五甲川菁染料的敏化作用及其在¨型太阳能电池中的应用.pdf

五甲川菁染料的敏化作用及其在 Gratzel 型太阳能电池中的应用张 莉 杨迈之 高恩勤 乔学斌 郝彦忠 王艳琴 蔡生民北京大学化学与分子工程学院 , 北京 100871 孟凡顺 田 禾华东理工大学精细化工学院 , 上海 200237 摘要 采用新染料五甲川菁 Penta Methyl Cyanine 敏化 TiO 2 纳米结构电极 , UV 2Vis 吸收光谱和光电化学结果表明 , 使用该染料敏化使 TiO 2 纳米结构电极吸收波长红移至可见光区和近红外区 , 可显著地提高 TiO 2 纳米结构电极在可见光区的阳极光电流强度 , 明显改善光电转换效率 . 结合吸收光谱 、 电化学和光电化学结果初步讨论了敏化电极的光生电流的机理 .关键词 染料敏化 ; TiO 2 纳米结构多孔膜电极 ; 光电化学 ; 光电转换中图分类号 O0649. 4 文献标识码 A 文章编号 025120790 2000 1021543204收稿日期 1999208226.基金项目 国家自然科学基金 批准号 29773003 和安徽省自然科学研究项目 批准号 99j10211 资助 .联系人简介 杨迈之 1956 年出生 , 女 , 博士 , 教授 , 从事电化学和金属腐蚀与防护研究 .目前 , Gratzel 等 [1 ,2 ] 提出的使用有机染料 RuL2 SCN 2 敏化 TiO 2 纳米结构多孔膜的液态太阳能电池模型 , 以其低成本 、 高可靠性以及可观的转换效率等特点引起了科学家的高度重视 . 分析 Gratzel型太阳能电池模型的光电转换机理 [3 ]可知 , 染料的敏化作用在光电转换过程中的影响至关重要 . 已报道的敏化研究主要集中于有机染料 [4 ～ 6] 对半导体多孔膜电极的敏化 , 利用窄禁带宽度半导体材料如 CdS[7 ] , PbS[8 ] 等 与宽禁带宽度半导体材料制备复合半导体多孔膜电极 , 使用共轭导电聚合物如聚苯胺 、 聚吡咯等 [9 ～ 12 ] 修饰光阳极 . 但上述工作无论是在稳定性还是在电池光电转换效率上都无法与联吡啶钌化合物相比拟 . 本文采用一种自己合成的比联吡啶钌化合物廉价得多的新染料五甲川菁 Penta Methyl Cyanine , 以下简称 PMC 来敏化 TiO2 纳米结构多孔膜作为光阳极 , 其分子结构如下 测定被 PMC 敏化以及未敏化 TiO 2 纳米结构多孔膜电极的光电流作用谱 , 光电流随电势变化曲线和 UV 2Vis 吸收光谱等 . 结果表明 , 采用五甲川菁染料进行敏化可使 TiO2 纳米结构电极吸收波长红移至可见光区和近红外光区 , 光电流显著提高 , 光电转换效率得到改善 . 本文还初步探讨了 PMC 染料敏化 TiO2 电极的光电转换机理 .1 实验部分1. 1 试剂及实验材料透光的光阳极基底材料 O TE 为铟锡氧化物导电玻璃 北京建材设计院生产 , 厚度 0. 9 mm , 方块电阻 8 Ω / cm2 ; 所用试剂均为分析纯 ; 溶液用二次去离子水配制 . 所有实验均在室温下进行 .1. 2 TiO 2 纳米粒子胶体溶液及工作电极的制备参照文献 [ 13 ]方法制备 TiO 2 纳米粒子胶体溶液 . 参照文献 [ 12 ]方法制备 TiO 2 纳米结构多孔膜电Vol. 21 高 等 学 校 化 学 学 报 No. 102000 年 10 月 CHEMICAL JOURNAL OF CHIN ESE UN IV ERSITIES 1543 ～ 1546极 . O TE/ TiO 2/ PMC 电极的制备 将 OTE/ TiO2 电极在管式炉中 200 ℃ 下加热 10 min , 冷却至 80 ℃左右 , 迅速浸入 0. 5 mmol/ L PMC2乙醇溶液中 , 浸泡 24 h 后取出即得 O TE/ TiO 2/ PMC 电极 .1. 3 光电化学实验采用带石英窗口的三电极电解池 , 工作电极分别为 O TE/ TiO 2 , O TE/ TiO 2/ PMC. 铂丝为对电极 ,饱和甘汞电极为参比电极 文中所有电势除特殊标出外均相对于饱和甘汞电极 , 电解质为 0. 1 mol/ LNaSCN 的水溶液 , 用 0. 2 mol/ L 的邻苯二甲酸氢钾和同浓度的 NaOH 调节 p H 为 4. 0.以 200 W Xe 灯为光源 , 经光栅单色仪 北京光学仪器厂 变成单色光后聚焦照射在工作电极上 ,在 λ 350 nm 区间用高通滤光片 350 nm 消除紫外光在 500 nm 以上区间的倍频影响 . 光斑面积约为 0. 5 cm2. 用恒电位仪 Model 173 EG TiO2 nanostructured porous film electrode; Photoelectrochemisty ; Light 2to2electricity conversion Ed. U , I , X6451 高 等 学 校 化 学 学 报 Vol. 21