染料敏化TiO2太陽能電池制備及實驗研究

喬春珍 李輝 郭超 杜海欣 高佳榮 楊家明

摘要：由于一次能源的不斷消耗，開發利用新能源迫在眉睫，現已成為世界各國科學工作者的共同目標。燃料敏化太陽能電池具有多種獨特的光學和電學特性進入研究者的視野。本文致力于染料敏化TiO2太陽能電池的制備與特性分析，探究了分散劑、OP乳化劑、電解質溶液中碘離子與碘濃度對染料敏化TiO2太陽能電池性能的影響，為實際的生產應用提供參考。

關鍵詞：太陽能電池;染料敏化;TiO2薄膜

中圖分類號：TM914.4 ? ? 文獻標志碼：A ? ? 文章編號：1674-9324（2016）40-0283-02

伴隨世界經濟的發展，人們對能源的依賴也逐漸增加，能源需求正逐步擴大。根據《2015年BP世界能源統計年鑒》數據，2014年全球一次能源消費構成仍以化石能源為主，消費量達到111.58億噸油當量[1]，占總體能源消耗結構的86.3%，其中以強污染為代表的煤炭和石油在能源消耗結構中比重較高。這種極不合理的消費結構會導致兩個重大問題：一是能源危機，二是環境污染。從世界一次能源消費量增速來看，2014年僅有0.9%[1]，且化石燃料的比例逐漸下降，可再生能源在消費結構中呈逐年上升趨勢。說明全球各國正逐漸意識到可持續發展的重要性，并且已經采取措施進行節能減排和優化能源結構，如今開發利用可再生能源已是全人類的共同愿望。

目前進入實用領域的主要是硅系太陽能電池，硅系太陽能電池的光電轉換效率高，通常超過20%，但是缺點也尤為明顯，它的制作工藝較復雜，生產成本高達為20～40元/W，大大限制了在社會生產中的推廣和使用[2]。因此人們一直在尋找新型的太陽能電池來替代成本高昂的硅系太陽能電池，染料敏化太陽能電池應運而生。

染料敏化太陽能電池（簡稱DSC或DSSC），是20世紀90年代發展起來的一種新型太陽能電池，它工藝簡單、性能穩定、擁有較高的光電轉化效率，生產成本僅為5～10元/W。這種新型太陽能電池是由瑞士的GrAtzel教授領導的研究小組基于自然界中的光合作用原理首次提出的[3]，他們利用納米多孔TiO2膜作為陽極，在其表面吸附一層對可見光有很強的吸收能力且能級與TiO2匹配的染料，通過染料分子對TiO2敏化達到對可見光的吸收，能級與可見光相匹配的染料對太陽光進行吸收并且把光生電荷傳輸到TiO2薄膜，實現有效的電荷分離。

一、染料敏化TiO2太陽能電池的結構與原理

1.DSSC的結構。染料敏化TiO2太陽能電池主要由三個部分組成[4]：①多孔TiO2薄膜電極（光陽極）;②電解質;③對電極。其中TiO2薄膜電極由導電玻璃、TiO2薄膜和染料敏化劑組成，對電極由惰性金屬和導電玻璃組成，染料敏化劑的作用相當于葉綠體中的葉綠素。

2.DSSC的原理。染料敏化TiO2太陽能電池的基本原理類似于植物的光合作用，染料敏化劑吸收太陽光后發生氧化反應，產生的電荷傳輸到TiO2薄膜上，流過光陽極、外電路、對電極形成電流，到達電解質發生還原反應產生I3-，最后I3-將氧化的敏化劑還原，自身變回I2，并且不斷循環。在整個循環過程中，敏化劑與電解質充當催化劑作用，不會因為電池的使用而消耗，從而保證了電池的長時間高效工作。

具體的循環過程如下：①吸附在TiO2薄膜上的染料敏化劑分子（S）在光照下吸收能量躍遷為激發態染料分子（S*）：S+hv→S*。②激發態染料分子（S*）失去電子轉化為氧化態染料分子（S+）：S*-e-→S+。③氧化態染料分子（S+）將電子注入到TiO2半導體的導帶中。④電子流（e-）由半導體納米TiO2膜流經外電路傳輸至對電極。⑤電解質中I2分子從對電極得到電子形成還原態的I3-：I2+e-→I3-。⑥還原態I3-將氧化態染料分子（S+）還原為基態染料分子（S）：I3-+S+→I2+S。

