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染料敏化太阳能电池光阳极制备及其应用.pdf

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染料敏化太阳能电池光阳极制备及其应用.pdf

1 6 0 6 - 0 0 1 6 - 0 5收稿日期 2 0 1 1 - 0 6 - 1 4作者简介 李保民 ( 1 9 6 8 - ) , 男 , 高工 , 河北承德人 , 现在中国乐凯胶片集团公司从事科研管理工作 。1 引言染料敏 化 太 阳 电 池 ( d y e - s e n s i t i z e d s o l a r c e l l ,简称 D S S C ) 是在 1 9 9 1 年由 E P F L ( 瑞士联邦高等工业学院 ) 的 G r a t z e l 教授提出的一种新型光化学太阳电池 [ 1 , 2 ] , 主要是由透明导电玻璃 、 纳米 T i O 2多孔半导体 薄 膜 、 染 料 光 敏 化 剂 、 电 解 质 和 对 电极五个部分组成 , 纳米 T i O 2 多孔薄膜在染料 敏 化太阳 能 电 池 中 起 着 关 键 作 用 [ 3 , 4 ] , 由 于 它 的 多 孔性 , 相比于 单 晶 材 料 有 更 大 的 比 表 面 积 和 更 高 的染料分子 覆 盖 率 , 所 以 半 导 体 电 极 有 很 大 的 光 吸收系数和 光 电 转 换 效 率 [ 5 , 6 ] 。 近 年 来 , D S S C 电 池以其简单的 制 备 工 艺 、 低 廉 的 成 本 、 较 高 的 光 电转换效率 、 广 阔 的 应 用 前 景 而 受 到 世 界 各 国 科 学家和企业的广泛关注 [ 7 - 9 ] 。D S S C 电池通常由透明导电玻璃 、 吸附染料的多孔纳米二氧 化 钛 薄 膜 光 阳 极 、 电 解 质 溶 液 ( I - /I 3 - ) 、 镀铂对电极组成 。 当太阳光照射到电池上时 ,染料分子 吸 收 光 能 被 激 发 , 激 发 态 电 子 不 稳 定 ,快速注入到 T i O 2 导带 , 再通过多孔的二氧化钛薄膜传输到 光 阳 极 , 从 外 电 路 通 过 负 载 传 输 到 对 电极 , 同时失 去 电 子 的 氧 化 态 染 料 分 子 很 快 被 I - 还原 , 实现了电 荷 分 离 ; 电 解 质 中 的 氧 化 还 原 电 对( I 3 - ) 将空穴传输到对电极 , 与电子复合 , 从 而 完成一个循 环 [ 1 0 ] 。 在 这 一 循 环 中 , 二 氧 化 钛 薄 膜 的表面均匀性 及 与 导 电 基 材 的 附 着 性 对 电 子 传 输 到外电路有很重要的作用 , 电池要有高的转化效率 ,需有平整且与导电基材附着性良好的光阳极薄膜 。本文采用涂布法 在 F T O 导电玻璃基材上 , 制备二氧化 钛 薄 膜 , 通 过 优 化 二 氧 化 钛 粉 末 和 粘 结剂的比例 , 制 备 了 致 密 、 平 整 且 均 一 的 二 氧 化 钛薄膜 , 并研 究 二 氧 化 钛 薄 膜 厚 度 对 染 料 敏 化 太 阳能电池光 电 性 能 的 影 响 。 组 装 电 池 并 测 试 其 光 电性能 。1 7 浆料 , 待膜自 然 晾 干 后 , 将 其 放 在 马 弗 炉 中 进 行 但此时薄膜 与 基 材 附 着 力 较 差 , 结 合 不 牢 , 导 致1 8 图 1 二氧化钛薄膜光学显微镜照片其中 A 5 ∶ 1 ; B 3 ∶ 1 ; C 2 ∶ 1 ; D 4 ∶ 3 ; E 1 ∶ 1F i g 1 T h e o p t i c a l m i c r o s c o p e o f T i O 2 t h i n f i l m sA 5 ∶ 1 ; B 3 ∶ 1 ; C 2 ∶ 1 ; D 4 ∶ 3 ; E 1 ∶ 1表 1 不同条件制备二氧化钛薄膜组装电池的光电性能T a b l e 1 T h e D S S C p e r f o r m a n c e s a s s e m b l e d b y T i O 2 t h i n f i l m s p r e p a r e d a t d i f f e r e n t c o n d i t i o n s序号 T i O 2 浆料中 T i O 2 与 E C 的质量比所组装电池光电性能电流密度 / m A / c m 2 电压 / m V1 5 1 4 . 