电化学阻抗在染料敏化太阳能电池中的应用.pdf

145科技资讯科技资讯 ＳＣＩＥＮＣＥ ＆ ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ ＩＮＦＯＲＭＡＴＩＯＮ２０１１ ＮＯ．２４ＳＣＩＥＮＣＥ ＆ ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ ＩＮＦＯＲＭＡＴＩＯＮ动力与电气工程染料敏化太阳能电池是一种将光能转化 为 电 能 的 装 置 ,主 要 包 括 以 下 几 部 分 :光阳 极 (TiO 2,ZnO,SnO 2等 ), 染 料 ,电 解 液 ,对电极等 [1] 。 染料敏化太阳能电池光电转化效率 降 低 的 主 要 原 因 是 电 子 和 空 穴 的 复 合 ,表 现 在 电 化 学 参 数 中 为 界 面 电 阻 的 增 大 。Hauch [2] 等 人 使 用 交 流 阻 抗 研 究 电 池 的 电阻 ,通 过 简 单 的 等 效 电 路 模 型 分 析 电 阻RCT 。 另 外 一 些 研 究 小 组 采 用 交 流 阻 抗 对电 池 中 的 载 流 子 的 传 输 机 理 进 行 研 究 ,但他 们 的 结 果 并 不 十 分 一 致 。 各 个 研 究 小 组采 用 各 种 电 化 学 和 光 学 测 试 对 光 电 极 的反 应 机 理 进 行 研 究 ,指 出 电 子 从 染 料 注 入到 阳 极 材 料 的 导 带 的 过 程 是 一 个 “ 超 快 ”过 程 [3] ,交 流 阻 抗 还 是 分 析 发 生 在 对 电 极和 阳 极 之 间 物 理 - 化 学 过 程 的 强 大 工 具 。本 文 对 交 流 阻 抗 的 原 理 ,等 效 电 路 模 型 及其 在 染 料 敏 化 太 阳 能 电 池 中 的 应 用 做 了一 个 简 单 的 介 绍 。１ 交流阻抗简介交流阻抗方法是一种以小振幅的正弦波电位 (或电流 )为扰动信号的电化学测量方法。 由于以小振幅的电信号对体系扰动 ,一 方 面 可 避 免 对 体 系 产 生 大 的 影 响 ,另 一方面也使得扰动与体系的响应之间近似呈线 性 关 系 ,这 就 使 测 量 结 果 的 数 学 处 理 变得 简 单 。 交 流 阻 抗 法 就 是 以 不 同 频 率 的 小幅 值 正 弦 波 扰 动 信 号 作 用 于 电 极 系 统 ,由电极系统的响应与扰动信号之间的关系得到 的 电 极 阻 抗 ,推 测 电 极 的 等 效 电 路 ,进而可以分析电极系统所包含的动力学过程及其 机 理 ,由 等 效 电 路 中 有 关 元 件 的 参 数 值估 算 电 极 系 统 的 动 力 学 参 数 ,如 电 极 双 电层 电 容 ,电 荷 转 移 过 程 的 反 应 电 阻 ,扩 散 传质 过 程 参 数 等 。一个电极体系在小幅度的扰动信号作用 下 ,各 种 动 力 学 过 程 的 响 应 与 扰 动 信 号之 间 呈 线 形 关 系 ,可 以 把 每 个 动 力 学 过 程用电学上的一个线性元件或几个线性元件的 组 合 来 表 示 。 如 电 荷 转 移 过 程 可 以 用 一个 电 阻 来 表 示 ,双 电 层 充 放 电 过 程 用 一 个电 容 的 充 放 电 过 程 来 表 示 。 这 样 就 把 电 化学 动 力 学 过 程 用 一 个 等 效 电 路 来 描 述 ,通过对电极系统的扰动响应求得等效电路各元 件 的 数 值 ,从 而 推 断 电 极 体 系 的 反 应 机理 。同 时 ,电 化 学 阻 抗 谱 方 法 又 是 一 种 频率 域 的 测 量 方 法 ,它 以 测 量 得 到 的 频 率 范围 很 宽 的 阻 抗 谱 来 研 究 电 极 系 统 , 因 而 能比其他常规的电化学方法得到更多的动力学信息及电极界面结构的信息。