納米二氧化鈦太陽能電池的制備及其性能的測(cè)試實(shí)驗(yàn)報(bào)告

-.z華南師*大學(xué)實(shí)驗(yàn)報(bào)告學(xué)生****專業(yè)化學(xué)(師*)班級(jí)12化教五班課程名稱化學(xué)綜合實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)工程納米二氧化鈦太陽能電池的制備及其性能測(cè)試實(shí)驗(yàn)類型□驗(yàn)證□設(shè)計(jì)□綜合實(shí)驗(yàn)時(shí)間2021年4月21日實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)教師李紅教師實(shí)驗(yàn)評(píng)分納米二氧化鈦太陽能電池的制備及其性能測(cè)試一、前言1．實(shí)驗(yàn)?zāi)康?1)了解納米二氧化鈦染料敏化太陽能電池的組成、工作原理及性能特點(diǎn)。(2)掌握實(shí)合成納米二氧化鈦溶膠、組裝成電池的方法與原理。(3)學(xué)會(huì)評(píng)價(jià)電池性能的方法。實(shí)驗(yàn)意義能源問題是制約目前世界經(jīng)濟(jì)開展的首要問題，太陽能作為一種取之不盡用之不竭無污染干凈的天然綠色能源而成為最有希望的能源之一。目前研究和應(yīng)用最廣泛的太陽能電池主要是硅系太陽能電池。但硅系電池原料本錢高、生產(chǎn)工藝復(fù)雜、效率提高潛力有限〔其光電轉(zhuǎn)換效率的理論極限值為30%〕，限制了其民用化，急需開發(fā)低本錢的太陽能電池。1991年，Gratzal等[1]將納米多孔TiO2薄膜應(yīng)用于一種新型的,基于光電化學(xué)過程的太陽電池-染料敏化納米薄膜電池中，光電轉(zhuǎn)換效率到達(dá)7.1%-7.9%，引起了世人的廣泛關(guān)注。隨后，該小組[2]開發(fā)了光電能量轉(zhuǎn)換效率達(dá)10-11%的DSSC，其光電流密度大于12mA/cm2，。目前，染料敏化納米二氧化鈦太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率已到達(dá)了11.18%。染料敏化納米二氧化鈦太陽能電池在世界*圍內(nèi)已經(jīng)成為了研究的熱點(diǎn)。DSSC與傳統(tǒng)的太陽電池相比有以下一些優(yōu)勢(shì)：(1)壽命長：使用壽命可達(dá)15-20年；(2)構(gòu)造簡單、易于制造，生產(chǎn)工藝簡單，易于大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)；(3)制備電池耗能較少，能源回收周期短；(4)生產(chǎn)本錢較低，僅為硅太陽能電池的1/5～1/10，預(yù)計(jì)每蜂瓦的電池的本錢在10元以內(nèi)。(5)生產(chǎn)過程中無毒無污染；文獻(xiàn)綜述與總結(jié)藍(lán)鼎等[3]采用溶膠2凝膠、漿體涂敷、磁控濺射等方法制備了二氧化鈦單層以及多層膜。結(jié)果說明：以磁控濺射薄膜為基底制備的復(fù)合膜太陽電池性能一般優(yōu)于溶膠-凝膠薄膜為基底制備的復(fù)合膜太陽電池性能，利用單層納米粉可以實(shí)現(xiàn)效率較高的太陽電池。王瑞斌等[4]提出：控制熱處理溫度,可得到不同粒徑和不同晶相比例的納米TiO2,這對(duì)染料敏化納米薄膜電池的光電轉(zhuǎn)換效率影響很大。