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1、摘要染料敏化太阳能电池 摘 要染料敏化太阳能电池是目前太阳能电池研究的重要方向之一，因其工艺简单，成本低引起了各国科学家的广泛兴趣。本论文选用天然植物为原料，提取其中的天然色素制备染料敏化太阳能电池。详细介绍了染料敏化太阳能电池的设计及制备过程，并测出它的开路电压和短路电流，研究它的电学特性并分析影响它电学特性的因素。关键字：太阳能 DSSC 天然染料 新能源 1ABSTRAUT ABSTRACT Dye sensitized solar cell is one of the important direction of the current solar cell research, bec
2、ause of its simple process, low cost has attracted wideinterest of scientists. This paper selects the natural plant as raw material, extracting the natural pigment, preparation of dye sensitized solar cell. Details of the dye sensitized solar cell design and preparation process, and to test the open
3、 circuit voltage and short circuit current of the electrical properties of it, and it analysis of the influencing factors of its electrical characteristics. Key Words:Solar energy DSSC Natural dyes New energy I目录 目 录第1章 课题整体框架11.1 课题任务11.2 课题要求11.3研究意义1第2章设计方案22.1染料敏化太阳能电池的概述22.1.2 染料敏化太阳能电池的发展22.1.
4、2 性能术语及基本概念32.1.2.1 -曲线32.1.2.2开路电压32.1.2.3 短路电流32.1.2.4填充因子32.1.3 染料敏化太阳能电池工作原理42.2 材料和仪器部分42.2.1 材料52.2.2仪器52.3 设计过程52.3.1 光阳极的制备52.3.1.1二氧化钛薄膜52.3.1.2 二氧化钛薄膜光阳极的制备52.3.2 天然染料的提取过程72.3.2.1 染料的要求72.3.2.2染料的提取92.3.3 对电极的制备122.3.4 电解液122.3.4.1 液态电解质系统132.3.4.2溶胶-凝胶（准固态）电解质系统132.3.4.3 全固态电解质系统142.3.4.
5、4 电解液的制备142.3.5 电池的组装142.3.5.1 染色142.3.5.2 电池组装142.3.6 染料敏化太阳能电池的电学性能测试14第3章 调试与实现173.1 实现功能描述173.2 实验结果分析173.3 设计中的重点难点183.3.1 设计中的重点183.3.2 设计中的难点183.4 解决方案183.5 实现展示19第4章 总结20I参考文献211第1章 课题整体框架 第1章 课题整体框架1.1 课题任务1、用溶胶-凝胶法制备纳米薄膜；2、选择并提取天然染料；3、设计并制作染料敏化太阳能电池；4、测出其开路电压及短路电流等数据，分析DSSC性能及影响因素。1.2 课题要求
6、1、掌握DSSC光电转换原理；2、熟悉染料敏化太阳能电池的制作工艺；3、设计的DSSC能测出其开路电压及短路电流；4、通过设计过程，学会分析影响DSSC光电转换效率的因素。1.3研究意义能源和环境是实现社会经济可持续发展的关键因素，是近十几年来世界关注的焦点。随着世界经济的不断发展，对能源的需求越来越多，不可再生能源面临着枯竭。新能源开发成为各国政府首要解决的问题。在各种可再生能源(风能、水能、太阳能等)中，太阳能由于具有清洁、使用安全、取之不尽、利用成本低且不受地理条件限制等优点，而备受青睐。当前太阳能的利用主要以光热转换、光电转换以及光化学能转换为主。其中光电转换也就是太阳能电池是太阳能利
7、用研究的热点之一。太阳能电池是根据光生伏特效应制成的光电转换器件。到目前为止，基于半导体硅及无机半导体化合物的太阳能电池光电转换效率是最高的。但长期以来，复杂的制作工艺和昂贵的成本限制了它们的发展和应用。所以近年来各国科学家正展开对新型太阳能电池的研究。相对于传统太阳能电池，染料敏化太阳能电池制备工艺相对简单，成本低廉，原材料广，并且无污染，因此，染料敏化太阳能电池是现在研究新型太阳能电池的重点研究方向之一。通过本次毕设，不仅了解了染料敏化太阳能电池的工作原理及工艺，还自己动手制备，使得自己对染料敏化太阳能电池有了更深入的了解，并且通过对所制备的样品进行测试，深入分析其光电特性。 V电子科技大
