左右。六、实验总结1、思考题：染料敏化TiO2薄膜电极在光伏电池中的作用？答：首先光的捕获是敏化剂完成的，受光的激发后， 染料分子从基态跃迁到激发态，若染料分子的激发态能级高于半导体的导带能级，且二者能级匹配，那么，处于激发态的染料就会将电子注入到半导体的导带中。除了负载敏化剂外， 半导体的主要功能是电子的收集和传导。所以TiO2薄膜电极在光伏电池中是最重要的组成部分。2、染料敏化太阳能电池凭借其清洁无污染、成本低目前备受关注，但其效率还有很大的提升空间。 将稀土掺杂到光阳极中， 通过尽可能多的利用太阳光，提高电池对光的捕获， 从而提高染料敏化太阳能电池的效率是较好的办法，但这种方式也存在一定的不足，因为稀土的导电性较差，也将影响电池效率的提高。