這是因?yàn)椴煌阅艿募{米TiO2薄膜對(duì)染料的吸收程度不同,從而導(dǎo)致納米TiO2膜對(duì)光的吸收、透過、反射性能也不同。而且，納米TiO2薄膜的不同性能對(duì)載流子的傳輸有較大影響,適宜的納米TiO2膜可以有效地減少載流子復(fù)合,這些因素都將最終影響到太陽電池的光電轉(zhuǎn)換效率。黃娟茹等[5]在概述染料敏化太陽能電池工作原理根底上,著重分析電池光陽極TiO2薄膜的特性,并指出該薄膜在電池中所起的作用:負(fù)載染料、收集光生電子、別離電荷和傳輸光生電子;繼而從外表修飾、離子摻雜、量子點(diǎn)敏化、制備復(fù)合薄膜、設(shè)計(jì)微觀有序空間構(gòu)造、設(shè)計(jì)核殼構(gòu)造以及多手段共改性等方面對(duì)TiO2薄膜改性手段進(jìn)展綜述,并詳細(xì)分析改性手段優(yōu)化染料敏化太陽能電池性能的原因。作者認(rèn)為應(yīng)把優(yōu)化光陽極TiO2薄膜制備工藝及探討薄膜接觸面工作機(jī)理等作為今后的研究重點(diǎn)。二、實(shí)驗(yàn)局部1．實(shí)驗(yàn)原理〔1〕DSSC構(gòu)造和工作原理它由導(dǎo)電玻璃、吸附染料的納米晶TiO2薄膜、兩極間的電解質(zhì)〔常用I-/I3-〕和鍍鉑導(dǎo)電玻璃對(duì)電極組成的夾心狀電池。其工作原理同自然界的光合作用一樣，通過有效的光吸收和電荷別離而把光能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?。由于TiO2的禁帶寬度較大〔3.2eV〕，可見光不能將其直接激發(fā)；在其外表吸附一層染料敏化劑后，染料分子可以吸收太陽光而產(chǎn)生電子躍遷。由于染料的激發(fā)態(tài)能級(jí)高于TiO2的導(dǎo)帶，電子可以快速注入到TiO2導(dǎo)帶，進(jìn)而富集到導(dǎo)電玻璃片上，并通過外電路流向?qū)﹄姌O，形成電流。處于氧化鈦的染料分子則通過電解質(zhì)溶液中的電子給體擴(kuò)散至對(duì)電極，在電極外表被復(fù)原，從而完成一個(gè)光電化學(xué)反響循環(huán)。整個(gè)光電化學(xué)反響過程如下。=1\*GB3①敏化劑〔S〕吸收光能激發(fā)，激發(fā)態(tài)的敏化劑〔S〕向TiO2導(dǎo)帶注入電子而成為氧化態(tài)的敏化劑〔S+〕，反響式為：S→S·→S++TiO2(e)=2\*GB3②氧化態(tài)敏化劑被復(fù)原性物質(zhì)〔R〕復(fù)原，反響式為：S++R→S+O=3\*GB3③被氧化生成的氧化型物質(zhì)〔O〕在陰極上再復(fù)原成復(fù)原型物質(zhì)，參加下一循環(huán)的反響，反響式為：O+ne→R對(duì)于上面所述的DSSC，以下4種因素會(huì)影響DSSC光電流的產(chǎn)生；=1\*GB3①TiO2導(dǎo)帶上的電子向溶液中的氧化復(fù)原電對(duì)轉(zhuǎn)移產(chǎn)生暗電流；=2\*GB3②TiO2導(dǎo)帶中的電子也可能與半導(dǎo)體外表的敏化劑分子復(fù)合；=3\*GB3③激發(fā)態(tài)的染料敏化劑分子可能通過內(nèi)部轉(zhuǎn)移回到基態(tài)；=4\*GB3④TiO2中的電子可能會(huì)在TiO2晶體內(nèi)部或界面復(fù)合。電解質(zhì)溶液中通常含有I3-/I-、(S)2-/S-、[Fe()6]3-/[Fe()6]4-等氧化復(fù)原電對(duì)，目的是參加電子在電極和電解質(zhì)間交換與傳遞功能。對(duì)電極常用Pt、Au等金屬材料或鍍上貴金屬的導(dǎo)電玻璃?！?