二、實驗過程

1.實驗試劑和儀器。ITO導電玻璃（100mm×100mm）、二氧化鈦粉體（P25）、乙酰丙酮（分析純）、OP乳化劑（化學純）、碘（分析純）、碘化鉀（分析純）、乙腈（分析純）、乙二醇（分析純）等。

2.實驗過程。第一步：配制TiO2膠體。稱取12g TiO2粉體放入研缽中，加入水少量、0.60ml乙酰丙酮、0.40ml OP乳化劑，用研棒研磨1小時，得到白色的TiO2膠體。第二步：涂覆法制備TiO2薄膜。在導電玻璃導電一側的四周貼一層透明膠帶，中間留出60mm×60mm的區域，把TiO2膠體均勻地涂抹在中間，自然晾干后撕開膠帶，用酒精燈燒結30分鐘至薄膜完全固化，再慢慢冷卻，形成白色的TiO2薄膜。

第三步：利用天然染料把TiO2薄膜著色。取適量新鮮的黑莓、藍莓或石榴籽，加入適量水，榨取鮮新的汁液作為染料，將TiO2薄膜放入染料中浸泡1h后取出，最后用乙醇沖洗，再自然晾干。第四步：制作對電極。取一塊導電玻璃，把導電一側放在蠟燭上方用煙烘烤，形成一層黑色的碳黑薄膜。第五步：配制電解質溶液。量取3.32g碘化鉀、0.508g碘于容器中，加入32ml乙腈、8ml乙二醇，充分混合攪拌，得到40ml溶質為碘和碘化鉀、溶劑為乙腈和乙二醇的溶液。忽略微量的體積變化，各組分濃度為碘化鉀0.5mol/L，碘0.05mol/L，乙腈體積分數80%，乙二醇體積分數20%。第六步：注入電解質。在TiO2薄膜上逐滴加入適量電解質溶液，直到TiO2薄膜完全浸透。第七步：組裝電池。將兩極板稍微錯開，用彈簧夾夾住。正極夾鉗與對電極板連接，負極夾鉗與TiO2薄膜電極板接觸。第八步：測量數據。在太陽光照射下，用萬用表測量太陽能電池的短路電流和開路電壓。

本次實驗是為了探究影響染料敏化TiO2太陽能電池性能的主要因素，即分散劑、op乳化劑、碘離子這三者的濃度對電池性能的影響，每個變量對應一組實驗，每組實驗取5個數據。

三、實驗結果及分析

1.制作單個染料敏化TiO2太陽能電池實驗。在室外太陽光下，測得開路電壓504mV，短路電流0.07mA。根據實驗數據，燃料敏化TiO2太陽能電池在光照條件下產生了穩定的電壓和電流，即能夠有效吸收太陽光并轉化為電能。

2.對照試驗。

圖1和圖2中的曲線分別為分散劑、op乳化劑、碘離子對太陽能電池開路電壓和短路電流的影響。由圖可知，隨著各濃度的增加，太陽能的開路電壓和短路電流均呈現先增大后減少，存在一個最佳值。

四、結論及展望

通過本次實驗，論證了染料敏化TiO2太陽能電池在實際應用中不但完全可行，而且具有獨特的優越性。無論是乙酰丙酮、OP乳化劑還是碘化鉀與碘的用量，都存在一個最佳值，即在TiO2粉體6mg，水30ml的情況下，乙酰丙酮0.15ml、OP乳化劑0.10ml、碘化鉀濃度為0.5mol/L、碘濃度為0.05mol/L時，染料敏化TiO2太陽能電池的性能最好。

同其他太陽能電池一樣，更高的光電轉換效率仍然是染料敏化TiO2太陽能電池的一大瓶頸，但因其綠色環保無污染、性能穩定、適應性強、價格低廉、制作簡單，已經受到人們大量關注。在不遠的將來，隨著能源與環境問題的升級和染料敏化太陽能電池生產工藝的技術突破，料敏化太陽電池必將會得到廣泛應用。

參考文獻：

[1]2015年BP世界能源統計年鑒[Z].2015-6.

[2]高建華，錢偉君，吳偉，曾毅.染料敏化太陽能電池TiO2薄膜的制備方法[J].理化檢驗-物理分冊，2008，44（8）.

[3]范樂慶，吳季懷，黃昀，林建明.染料敏化太陽能電池的二氧化鈦膜性能研究[J].感光科學與光化學，2003，21（3）：1.

[4]郭俊雄，崔旭梅，藍德均，左承陽.基于納米TiO2陣列的染料敏化太陽能電池研究進展[J].廣州化工，2016，（2）.