IPCE簡(jiǎn)介及其在DSSC中的應(yīng)用

1、IPCE 簡(jiǎn)介及其在 DSSC 中的應(yīng)用摘要：本文簡(jiǎn)明扼要的對(duì) IPCE 做了介紹，其中包括原理、基本的概念、在太陽(yáng)能方面的使用。也對(duì)其測(cè)試儀器系統(tǒng)做了介紹，包括儀器的組成、原理、使用的方法等。最后著重介紹了其在 DSSC 中的使用，并分析了其在 DSSC 中所起的重要作用，通過(guò)具體實(shí)例可以加強(qiáng)對(duì) IPCE 的理解和認(rèn)識(shí)。關(guān)鍵字：IPCE;光電轉(zhuǎn)換效率；DSSC；應(yīng)用1. 隨著人類社會(huì)的進(jìn)步能源問(wèn)題和環(huán)境問(wèn)題已經(jīng)成為了制約人類社會(huì)發(fā)展的兩大熱點(diǎn)問(wèn)題。太陽(yáng)能作為一種綠色、安全、無(wú)污染、取之不盡用之不竭的新能源，已經(jīng)成為了目前最有潛力取代常規(guī)化石能源的成為人類社會(huì)主流能源之一的新能源。染料敏化納米

2、晶太陽(yáng)能電池（Dye Sensitized Solar Cells 簡(jiǎn)稱 DSSC）作為太陽(yáng)能電池的一種，自 1991 年瑞士科學(xué)家 Grtzel 報(bào)道以來(lái)，以其壽命長(zhǎng)、生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)單、能源回收周期短、成本低、生產(chǎn)過(guò)程中無(wú)毒無(wú)污染的優(yōu)勢(shì)迅速發(fā)展為行業(yè)內(nèi)備受人們關(guān)注的研究熱點(diǎn)4。對(duì)其表征和測(cè)試也就顯得尤為重要，IPCE 作為太陽(yáng)能電池方面的一種重要的測(cè)試手段，科研工作者有必要了解。1.1 IPCE 簡(jiǎn)介 IPCE 我們一般稱之為光電轉(zhuǎn)化效率或單色光光電轉(zhuǎn)換效率，學(xué)術(shù)術(shù)語(yǔ)為入射單色光子-電子轉(zhuǎn)化效率(monochromatic incident photon-to-electron conversi

3、on efficiency，用縮寫 IPCE 表示)。IPCE 的定義為：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)外電路中產(chǎn)生的電子數(shù) Ne 與單位時(shí)間內(nèi)的入射單色光子數(shù) Np 之比，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為：IPCE= 1240 Isc / (l Pin)，其中 Isc、l 和 Pin 所使用的單位分別為 A cm-2 、nm 和 W m-2。實(shí)際應(yīng)用中，考慮到 IPCE 與光捕獲效率 LHE (l)、電子注入量子效率 finj 及注入電子在納米晶膜與導(dǎo)電玻璃的后接觸面上的收集效率 fc 三部分相關(guān)，對(duì)公式進(jìn)行修正。所以對(duì)于同一體系，兩者相比，IPCE (l)能更好地表示電池對(duì)太陽(yáng)能的利用程度，因?yàn)?f (l)只考慮了被吸收光的光

4、電轉(zhuǎn)化，而 IPCE (l) 既考慮了被吸收光的光電轉(zhuǎn)化又考慮了光的吸收程度。譬如，若某電極的光捕獲效率為 1%，而實(shí)驗(yàn)測(cè)得量子效率 f (l) 為 90%，但其 IPCE (l) 只有 0.9%。作為太陽(yáng)能電池，必須考慮所有入射光的利用，所以用 IPCE (l) 表示其光電轉(zhuǎn)化效率更合理；作為 LB 膜或自組裝膜敏化平板電極的研究主要用來(lái)篩選染料而不太注重光捕獲效率，所以常用 f (l)表示光電轉(zhuǎn)化效果。在染料敏化太陽(yáng)能電池即 DSSC 中，IPCE (l) 與入射光波長(zhǎng)之間的關(guān)系曲線為光電流工作譜1。太陽(yáng)能電池的 IPCE 是指太陽(yáng)能電池的電荷載流子數(shù)目與照射在太陽(yáng)能電池表面一定能量的光子