〕TiO2納米多空薄膜的合成TiO2是一種低廉、無毒、穩(wěn)定且抗腐蝕性能良好的半導(dǎo)體材料。其合成方法主要有溶劑凝膠法、水熱反響法、濺射法、陽極氧化法等。本實(shí)驗(yàn)主要使用溶膠凝膠法合成TiO2溶膠，然后用浸泡提拉法修飾到導(dǎo)電玻璃上?！?〕染料敏化劑的特點(diǎn)①能嚴(yán)密吸附在TiO2外表，要求染料分子中含有羧基、羥基等極性基團(tuán)；②對(duì)可見光的吸收性能好，在整個(gè)太陽光光譜*圍內(nèi)都應(yīng)有較強(qiáng)的吸收；③染料分子應(yīng)該具有比電解質(zhì)中的氧化復(fù)原電對(duì)更正的氧化復(fù)原電勢(shì)；④染料在長期光照下具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性，能夠完成108次循環(huán)反響；⑤染料的氧化態(tài)和激發(fā)態(tài)要有較高的穩(wěn)定性；⑥激發(fā)態(tài)能級(jí)與TiO2導(dǎo)帶能級(jí)匹配，激發(fā)態(tài)的能級(jí)高于TiO2導(dǎo)帶能級(jí)，保證電子的快速注入；⑦染料分子能溶解于與半導(dǎo)體共存的溶劑。2．儀器與藥品〔1〕主要儀器可控強(qiáng)度調(diào)光儀、紫外可見分光光度計(jì)、超聲波清洗器、數(shù)顯恒溫水浴鍋、萬用電表、電動(dòng)攪拌器、馬弗爐、紅外線燈、研缽、導(dǎo)電玻璃〔4塊〕、比色皿、錫紙、生料帶、三口燒瓶、分液漏斗、抽濾瓶、燒杯、鑷子等?！?〕主要試劑鈦酸四丁酯[Ti(O-Bu)4]、異丙醇、硝酸、無水乙醇、乙二醇、碘、丙酮、石油醚、黃花瓣、綠葉、去離子水。3．實(shí)驗(yàn)步驟〔1〕TiO2溶膠的制備在無水裝置中，將5mL鈦酸四丁酯參加含2mL異丙醇的分液漏斗中，將混合液充分震蕩后緩慢滴入60~70℃水浴恒溫且含1mL濃硝酸和100mL去離子水的三口燒瓶中，翻開電動(dòng)攪拌儀，直至獲得透明的TiO2溶膠?！?〕TiO2電極制備將導(dǎo)電玻璃經(jīng)無水乙醇、去離子水沖洗、枯燥后，將其插入溶膠中浸泡提拉，直至形成均勻液膜，取出平置、自然晾干后，在紅外燈下烘干，即制得TiO2修飾電極。最后在450℃左右下熱處理30min即得銳鈦礦TiO2修飾電極?！?〕葉綠素的提取采集新鮮幼葉，洗凈、晾干、去主脈，剪碎，放入研缽中參加少量石油醚充分研磨，然后轉(zhuǎn)入燒杯中，再參加約20mL石油醚，超聲波提取15min后過濾，棄去濾液。將濾渣自然風(fēng)干后轉(zhuǎn)入研缽中，再以同樣的方法用20mL丙酮提取，過濾后收集濾液，即得到去除葉黃素的葉綠素丙酮溶液?！?〕葉黃素的提取將新鮮黃花瓣剪碎，加少許提取液〔乙醇60%+石油醚40%〕研磨，超聲波提取15min，過濾，將濾液用乙醇定容至20mL?！?〕敏化TiO2電極的制備將經(jīng)熱處理的2片TiO2電極冷卻至80℃左右，分別浸入葉綠素丙酮溶液和葉黃素乙醇溶液中，浸泡3h后取出、清洗、晾干，即獲得葉綠素和葉黃素敏化TiO2電極，然后用錫紙引出導(dǎo)電基，并用生料帶外封。〔6〕敏化劑的UV-Vis吸收光譜以去離子水做空白，測(cè)定葉綠素和葉綠素的可見光吸收。由此確定這些染料敏化劑電子吸收的波長*圍?！?〕DSSC的光電流譜以敏化劑/TiO2為光陽極，導(dǎo)電玻璃為陰極，組裝電池，并分別測(cè)定I3-/I-電對(duì)存在時(shí)不同波長下DSSC產(chǎn)生的電壓，分析光電響應(yīng)的波長區(qū)間。4．