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1、华南师范大学实验报告综合实验六一、前言【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)掌握实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。【文献综述与总结】 太阳能作为一种可再生能源，具有其它能源所不可比拟的优点。 它取之不尽，用之不竭，而且分布广泛，价格低廉，使用安全，不会对环境构成任何污染。 将太阳能转换为电能是利用太阳能的一种重要形式) 在过去的十几年中，利用半导体光电化学电池替代常规固态光伏半导体太阳能电池来完成太阳能转换的潜在经济价值日益显现) 在众多的半导体材料中，TiO2以其独有的低廉、稳定的特点得到广泛的应用)
2、辐射到地球表面的太阳光中，紫外光占4%，可见光占43%，N型半导体TiO2的带隙为3.2eV，吸收位于紫外区，对可见光的吸收较弱，为了增加对太阳光的利用率，人们把染料吸附在TiO2表面，借助染料对可见光的敏感效应，增加了整个染料敏化太阳能电池对太阳光的吸收率，由此构造了染料敏化太阳能电池-DSSC（dye-sensitized solar cell）电池。 DSSC与传统的太阳电池相比有以下一些优势：(1) 寿命长：使用寿命可达15-20年；(2) 结构简单、易于制造，生产工艺简单，易于大规模工业化生产；(3) 制备电池耗能较少，能源回收周期短；(4) 生产成本较低，仅为硅太阳能电池的1/51
3、/10，预计每蜂瓦的电池的成本在10元以内。(5) 生产过程中无毒无污染； 经过短短十几年时间，染料敏化太阳电池的研究在染料、电极、电解质等各方面取得了很大进展。同时在高效率、稳定性、耐久性等方面还有很大的发展空间。但真正使之走向产业化，服务于人类，还需要全世界各国科研工作者的共同努力。二、 实验部分【实验仪器与药品】 紫外可见分光光度计、超声波清洗器、数显恒温水浴锅、多功能万用表、电动搅拌器、马弗炉、红外线灯、研钵、铂片电极、石英比色皿、导电玻璃、镀铂导电玻璃、锡纸、生料带、三口烧瓶、分液漏斗、烧杯、镊子等 钛酸四丁酯、异丙醇、硝酸、无水乙醇、乙二醇、碘、碘化钾、丙酮、石油醚、去离子水、黄花
4、、绿叶【实验原理】1.DSSC结构和工作原理 它由导电玻璃、吸附染料的纳米晶TiO2薄膜、两极间的电解质（常用I-/I3-）和镀铂导电玻璃对电极组成的夹心状电池。其工作原理同自然界的光合作用一样，通过有效的光吸收和电荷分离而把光能转变为电能。由于TiO2的禁带宽度较大（3.2eV），可见光不能将其直接激发；在其表面吸附一层染料敏化剂后，染料分子可以吸收太阳光而产生电子跃迁。由于染料的激发态能级高于TiO2的导带，电子可以快速注入到TiO2导带，进而富集到导电玻璃片上，并通过外电路流向对电极，形成电流。处于氧化钛的染料分子则通过电解质溶液中的电子给体扩散至对电极，在电极表面被还原，从而完成一个光
5、电化学反应循环。整个光电化学反应过程如下。敏化剂（S）吸收光能激发，激发态的敏化剂（S）向TiO2导带注入电子而成为氧化态的敏化剂（S+），反应式为：SSS+TiO2(e)氧化态敏化剂被还原性物质（R）还原，反应式为：S+RS+O被氧化生成的氧化型物质（O）在阴极上再还原成还原型物质，参加下一循环的反应，反应式为：O+neR 对于上面所述的DSSC，以下4种因素会影响DSSC光电流的产生；TiO2导带上的电子向溶液中的氧化还原电对转移产生暗电流；TiO2导带中的电子也可能与半导体表面的敏化剂分子复合；激发态的染料敏化剂分子可能通过内部转移回到基态；TiO2中的电子可能会在TiO2晶体内部或界面
6、复合。电解质溶液中通常含有I3-/I-、(SCN)2-/SCN-、Fe(CN)63-/ Fe(CN)64-等氧化还原电对，目的是参加电子在电极和电解质间交换与传递功能。对电极常用Pt、Au等金属材料或镀上贵金属的导电玻璃。（2）TiO2电极膜材料 在染料敏化纳米太阳能电池中可以用的纳米半导体材料是多种多样的，如金属硫化物、金属硒化物、钙钛矿以及各种金属的氧化物 在这些半导体材料中，TiO2性能较好：1）作为光电极很稳定；2）TiO2比较便宜，制备简单，并且无毒，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