２ 交流阻抗在染料敏化太阳能电池中的应用染料敏化太阳电池的交流阻抗谱图一般 分 为 三 部 分 ,分 别 位 于 高 频 ,中 频 和 低 频区 ,分 别 对 应 于 以 下 三 个 界 面 :Pt/ 电 解 液 ,阳 极 /电 解 液 和 染 料 / 阳 极 。 一 般 的 经 验 等效电路为 :Rs[C 1(R 1O1)](R 2Q2) [3]。 在这个等效电 路 中 ,R 和 S分 别 代 表 电 阻 和 电 容 ,O是的Yo,1 和 B 参 数 ,Q代 表 常 相 位 元 件 。 等 效 电路如图 1[4] 所示。上 述 等 效 电 路 为 一 般 经 验 模 型 ,还 可以 根 据 不 同 的 情 况 增 减 相 应 的 元 件 , 满 足不同类型的电池的需要。Chuan 等 人 利 用 电 化 学 阻 抗 研 究 发 现阳 极 材 料 表 面 态 是 复 合 电 子 的 主 要 因 素 ,降 低 了 电 池 的 光 电 转 化 效 率 。 在 光 照 和 暗态 下 ,选 用 合 适 的 等 效 电 路 模 型 可 以 对 不同 的 电 解 液 的 性 质 进 行 研 究 。 电 化 学 阻 抗还可以用来研究染料的给电子集团对电池性 能 的 影 响 。 对 染 料 敏 化 太 阳 能 电 池 的 阻抗研究可以采取以下研究。(1) 测量在不同条件下制备的染料敏化太阳能电池的阻抗谱图。(2) 建立染料敏化太阳能电池的等效电路和阻抗的数学物理模型。(3) 结 合 等 效 电 路 和 数 学 物 理 模 型 ,采用 模 拟 退 火 算 法 对 阻 抗 谱 图 进 行 拟 合 , 确定电子转移过程的重要参数。(4) 对 谱 图 进 行 分 析 ,研 究 阻 抗 谱 图 变化 与 染 料 敏 化 太 阳 能 电 池 结 构 的 变 化 关系 ,分 析 电 池 内 部 电 阻 的 分 布 。(5) 通 过 对 阻 抗 谱 图 和 重 要 参 数 的 分析 ,指 出 优 化 电 池 的 重 要 参 数 ,为 燃 料 电 池提 供 理 论 指 导 。因 此 ,通 过 电 化 学 阻 抗 对 染 料 敏 化 太阳 能 电 池 的 性 能 进 行 研 究 , 可 以 调 查 各 部分 组 成 对 光 电 效 率 的 影 响 , 从 而 对 研 究 电池 性 能 的 提 高 具 有 重 大 意 义 ,电 化 学 阻 抗是一个非常有效的研究手段。参考文献[1] H. T s u b o m ur a , M. M a t s um u r a,Y.N o m ur a, T. A m am i y a, N at ur e, 26 1(1976):402.[2] Chuan he, Zhi Zheng,Huili Tang etal.P hysical Chemistr yC,2009,113:10322 ～ 10325.[3] Claudia longo,Jilian freitas, marco-aet al.Journal of photochemistry andphotobiology A:Chemistry,2003,159:33 ～ 39.[4] Kai pan,Youzhen Dong,Chungui tianet al.Electrochimica Acta,2009,54:7350 ～ 7356.电化学阻抗在染料敏化太阳能电池中的应用张凌云 １ 吴钊成 ２（ １ ． 吉林省东北电力大学化学工程学院 吉林省吉林市 １ ３ ２ ０ １ ２ ；２ ． 吉林省中国石油吉林石化分公司 吉林省吉林市 １ ３ ２ ０ ２ １ ）摘 要 :近些年染料敏化太阳能电池的发展引起了广泛的关注。 电化学阻抗在染料敏化太阳能电池中广泛应用 ,用来调查电池界面的电阻及载流子在界面的传输性质和机理。 通过相应的经验模拟模型能获得电池的组件数据 ,理论和实验相结合调查电池性能。关键词 : 电化学 染料敏 应用中 图 分 类 号 :TQ15 文 献 标 识 码 :A 文 章 编 号 :1672-3791(2011)08(c)-0145-01图 １ 交流阻抗等效电路图