實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象與結(jié)果〔1〕實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象表1實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象記錄表實(shí)驗(yàn)步驟實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象①TiO2溶膠的制備向燒瓶中逐滴滴入鈦酸四丁酯后，黃色的液體被迅速分散，產(chǎn)生白色渾濁，但隨著攪拌的不斷進(jìn)展，液體逐漸變?yōu)闊o色透明的膠狀物，而且在常溫下能穩(wěn)定存在。②TiO2電極制備將導(dǎo)電玻璃浸入到TiO2溶膠后抽出，以紅外光燈照射并以馬弗爐對(duì)其進(jìn)展450℃的高溫?zé)Y(jié)，可以觀察到不均勻的白色的固體膜附著在導(dǎo)電玻璃上。③葉綠素的提取提取得到去除葉黃素的綠色的葉綠素丙酮溶液④葉黃素的提取提取得到亮黃色的葉黃素乙醇溶液⑤敏化TiO2電極的制備晾干后得到黃綠色的葉綠素敏化TiO2電極和黃色的葉黃素敏化TiO2電極實(shí)驗(yàn)結(jié)果①實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄表2敏化劑的UV-Vis吸收度與DSSC的開路電壓數(shù)值表波長/〔nm〕吸光度A開路電壓/mV葉綠素葉黃素葉綠素葉黃素3203503804104404705005305605906202.4180.1440.1670.2300.1990.1310.0330.0130.0110.0170.0270.1492.3870.1580.1090.1490.1340.0150.000-0.0020.000-0.00130.085.186.988.289.394.496.097.198.6101.7104.211.811.612.212.813.512.76.17.27.62.22.5②實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理A.吸光度數(shù)據(jù)處理圖1染料敏化劑葉綠素和葉黃素的UV-Vis吸收曲線由圖1可知，葉綠素和葉黃素在紫外光區(qū)和可見光區(qū)間都有吸收，葉綠素在紫外光區(qū)〔320-350nm〕和葉黃素在紫外光區(qū)〔320-380nm〕和可見光區(qū)有較強(qiáng)吸收。葉綠素在紫外光區(qū)波長為320nm時(shí)吸收最強(qiáng)，500nm之后吸收很弱。葉黃素在紫外光區(qū)波長為350nm時(shí)吸收最強(qiáng)，500nm之后吸收很弱。無論是葉黃素還是葉綠素，它們都在其他的波長處吸光度有不同的波動(dòng)，但這都不影響對(duì)于其最大吸收波長的影響。研究發(fā)現(xiàn)，可見光不能將TiO2直接激發(fā)，而在外表涂上葉綠素和葉黃素后，可以敏華TiO2電極，讓電極對(duì)局部可見光吸收。由圖還可知，在紫外光區(qū)〔320-380nm〕葉綠素和葉黃素有各自最強(qiáng)吸收，而在可見光區(qū)葉綠素的吸光度根本強(qiáng)于葉黃素，說明在紫外光區(qū)葉綠素和葉黃素要具體分析，而可見光區(qū)葉綠素的敏化效果更好。B.開路電壓的數(shù)據(jù)處理圖2葉綠素和葉黃素敏化劑的開路電壓由圖2可知，葉綠素在敏化電極所對(duì)應(yīng)的開路電壓隨波長的增加而增加，在波長320nm-350nm處，開路電壓從30.0mV迅速增加到85.1mV，增加幅度大，350nm之后增加幅度呈平穩(wěn)緩慢上升狀。