7、就越强。（3）染料敏化剂 由于电子在半导体内的复合,且TiO2的禁带宽度为3.2eV, TiO2晶相主要有三种Anatase（锐钛矿）、Rutile（金红石）、Brookite（板钛矿），常用的是锐钛矿和金红石，产生光电子的最大波长分别是388nm和414nm，只能吸收波长小于375nm的紫外光,因此光电转换效率低。必须将TiO2表面进行敏化处理才能吸收可见光,增大对太阳光的响应,从而提高光电转换效率。染料敏化一般涉及三个基本过程: 染料吸附到半导体表面; 吸附态染料分子吸收光子被激发; 激发态染料分子将电子注入到半导体的导带上。染料分子与TiO2形成共价键结合，所以要求染料分子含有羧基、羟基
8、等极性基团。除此之外染料敏化剂一般要符合条件：能吸收大部分或者全部的入射光；其吸收光谱能与太阳光谱很好地匹配；激发态寿命长，保证激发态电子有效注入到TiO2的导带，且具有长期稳定性；有适当的氧化还原电势。2.实验步骤 TiO2溶胶的准备 在无水的环境下，将5ml钛酸四丁酯加入含2ml异丙醇的分液漏斗中，将混合液充分震荡后缓慢滴入（1滴/s）6070水浴恒温且含有1ml浓硝酸和100ml去离子水的三口烧瓶中，打开电动搅拌仪，直至获得透明的TiO2溶胶。（2）TiO2电极制备 将ITO导电玻璃经无水乙醇、去离子水冲洗、干燥后，将其插入溶胶中浸泡提拉，直至形成均匀液膜，取出平置、自然晾干后，在红网i
9、，即制得TiO2修饰电极，最后在（45010）热处理30min即得锐钛矿TiO2修饰电极。（3）叶绿素的提取 采集新鲜的绿叶，洗净、晾干、去主脉，称取5g。剪碎，放入研钵中加入少量石油醚充分研磨，然后转入烧杯中，再加入约20ml石油醚，超声波提取15min后过滤，弃去滤液，将滤渣自然风干后转入研钵中，再以同样的方法用20ml丙酮提取，顾虑后收集滤液，即得到去除叶黄素的叶绿素丙酮溶液。（4）敏化TiO2电极的制备 将热处理的两片TiO2电极冷却至80左右，分别浸入叶绿素丙酮溶液中，浸泡3h后取出、清洗、晾干，即获得叶绿素敏化TiO2电极，然后采用铜薄膜在未覆盖TiO2膜的烟锡氧化物引出导电基，并
10、用生料带外封。（6）敏化剂的UV-Vis吸收光谱 以有机溶剂做空白，测定叶绿素可见吸收，由此确定这些染料敏化剂电子吸收波长范围。（7）DSSC的光电流谱 以敏化剂/ TiO2为光阳极，导电玻璃为阴极，按Gratzel型结构图组装电池，并分别测定I3-/I-电对存在时不同波长下DSSC产生的开路电压，分析光电响应的波长区间。【数据与讨论】 （1）叶绿素的波长和可见光吸收值波长320360380400420440460480500吸收2.1692.1852.2212.2602.4362.5712.4512.4822.223波长520540560580600620640660680吸收1.1501.
11、3151.3651.9692.3222.6346.6702.6702.552从表格上可以看出，叶绿素在波长440nm-460nm区间及640nm-670nm区间有较强的吸收。（2）染料敏化纳米TiO2太阳能电池的开路电压(电解液为I3-/I-缓冲溶液)波长310320350380410440470500电压（V）0.2000.2160.2480.3200.6450.8140.5140.341波长530560590620电压（V）0.3390.2980.2850.198图1 不同波长下DSSC产生的电压由上图可知：叶绿素在430nm处的电压最高，这与叶绿素在可见光吸收光谱的最大吸收波长一致，这个
12、说明了TiO2 能够很好地吸收了燃料敏化剂能够紧密吸附在TiO2且能快速吸收达到吸附平衡，且不容易脱落。3、 结论：（1） 叶绿素在430nm处的电压最高，这与叶绿素在可见光吸收光谱的最大吸收波长一致，这个说明了TiO2 能够很好地吸收了燃料敏化剂能够紧密吸附在TiO2且能快速吸收达到吸附平衡，且不容易脱落。（2） 通过在导电玻璃上修饰TiO2溶胶以及叶绿素敏化剂，成功制得敏化TiO2电极。以普通导电玻璃为正极与之连成的电池，在I3-/I-电解液中通过不同波长的光照射（350nm650nm）。研究TiO2敏化电极的光电压与波长关系，结果发现该电极在可见光范围内具有和小于375nm时的波长的光照射下相差不大的光电压，证明敏化剂叶绿素和叶黄素对TiO2修饰电极具有扩展光范围光电压响应的效能。相信，按此方向继续发展定能使DSSC的光电效率有较显著的提高，使之具有相当研究价值和应用潜力。4、参考文献1 章伟光. 综合化学实验. 华南师范大学化学实验教学中心2 孟庆波，林原，戴松元.染料敏化纳米晶薄膜太阳电池J.物理，2004，33（3）：177-1813 沈小林，徐卫林，杨红军. 导电玻璃对纳米二氧化钛薄膜太阳能电池性能的影响. 硅酸盐学报.2006,34(8)
