二氧化钛电池试验报告

华 南 师 范 大 学 实 验 报 告 学生姓名吴健华学号 专业化学(师范)班级10 化学五班 课程名称化学综合实验实验类型：□验证□设计√综合 实验时间2014年3 月 27 日 指导老师李红老师 预习码：58928实验评分 纳米二氧化钛太阳能电池的制备及其性能测试纳米二氧化钛太阳能电池的制备及其性能测试 一、前言一、前言 1.1.1.1.实验目的实验目的 (1)了解纳米二氧化钛染料敏化太阳能电池的组成、工作原理及性能特点。 (2)掌握实合成纳米二氧化钛溶胶、组装成电池的方法与原理。 (3)学会评价电池性能的方法。 1.2.1.2.文献综述与总结文献综述与总结 太阳能是地球上唯一外来的永不枯竭的能源。 随着地球矿物能源日趋枯竭及环境问 题的出现，结合我国作为世界上能源消费增长最快的国家和我国的 SO2、NOx、CO2排 放大国的实际，太阳能电池的开发成为科学家的重要课题。 目前市场上硅半导体太阳能电池占绝对优势，其能隙（1.2eV）正好处于太阳能的 光谱吸收区内，光电转化效率较高，单晶硅太阳能电池可高达 24%；无机半导体电池， 如新型 CdTe电池的光电转化效率达到 10%，市场份额在 1%左右。 1991 年 Gratzel 等制备了 TiO2纳米多孔膜半导体电极， 把多吡啶钌配合物吸附在多 孔膜上，制作成染料敏化纳米晶 TiO2太阳能电池（DSSC） ，目前其光电转换效率大于 10%（模拟太阳光） ，开路电压约 720mV，光电流密度大于 20mA/cm2，寿命高达 15-20 年，制造成本仅为硅太阳能电池的 1/5~1/10。中科院等离子物理研究所的戴松元等将其 扩大到 500W 的小型示范电站，正接受耐久性测试。 DSSC 具有永久性、清洁性和灵活性三大优点。它可以一次投资多次长期使用，无 环境污染，更适用于大大小小的电站机组。然而目前太阳能电池电价较高，因此目前在 地面上暂不能广泛使用。 研究工作者们也发现 DSSC 的实用化还存在着一些问题:(l)液态电解质容易导致 TiO2表面上染料的脱落，从而影响电池的稳定性；(2)液态电解质中的溶剂易挥发，可能 会与染料作用导致染料发生光而影响电池的稳定性；(3)液态电解质中的溶剂易挥发，可 能会与染料作用导致染料发生光降解；(4)密封困难，且电解质可能与密封剂反应，容易 漏液，从而导致电池寿命大大下降；(5)液态电解质本身不稳定，易发生化学变化，从而 使太阳能电池失效；(6)电解质中的氧化还原电对在高强度光照下不稳定。由于 DSSC 电 池具有低成本、高效率的特点，所以有着很大发展潜力，已经引起了人们的广泛关注。 我们相信，在不久的将来，随着科学技术的进一步发展，这种太阳能电池将会有着十分 广阔的应用前景。 二、实验部分二、实验部分 2.1.2.1.实验原理实验原理 （1）DSSC 结构和工作原理： 如图 1 所示， DSSC 由导电玻璃、 吸附染料的纳米晶 TiO2薄膜、 两极间的电解质 （常 用 I-/I3-）和镀铂导电玻璃对电极组成夹心状电池。其工作原理是通过有效的光吸收和电 荷分离把光能转变为电能。由于 TiO2的禁带宽度较大（3.2eV） ，可见光不能将其直接激 发；在其表面吸附一层染料敏化剂后，染料分子可以吸收太阳光产生电子跃迁。由于染 料的激发态能级高于 TiO2的导带，电子可以快速注入到 TiO2导带，进而富集到导电玻 璃片上，并通过外电路流向对电极，形成电流。处于氧化态的染料分子则通过电解质溶 液中的电子给体，自身恢复为还原态，使染料分子得到再生，被氧化的电子给体扩散至 对电极，在电极表面被还原，从而完成一个光电化学反应循环。 ①敏化剂（S）吸收光能激发，激发态的敏化剂（S*）向 TiO2导带注入电子而成为 氧化态的敏化剂（S+） ： hν S—→S*→S++TiO2(e) ②氧化态敏化剂被还原性物质（R）还原： S++R→S+O ③被氧化生成的氧化型物质（O）在阴极上再还原成还原型物质，参加下一循环的 反应： O+ne→R 对于上述的 DSSC，影响 DSSC 光电流的产生的因素有： ①TiO2导带上的电子向溶液中的氧化还原电对转移产生暗电流； ②TiO2导带中的电子也可能与半导体表面的敏化剂分子复合； ③激发态的染料敏化剂分子可能通过内部转移回到基态； ④TiO2中的电子可能会在 TiO2晶体内部或界面复合。 电解质溶液中通常含有 I3-/I-、(SCN)2-/SCN-、[Fe(CN)6]3-/[ Fe(CN)6]4-等氧化还原电 对，目的是参加电子在电极和电解质间交换与传递功能。对电极常用 Pt、Au 等金属材 料或镀上贵金属的导电玻璃。 评价 DSSC 主要指标为：短路电流密度、开路电压、入射单色光光子-电流转换效率、 填充因子和光电能量转换效率。 （2）TiO2纳米多空薄膜的合成 TiO2是一种低廉、无毒、稳定且抗腐蚀性能良好的半导体材料。光照条件下，价带 电子被激发到导带，同时在价带上形成空穴。由于电子在半导体内的复合，且 TiO2的 禁带宽度为 3.2eV，只能吸收 λ＜375nm 的紫外光，为了使其吸收红移至可见光区，增 大对全光谱范围的响应，必须进行敏化处理。为了提高光子捕获效率和量子效率，可将 TiO2纳米化、多孔化、薄膜化，使 TiO2具有高比表面积，使其能吸附更多染料分子。 然而，只有紧密吸附在半导体表面的单层染料分子才能产生有效的敏化效率。TiO2表面 粗糙度大，太阳光在吸收，其表面内多次反射，可被染料分子反复吸收，提高太阳光利 用率。 目前合成纳米 TiO2的方法有溶胶凝胶法、水热反应法、溅射法、阳极氧化法、醇 盐水解法、溅射沉积法、等离子喷涂法、丝网印刷法等。应用在 DSSC 中的 TiO2多孔 薄膜常用制备方法有胶体涂膜直接低温烧结法、水热法烧结、热液法烧结、微波烧结、 紫外-化学气相沉积法等。本实验主要使用溶胶凝胶法合成 TiO2溶胶，然后用浸泡提拉 法修饰到导电玻璃上。 （3）染料敏化剂的特点 DSSC 对染料敏化剂的要求一般要符合以下条件： ①能紧密吸附在 TiO2表面，要求染料分子中含有易与纳米半导体表面结合的基团， 如-COOH，-SO3H 和-PO3H2； ②对可见光的吸收性能好，即能吸收大部分或者全部的入射光，在整个太阳光光谱 范围内都应有较强的吸收； ③染料的氧化态和激发态要有较高的稳定性； ④激发态寿命足够长，且具有很高的电荷传输效率； ⑤具有足够负的激发态氧化还原电位，以保证染料激发态电子注入 TiO2导带； ⑥在氧化还原过程（包括基态和激发态）中要有相对低的势垒，以便在初级和次级 电子转移过程中的自由能损失较小。 采用染料敏化方法制备的 DSSC，不但可以克服半导体本身只吸收紫外光的缺点， 使得其对可见光谱的吸收大大增加，并且可通过改变染料的种类得到理想的 DSSC。新 型的光敏染料具有广阔的可见光谱吸收范围，激发态寿命较长，易于和半导体进行界面 电荷转移以及化学性能稳定等卓越性能。目前常用的敏化剂包括联吡啶金属配合物、酞 菁、卟啉和有机化合物类染料及天然染料。 本实验制作的 DSSC 以导电玻璃修饰纳米 TiO2多孔膜作为光阳极， 三联吡啶钌 （Ⅱ） 和天然