葉黃素在敏化電極所對(duì)應(yīng)的開路電壓在波長320nm-450nm處隨波長的增加而緩慢增加，在波長450nm處，開路電壓最強(qiáng)；在波長450nm后，隨著波長的增加，開路電壓曲線波動(dòng)較大，但總體趨于減小。由于葉綠素的敏化電極的開路電壓比葉黃素敏化電極的開路電壓大，所以葉綠素敏化電極的光電轉(zhuǎn)換效率較高。三、結(jié)果與討論TiO2薄膜屬于寬禁帶半導(dǎo)體，只能吸收387nm以下的光，不能吸收太陽光中占大局部的可見光,捕獲太陽光的能力非常差。采用染料敏化方法制備的光電化學(xué)太陽能電池,不但可以抑制半導(dǎo)體本身只吸收紫外光的缺點(diǎn)，使得電池對(duì)可見光譜的吸收大大增加,并且可通過改變?nèi)玖系姆N類得到理想的光電化學(xué)太陽能電池。染料敏化劑的作用就是吸收可見光，將電子注入半導(dǎo)體，并從電解質(zhì)中承受電子,重新復(fù)原,整個(gè)過程不斷循環(huán)。由圖1可知，在可見光區(qū)葉綠素的吸光度根本強(qiáng)于葉黃素，說明葉綠素的敏化效果更好。由圖2可知，葉綠素的敏化電極的開路電壓比葉黃素敏化電極的開路電壓大，所以葉綠素敏化電極的光電轉(zhuǎn)換效率較高。在圖中可以看到葉綠素的電壓比葉黃素的要大，這與葉黃素和葉綠素的吸收光能力有關(guān)，葉黃素的吸收可見光的能力比葉綠素要弱，因此電壓比葉綠素低。從圖1、圖2中可以看出，實(shí)驗(yàn)中敏化電極測(cè)得的電壓較低，且葉綠素和葉黃素的電壓最高所對(duì)應(yīng)的波長與其在可見光吸收光譜的最大吸收波長有所偏差。說明本實(shí)驗(yàn)制備的納米二氧化鈦太陽能電池的性能并不是很好，TiO2沒有能夠很好地吸收了染料敏化劑，不能起到嚴(yán)密吸附在TiO2且能快速吸收到達(dá)吸附平衡，且不容易脫落的效果。分析原因如下：制備得的TiO2的溶膠透明度不夠，略有渾濁，可能導(dǎo)電玻璃浸泡TiO2溶膠的液膜的均勻度和枯燥程度，影響TiO2電極的性能，進(jìn)而可能會(huì)影響到后面葉黃素和葉綠素的敏化效果。電極在敏化劑的浸泡的時(shí)間短，只有20min，可能影響敏化電極的性能。因此，電極外表敏化劑較少，因此吸收可見光能力也減弱；導(dǎo)線間連接不夠嚴(yán)密或?qū)Ь€生銹等，引起電路中電阻較大，導(dǎo)致測(cè)量時(shí)電壓波動(dòng)大，使得電壓測(cè)量的準(zhǔn)確性受到影響。四、結(jié)論本實(shí)驗(yàn)通過在導(dǎo)電玻璃上修飾TiO2溶膠以及葉綠素和葉黃素兩種敏化劑，成功制得敏化TiO2電極。以普通導(dǎo)電玻璃為正極與之連成的電池，在I3-/I-電解液中通過不同波長的光照射〔320nm~620nm〕，對(duì)二氧化鈦太陽能電池及其性能測(cè)試，可得出葉綠素和葉黃素可以吸收局部可見光，均能敏化TiO2電極，且葉綠素吸收可見光的能力和敏化效果均明顯好于葉黃素。即葉綠素敏化電極的光電轉(zhuǎn)換效率較高。相信，按此方向繼續(xù)開展定能使DSSC的光電效率有較顯著的提高，使之具有更大的研究價(jià)值和應(yīng)用潛力。五、參考文獻(xiàn)[1]章偉光.綜合化學(xué)實(shí)驗(yàn).華南師*大學(xué)化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心[2]王東波,*季懷,郝三存,蘭章,楊宏訓(xùn).納米二氧