4 9 6 9 62 3 1 6 . 1 7 6 9 43 2 1 6 . 6 7 6 8 24 4 3 7 . 0 6 6 8 15 1 1 6 . 2 5 6 7 0图 2 T i O 2 薄膜的 S E M 照片F i g 2 S E M i m a g e o f T i O 2 t h i n f i l m图 2 为二氧化钛粉末与乙基纤维素质量比为 4∶ 3 时制备 T i O 2 薄膜的 S E M 照片 , 从图可见薄膜是由 T i O 2 颗粒和团簇组成的 。 薄膜中有许多 孔 径大小不等的 微 孔 , 存 在 于 颗 粒 和 团 簇 之 间 , 是 一种多孔结构 [ 1 , 2 , 8 , 9 ] , 这样的结构有利于染料分子通过微孔渗 入 到 电 极 的 深 层 , 从 而 使 电 极 吸 附 更 多的染料 , 同时 电 解 质 可 以 扩 散 到 微 孔 中 , 与 T i O 2颗粒充分接触 , 为微孔中的氧化态染料提供电子 ,保证光电转换过程的进行 。2 . 2 二氧化钛薄膜红外光谱分析图 3 T i O 2 膜高温处理后的红外光谱图F i g 3 F T I R s p e c t r a o f T i O 2 t h i n f i l m t r e a da t h i g h t e m p e r a t u r e图 3 为 T i O 2 膜高温处理后的红外光谱图 。 图1 9 图 4 T i O 2 膜厚与电池电流密度的关系图F i g 4 T h e r e l a t i o n s h i p o f t h e t h i c k n e s s o f T i O 2a n d t h e J s c o f D S S C2 . 4 染料吸附时间对电池光电性能的关系表 2 染料吸附时间与电池光电性能的关系T a b l e 2 T h e r e l a t i o n s h i p o f t h e t i m e o f d y e a b s o r p t i o n a n d t h e D S S C p e r f o r m a n c e序号 T i O 2 膜厚 / μ m 吸附时间 / h 吸附温度 染料 染料浓度 / m o l / L 电压 / m V 电流密度 / m A / c m 21 2 0 0 . 5 室温 N 7 1 9 5 1 0 - 4 7 3 9 1 2 . 22 2 0 1 室温 N 7 1 9 5 1 0 - 4 7 2 8 1 0 . 73 2 0 2 室温 N 7 1 9 5 1 0 - 4 7 3 4 1 2 . 74 2 0 1 8 室温 N 7 1 9 5 1 0 - 4 7 2 8 1 0 . 85 2 0 2 4 室温 N 7 1 9 5 1 0 - 4 6 9 0 1 2 . 4从上表 看 出 , 在 染 料 种 类 、 染 料 浓 度 及 吸 附温度都相同的情况下 , 染料吸附时间由 0 . 5 h 延长到 2 4 h , 并未增强吸附效果 , 从所组装电池性能来看 , 电流密度在 2 h 时最高 。 这样将染料吸附时间由通常的 2 4 h 缩 短 至 2 h , 可 以 加 快 快 D S S C 产 业化进程 , 提高 D S S C 制造效率 。2 . 5 优 选 各 个 条 件 制 备 T i O 2 膜 组 装 电 池 的 光 电性能如 图 5 为 优 化 各 个 条 件 , 组 装 有 效 面 积 为0 . 2 5 c m 2 的电池使用标准模拟光源测试的 I - V 曲线图 ,短路电流密度 J s c = 1 1 . 7 1 m A / c m 2 , 开路电压 V o c =6 9 9 m V , 填充因子 f f = 0 . 3 2 , 转换效率 η = 2 . 5 1 % 。图 5 有效面积为 0 . 2 5 c m 2 电池的 I - V 曲线图F i g 5 T h e I - V c u r v e o f D S S C b a s e d o n 0 . 2 5c m 22 0 K e y w o r d s t i t a n i u m d i o x i d e t h i n f i l m s ; b i n d e r ; d y e - s e n s i t i z e d s o l a r c e l l s ; o p t i c a l p r o p e r t i e s

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