5、數(shù)目的比率。因此，太陽(yáng)能電池的 IPCE 與太陽(yáng)能電池對(duì)照射在太陽(yáng)能電池表面的各個(gè)波長(zhǎng)的光的響應(yīng)有關(guān)。太陽(yáng)能電池的 IPCE 與光的波長(zhǎng)或者能量有關(guān)。如果對(duì)于一定的波長(zhǎng)，太陽(yáng)能電池完全吸收了所有的光子，并且我們搜集到由此產(chǎn)生的少數(shù)載流子（例如，電子在 P 型材料上） ，那么太陽(yáng)能電池在此波長(zhǎng)的 IPCE 為 1。對(duì)于能量低于能帶隙的光子，太陽(yáng)能電池的 IPCE 為 0。理想中的太陽(yáng)能電池的 IPCE 圖形是一個(gè)正方形，也就是說(shuō)，對(duì)于測(cè)試的各個(gè)波長(zhǎng)的太陽(yáng)能電池 IPCE 是一個(gè)常數(shù)2。但是，絕大多數(shù)太陽(yáng)能電池的 IPCE 會(huì)由于再結(jié)合效應(yīng)而降低，這里的電荷載流子不能流到外部電路中。用專業(yè)術(shù)語(yǔ)來(lái)說(shuō)

6、的話，綜合器件的厚度和入射光子規(guī)范的數(shù)目來(lái)說(shuō)，太陽(yáng)能電池的量子效率可以被看作是太陽(yáng)能電池對(duì)單一波長(zhǎng)的光的吸收能力。 1.2 IPCE 測(cè)試系統(tǒng)太陽(yáng)能電池的 IPCE 通過(guò)用波長(zhǎng)可調(diào)的單色光照射太陽(yáng)能電池，同時(shí)測(cè)量太陽(yáng)能電池在不同波長(zhǎng)的單色光照射下產(chǎn)生的短路電流,從而得到太陽(yáng)能電池的 IPCE。通常太陽(yáng)能電池 IPCE 的測(cè)試需要由寬帶光源、單色儀、信號(hào)放大、模塊、光強(qiáng)校準(zhǔn)模塊、計(jì)算機(jī)控制和數(shù)據(jù)采集處理模塊組成。IPCE 測(cè)試系統(tǒng)的特點(diǎn)是用調(diào)制光代替直流光，減少了雜散光、噪聲等對(duì)測(cè)量精度的影響。同時(shí)采用錐腔型熱釋電探測(cè)器代替熱電堆探測(cè)器，用鎖相測(cè)量?jī)x器代替直流測(cè)量?jī)x器并增加溫度控制，以便提高測(cè)量

7、系統(tǒng)的靈敏度和光譜響應(yīng)度標(biāo)準(zhǔn)的平坦程度，進(jìn)而提高準(zhǔn)確度。以以雙單色儀代替單色儀，大大減少雜散光，同時(shí)增加了光譜響應(yīng)度的絕對(duì)定標(biāo)6。該系統(tǒng)可以根據(jù)用戶靈活地根據(jù)客戶需求進(jìn)行變形、組合。可以完成例如太陽(yáng)能電池 IPCE 測(cè)試，光電器件光譜響應(yīng)度分析等實(shí)驗(yàn)。1.3 IPCE 的使用方法 打開(kāi)光源（檢查氙燈 300 瓦） ，讓其穩(wěn)定 10-15 分鐘。開(kāi)電腦、單色儀和功率計(jì)；打開(kāi)軟件開(kāi)始測(cè)試；選擇掃描波段；掃描參比光強(qiáng)數(shù)據(jù)并保存；導(dǎo)入?yún)⒈裙鈴?qiáng)數(shù)據(jù)和所用標(biāo)準(zhǔn)電池的校準(zhǔn)數(shù)據(jù)；掃描樣品的量子效率；測(cè)試完成，關(guān)閉軟件再關(guān)機(jī)，關(guān)閉光源、電源。其測(cè)量原理是通過(guò)光源從單色儀出射的單色光，分別照射在被測(cè)染料敏化太陽(yáng)能

8、與標(biāo)準(zhǔn)硅探測(cè)器上，二者接在 A、B 兩個(gè)通道上，可以相互轉(zhuǎn)換。然后測(cè)量它們的短路電流，在比較電流值的方法得出光譜響應(yīng)度3。其中標(biāo)準(zhǔn)硅探測(cè)器的光譜響應(yīng)度數(shù)據(jù)由中國(guó)計(jì)量院給出5。其直流測(cè)量法原理圖如下圖所示：圖 1-1 IPCE 的直流測(cè)量法原理圖22 IPCE 在 DSSC 中的應(yīng)用 如圖 2-2 所示，對(duì)染料的 IPCE 測(cè)定以及對(duì)太陽(yáng)能電池中 TiO2的 IPCE 的測(cè)定。在實(shí)驗(yàn)開(kāi)始測(cè)試時(shí)，首先用 A 通道接標(biāo)準(zhǔn)硅電池，通過(guò)調(diào)節(jié)短路電流，保證達(dá)到一定的信噪比，確保測(cè)量的精確度。通過(guò)測(cè)試出的結(jié)果和從已知數(shù)據(jù)中導(dǎo)入的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)進(jìn)行校正，就可以在用軟件進(jìn)行處理時(shí)扣除儀器等因素的影響，從而提高準(zhǔn)確度。