8、学成都学院本科毕业设计论文 第2章设计方案2.1染料敏化太阳能电池的概述2.1.2 染料敏化太阳能电池的发展早在160多年前，法国科学家Becquerel 首次观察到用氧化铜或卤化银涂在金属电极上会产生光电现象【1】。1873年，德国光电化学家Hemnan Vogel教授发现用染料处理的卤化银可以大大扩展其对可见光的反应能力，甚至可扩展到红光和红外光【2】。1887年，Moser 在卤化银电极上涂上赤藓红(erythrosine)染料进一步证实了光电现象【2】。20世纪60年代，这一领域的研究达到高潮，德国的H.Gerischer H.Tributsch Meier及R.Memming得出染料
9、吸附在半导体上并在一定条件下产生电流的机理, 成为光电化学电池的重要基础2。1972年，Fujishima 和 Hondas 首次将半导体TiO2作为电极光解水获得成功以来，TiO2在太阳能电池方面的应用开始受到了人们的关注。但由于TiO2是宽带隙半导体，带隙宽度为3.2eV，因而光谱响应范围很窄，光电转换效率很低【2】。20世纪80年代，光电转换研究的重点转向人工模拟光合作用，美国州立Arizona大学的Gust和Moore研究小组成功模拟了光合作用中光电子转换过程，并取得了一定的成绩。大自然光合作用中的光电转换给了人们很大的启示，叶绿体色素在光电转换中扮演着重要的角色。于是，人们就想到用光
10、敏染料来敏化TiO2半导体，利用染料对可见光的敏感性，来拓宽TiO2的光谱响应范围【2】。 20世纪70年代到90年代，R.Memming等人大量研究了各种染料敏化剂与半导体纳米晶间的光敏化作用，研究主要集中在平板电极上，这类电极表面吸附了单层染料，有效地拓宽了半导体的光谱响应范围。但单层染料分子对光的捕获率非常低。后来，人们试图采用多层染料分子以提高光的捕获率，但未获得进展，原因在于多层染料分子对电子来说是一个绝缘体，阻碍了电子的传输。1991年，瑞士洛桑高等工业学院(EPFL)的MichaelGrtzel教授领导的研究小组率先取得了突破性进展。他们用廉价的宽带隙氧化物半导体TiO2制备成具
11、有多孔结构、高比表面积的纳米晶薄膜，薄膜上吸附大量羧酸-联吡啶Ru(II)的配合物的敏化染料，并选用含I-/I3-氧化还原电对的低挥发性盐作为电解质，研制成一种称为染料敏化纳米晶太阳能电池。在模拟太阳光(AM1.5)下，得到了约为7.1%7.9%的光电转换效率。1993年达到了10% , 2003年达到了10.58%, 2004年和2005年，光电转换效率分别达到了11.04%和11.18%，其转换效率可与传统的非晶硅光伏电池媲美。染料敏化太阳能电池在提高太阳能光伏电池性能和实用化方面，是目前最具潜力的一类。与传统的PN结硅光伏电池相比，染料敏化太阳能电池具有以下一些优势： 寿命长：使用寿命可
12、达15-20年； 结构简单、易于制造，生产工艺简单，易于大规模工业化生产； 制备电池耗能较少，能源回收周期短； 生产成本较低，仅为硅太阳能电池的1/51/10。生产过程中无毒无污染。 另外，还可设计成各种形状的太阳能电池使之多样化。总之染料敏化纳米晶太阳能电池有着十分广阔的产业化前景，是具有相当广泛应用前景的新型太阳电池。相信在不久的将来，染料敏化太阳电池将会走进我们的生活。因此吸引了各国众多科学家与企业大力进行研究和开发，近年来获得了飞速发展。2.1.2 性能术语及基本概念2.1.2.1 -曲线太阳能电池的输出特性我们可以用I-V曲线来表示。由I-V曲线可以得到描述太阳能电池的四个重要的输出
13、参数：开路电压、短路电流、填充因子和光电转换效率。2.1.2.2开路电压在一定的温度和光辐照度条件下，太阳能电池在开路（空载）情况下的端电压，也就是伏安特性曲线与横坐标的交点所对应的电压，通常用来表示。2.1.2.3 短路电流在一定的温度和光辐照度条件下，太阳能电池在端电压为零时的输出电流，也就是伏安特性曲线与纵坐标的交点所对应的电流，通常用来表示。太阳能电池的短路电流与太阳能电池的面积大小有关，面积越大，越大。2.1.2.4填充因子填充因子是表征太阳能电池性能优劣的一个重要参数，定义为太阳能电池的最大功率与开路电压和短路电流之比，通常用表示。太阳能电池的串联电阻越小，旁路电阻越大，则填充因子
14、越大，该电池的伏安特性曲线所包围的面积也越大，表示伏安特性曲线接近于正方形，这就意味着该太阳能电池的最大输出功率越接近于所能达到的极限输出功率，因而光电性能越好。2.1.3 染料敏化太阳能电池工作原理太阳光照在半导体pn结上，当能量不低于半导体的禁带宽度时，电子受激跃迁到激发态，形成电子空穴对，进而在pn结内形成内建电场；在该电场的作用下光生空穴由n区流向p区，光生电子由p区流向n区，在外电路作用下形成电流。这就是传统的太阳能电池的工作原理。而为了避免电子-空穴对的复合，半导体缺陷或者半导体掺杂浓度需要非常严格的控制，这使得这项技术的难度大大增加。不仅如此，传统的太阳能电池只有不低于半导体材料的禁带宽度的能量才可以被利用，而一些半导体的禁带宽度较大，需要吸收紫外区的能量方能形成电子-空穴对，这就使得太阳能的利用率不高。与传统的太阳能电池不同，染料敏化太阳能电池的原理类似于自然界植物的光合作用，它对光的吸收是通过染料来实现的，它能将低于半导体材料的禁带宽度的能量也利用起来：当能量低于半导体材料的禁带宽度且大于染料分子特征吸收波长的入射光照射到电极上时，吸附在电极表面的染料分子中的电子受激跃迁至激发态，然后染料分子中激发态的电子注入到半导体材料的导带中，此时染料分子由于失去电子转变为氧化态。注
