高考化學試題中染料敏化太陽能電池的考察

摘要：太陽能作為一種\"取之不盡、用之不竭\"的潔凈的天然能源，已經(jīng)引起人們的極大興趣，并成為高考的熱點。關于太陽能電池的相關知識在2010年全國卷I高考試題已有所涉及，本文就借助此題進一步介紹一下DSSC，并對高考中新型環(huán)保電池試題的解答思路作一總結，希望能夠引起讀者的共鳴。

關鍵詞：染料敏化的太陽能電池 新能源 電化學 光電轉換機理

隨著煤、石油、天然氣等礦物能源的日益枯竭，人們迫切需要尋找其它的可替代能源，作為一種“取之不盡、用之不竭”的潔凈的天然能源，太陽能成為最有希望的能源之一而引起了人們的高度重視。1991年， Grabtzel 等發(fā)明了一種利用吸附羧酸聯(lián)吡啶釕光敏染料的納米二氧化鈦薄膜為光電陽極的太陽能電池，其光電轉換效率大于7%，成本僅為硅光電池的1/5～1/10，使用壽命可達15年以上，這一重大突破使得有機染料敏化的太陽能電池(Dye-sensitized solar Cells， DSSC)向實用階段邁進了一大步。長期以來國外始終壟斷著這一行業(yè)，直到2010年初總投資1.5億元的全國首個DSSC產(chǎn)業(yè)化項目在河北邯鄲開發(fā)區(qū)落戶，標志著由我國自主研發(fā)的新一代太陽能電池DSSC的產(chǎn)業(yè)化進程邁上新臺階。關于DSSC的相關知識在2010年全國卷I高考試題第10題已有所涉及，在此我借助此題進一步介紹一下DSSC，并對高考中新型環(huán)保電池試題的解答思路作一總結。

例題：下圖是一種染料敏化太陽能電池的示意圖。電池的一個電極由有機光敏染料（S）涂覆TiO2納米晶體表面制成，另一電極由導電玻璃鍍鉑構成，電池中發(fā)生的反應為：

下列關于該電池敘述錯誤的是 ( )

A.電池工作時，I-離子在鍍鉑導電玻璃電極上放電

B.電池工作時，是將太陽能轉化為電能

C.電池的電解質溶液中I- 和I3-濃度不會減少

D.電池中鍍鉑導電玻璃為正極

解析：這是一道以新型環(huán)保電池DSSC為載體命制的試題，切入點新穎。新型環(huán)保電池的試題很好的結合了“低碳經(jīng)濟”這一時代主題，成為今年電化學考題的一大亮點。由于這類新情景的題目與課本知識相差甚遠， 設問中又突出遷移運用， 所以， 大多數(shù)考生對這類試題感到難， 而難在何處又十分迷茫；其實同學們遇到這類題大可不必慌張。縱觀2010年高考電化學試題后發(fā)現(xiàn)，其主要從電化學基本原理的理解（安徽卷·第11題/天津卷·第7題）、新型環(huán)保電池的電極反應及應用（全國卷Ⅰ·第10題）、金屬的腐蝕與防腐（山東卷·第29題）這三個方面來綜合考查學生對電化學這一知識板塊的理解和遷移應用能力。

此題的作答需要同學們很好的分析題干中給出的信息，避免了以往新情景題只看選項就能得出答案的缺陷，真正考察了同學們對知識的遷移應用能力。例題的題干部分簡單的介紹了DSSC的結構和光電轉換機理。DSSC是模仿光合作用原理，研制出來的一種新型太陽能電池，具有原材料豐富、成本低、工藝技術相對簡單，在大面積工業(yè)化生產(chǎn)中具有較大的優(yōu)勢，同時也具有所有原材料和生產(chǎn)工藝都是無毒、無污染的，部分材料可以得到充分的回收等優(yōu)點。電池中發(fā)生的反應為式(1)—(4)，即為DSCC的光電轉換機理，可以簡述為以下五步: (1) 太陽光(hν)照射到電池上， 基態(tài)染料分子(S)吸收太陽光能量被激發(fā)，染料分子中的電子受激躍遷到激發(fā)態(tài)(S*) ；(2) 激發(fā)態(tài)的電子快速注入到TiO2導帶中；(3) 電子在TiO2膜中迅速傳輸，在導電基片上富集， 通過外電路流向對電極；(4) 處于氧化態(tài)的染料分子(S*)與電解質( I-/I3- )溶液中的電子供體( I- )發(fā)生氧化還原反應而回到基態(tài)，染料分子得以再生；(5) 在對電極附近，電解質溶液得到電子而還原，從而完成一個循環(huán)。

在原電池中，電子流出的一極是負極，電子流入的一極是正極。根據(jù)圖中的電子流向，可知有機光敏染料（S）涂覆TiO2納米晶體表面修飾的電極為DSCC的負極，導電玻璃鍍鉑修飾的電極為正極，D正確。負極總是失去電子，發(fā)生氧化反應，正極總是得到電子發(fā)生還原反應；DSCC工作時，I-離子在電極上放電轉化成I3-，失去電子發(fā)生氧化反應，因此I-離子在負電極上放電，A錯誤。DSSC工作時，是將太陽能轉化為電能，這也是此類環(huán)保電池的一個顯著優(yōu)點，B正確。由題干中的反應式(3)和(4)可以得知，轉移相同的電子生成的I-和I3-的量相同，所以電池在工作過程中電解質溶液中I- 和I3-濃度不會減少，C正確。因此對該電池敘述錯誤的是A選項。

從上面的解析不難看出，雖然此類情景題切入點新穎，只要同學們仔細分析題干中給出的信息，結合平時熟練掌握了的電池的基本原理和解題規(guī)律，學會遷移運用已學知識，然后判斷選項中敘述的正誤，那么無論面臨如何新的情景，都可以以不變應萬變，駕馭自如。新型環(huán)保電池以其能量轉化率高、無毒無污染、成本低、壽命長等優(yōu)勢， 有著十分廣闊的產(chǎn)業(yè)化前景，相信在不久的將來，定會走進我們的生活。毫無疑問，它也將是高考命題中一大熱點和亮點。