9、從下圖中可以看出 TiO2主要在 400nm 處有強(qiáng)吸收峰，在對(duì)染料敏華太陽(yáng)能電池的光陽(yáng)極進(jìn)行參雜修飾時(shí)可以除去TiO2的影響，從而分析所參雜物質(zhì)對(duì)應(yīng)的吸收峰，以此來(lái)探究影響染料敏化太陽(yáng)能電池光電轉(zhuǎn)換效率的因素，從而更好的提高其光電轉(zhuǎn)換效率，已達(dá)到實(shí)用目的。此外，通過(guò)此圖，還可以看出不同染料對(duì)光的響應(yīng)波段不同，當(dāng)所合成制備出的材料在 800nm 以上對(duì)光有響應(yīng)時(shí)，就只能用在此波段有光電轉(zhuǎn)換的染料，也就是圖中的黑色線4。否則，所產(chǎn)生的機(jī)理也就不同于染料敏化電池，也就不能通過(guò) IPCE 來(lái)表征。此外，對(duì)上轉(zhuǎn)換材料在染料敏化太陽(yáng)能電池中的應(yīng)用，通過(guò) IPCE 也能進(jìn)行很好的觀察，比如在近紅外波段，假

10、如合成的某物質(zhì)對(duì)光有吸收，就可以將其通過(guò)上轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換到可見(jiàn)光區(qū)，從而提高太陽(yáng)能電池的光電轉(zhuǎn)換效率。 圖 2-2 染料及 TiO2的 IPCE4 從圖 2-3，我們可以看出十鎢酸鋰負(fù)載 TiO2粉體與 P25 共混之后制備的電池所測(cè) IPCE與空白即 P25 大致走勢(shì)一致，其中十鎢酸鋰負(fù)載的粉體制備的電池所測(cè) IPCE 在 510nm 左右處有最大值，而十鎢酸鈉負(fù)載的粉體制備電池后所測(cè) IPCE 在 520nm 處有峰值。從圖中可以看出，十鎢酸鋰 0.05 與 P25 共混后所得效果最佳，而且較空白提升最大，峰值達(dá)到了45%，整個(gè)不同含量的十鎢酸鋰與 P25 共混后在 400nm 到 700nm

11、之間均有提高，同樣可以看到十鎢酸鋰 0.05 的提升幅度最大而且是在整個(gè)所測(cè)波長(zhǎng)范圍內(nèi)均有提升。這通過(guò)其他儀器所測(cè)的 J-V 曲線圖以及所測(cè)紫外-可見(jiàn)光吸收光譜是一致的。通過(guò)不同儀器的共同表征，從而可以更加確定其結(jié)果。圖 2-3 不同含量的十鎢酸鋰負(fù)載的 TiO2粉體制備的 DSSC 的 IPCE圖 2-4 十鎢酸/鹽負(fù)載的 TiO2粉體制備的 DSSC 的 IPCE從圖 2-4 可以看出不管是十鎢酸還是十鎢酸鹽負(fù)載 TiO2制備的 DSSC 的單色光效率和空白相比較均有所改善，其中十鎢酸鋰 0.05 負(fù)載 TiO2制備的 DSSC 的單色光效率有最優(yōu)改善，這和其 J-V 曲線所測(cè)光電轉(zhuǎn)化效率

12、是一致的。在第主族里，選擇了氫、鋰、鈉這三個(gè)元素，從 IPCE 上可以看出三者最小劑量的與 TiO2負(fù)載后再與 P25 共混制備電池后所得效率最高，三者中鋰的效率最高，其次是氫、鈉。從圖中也可以看出，十鎢酸鋰 0.05 與 P25 共混后 IPCE 達(dá)到了 45%，較 P25 空白提升了 165%，十鎢酸和十鎢酸鈉的 IPCE 峰值分別為 39%和29%。通過(guò) IPCE 我們就可以很容易的找到影響的因素，對(duì)同一主族元素規(guī)律的研究以及不同含量的研究使得我們可以在實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上做出可觀的改變，從而探尋改變光電轉(zhuǎn)換的機(jī)理及相應(yīng)影響因素，達(dá)到提高光電轉(zhuǎn)換效率的目的。這一部分是我自己近期做的結(jié)果，通過(guò)實(shí)際操作，可以發(fā)現(xiàn)存在的問(wèn)題，從而更好地改進(jìn)對(duì)儀器的理解和使用。參考文獻(xiàn)： 1楊德仁. 太陽(yáng)電池材料M. 北京: 化學(xué)工業(yè)出版社, 2007:1-4. 2高峰, 成曉玲. 染料敏化納米晶TiO2太陽(yáng)能電池研究進(jìn)展, 廣州化工. 2006,34（7）:8-11. 3秦好麗, 古國(guó)榜，柳松.二氧化鈦非金屬氮摻雜的研究進(jìn)展J.材料導(dǎo)報(bào),2005,17 (19)：12-14. 4M. Grtzel. Perspectives for Dy