基于紫外線對染料敏化太陽能電池光電轉(zhuǎn)換效率的研究

何志權(quán)++拉巴次仁++何紅++胡堯++曹振鑫++張文輝++才旺頓珠

摘 要：利用N719染料和西藏拉薩格桑花天然色素染料敏化劑，分別制成N719染料敏化太陽能電池、格桑花天然色素DSSC和N719染料與格桑花天然色素混合的DSSC。研制的DSSC分別與Arduino開源電子原型平臺連接，用365 nm的紫外光和拉薩自然光依次照射。實驗結(jié)果表明，N719染料與格桑花天然色素混合的DSSC光電轉(zhuǎn)換效率最高，達到4.6%。

關(guān)鍵詞：敏化劑 Arduino 轉(zhuǎn)換效率 染料敏化太陽能電池

中圖分類號：TM914 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-098X（2016）09（a）-0066-03

隨著經(jīng)濟社會的發(fā)展，人類對能源的需求量急劇增加。然而，地球上的煤炭、石油、天然氣、核能等一次性非再生常規(guī)能源面臨枯竭，加上煤炭等燃燒產(chǎn)生的二氧化碳、二氧化硫等氣體和粉塵在大氣中不斷積累，形成溫室效應(yīng)、酸雨和光化學(xué)煙霧，產(chǎn)生了一系列嚴(yán)重的環(huán)境污染問題。能源危機與環(huán)境問題已成為當(dāng)代人類社會面臨的重大經(jīng)濟問題[1]。太陽能作為取之不盡的環(huán)保能源，以其無污染、清潔可再生等優(yōu)點被廣泛應(yīng)用[2]。如今，在太陽能電池市場領(lǐng)域，廣泛研發(fā)、推廣硅太陽能電池[3]，硅太陽能電池轉(zhuǎn)換效率較高，目前轉(zhuǎn)換效率能達到25%左右，但是硅太陽能電池生產(chǎn)成本高，導(dǎo)致不能大規(guī)模投入使用。與硅太陽能電池相比，研制染料敏化太陽能電池（Dye-sensitized solar cell，簡稱DSSC）所需要的原材料來源豐富、價格低廉以及理論轉(zhuǎn)換效率高，在大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)中體現(xiàn)出較大優(yōu)勢，DSSC的研制是緩解能源危機和環(huán)境污染的有效途徑，對實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展具有重要的意義[4-5]。

1991年，Michael Gr?tzel和Brian O，Regan發(fā)明DSSC，經(jīng)過20多年的不斷研制，在染料、電解質(zhì)、電極等方面取得很大進展[6]。染料敏化劑的選擇很大程度上決定DSSC的光電轉(zhuǎn)化效率[7-8]。染料敏化劑分為有機和無機兩大類[9]，由于有機染料敏化劑中的卟啉酞菁染料和菁類染料和無機染料敏化劑中的金屬類染料工藝技術(shù)要求高、穩(wěn)定性差、轉(zhuǎn)化效率低等缺點，于是來源豐富、成本低的天然染料作為DSSC敏化劑被許多科研專家所開發(fā)研究[10]。

此實驗基于N719染料（雙（四丁基銨）二氫雙（異硫氰酸）雙（2，2′-聯(lián)吡啶-4，4′-二羧酸）釕（Ⅱ）染料，分子式：C58H86N8O8RuS2，呈現(xiàn)暗紅色，簡稱N719染料）與格桑花天然色素，分別制成N719DSSC、格桑花天然色素DSSC和N719染料——格桑花天然色素DSSC，并對這3種DSSC用自然光進行照射，對它們的轉(zhuǎn)換效率進行分析，為將來利用青藏高原植物天然色素制成轉(zhuǎn)換效率較高的DSSC提供理論依據(jù)。

1 實驗

1.1 實驗儀器設(shè)備和試劑材料

1.1.1 實驗儀器設(shè)備

分光光度計（752（手動）紫外可見分光光度計，上海菁華）、萬用表、數(shù)字電壓表、絲網(wǎng)印刷機（OPV-DSC-YSI，營口奧匹維特能源科技有限公司，營口）、365 nm燈具、Arduino開發(fā)板、紫外線傳感器和計算機。

1.1.2 試劑材料

N719染料2 mL（OPV-N719-D，營口奧匹維特能源科技有限公司，營口）、格桑花天然色素染料敏化劑1 mL、無水乙醇、面積200 mm×150 mm的ITO導(dǎo)電玻璃（OPV-IT011-17，營口奧匹維特能源科技有限公司，營口）、電解質(zhì)2 mL。

1.2 DSSC的制備工藝

1.2.1 TiO2薄膜與N719染料DSSC光陽極的制備

當(dāng)前，制備納米多孔TiO2薄膜的方法主要有絲網(wǎng)印刷法、電泳法、直接涂覆法、高溫溶膠噴射沉積法、化學(xué)沉積法以及等離子噴涂法等，此實驗TiO2薄膜的制備采用絲網(wǎng)印刷法，絲網(wǎng)印刷法是由Kalyana-sundaram等將其引入該領(lǐng)域的[11]。其制備過程是利用絲網(wǎng)印刷技術(shù)制備納米級TiO2膠體膜，使膠體溶液在刮板的作用下通過網(wǎng)孔均勻地沉積在ITO基體上，形成納米級TiO2顆粒制備的薄膜。用10 mL無水乙醇將1 mL N719染料溶解，制成N719染料敏化劑，用分光光度計測量了其吸光度[12]。將涂有TiO2膜的導(dǎo)電玻璃用N719染料敏化劑浸泡30 min，制成DSSC光陽極（負(fù)極），如圖1所示。

1.2.2 格桑花天然色素DSSC與N719染料——格桑花天然色素DSSC光陽極的制備

提取天然色素的方法常見的有：有機溶劑提取法、堿液提取法、超臨界提取法、微波萃取法[13]。提取格桑花天然色素研究人員采用有機溶劑提取法，將紅色的格桑花用鹽酸水溶液浸泡1 h除去雜質(zhì)，再用10 mL乙醇水溶液在40 ℃下浸提，經(jīng)過過濾、濃縮得到格桑花天然色素染料敏化劑，將格桑花染料敏化劑與N719染料敏化劑1∶1混合，用分光光度計測量其吸光度。然后，分別將涂有TiO2膜的導(dǎo)電玻璃與之浸泡30 min，制成格桑花天然色素DSSC光陽極和N719染料——格桑花天然色素DSSC光陽極。

1.2.3 DSSC對電極的制備

用鉛筆將導(dǎo)電玻璃的導(dǎo)電面均勻涂黑，確保尺寸略大于TiO2膜的面積，以便完全覆蓋TiO2膜，作為DSSC的對電極（正極），如圖2所示。

1.2.4 組裝電池

將光陽極TiO2膜朝上放置到電池架內(nèi)，用12 mm×12 mm無塵紙覆蓋在光陽極表面，用吸管吸取適當(dāng)?shù)碾娊赓|(zhì)，均勻滴在無塵紙上，無塵紙全部浸透且無溢出（防止電池短路）。將對電極導(dǎo)電面朝下放置到電池架內(nèi)，用鋁膠帶將電池光陽極與電池對電極粘緊，最后用導(dǎo)線將電池串聯(lián)，DSC電池制作完畢。

2 測試結(jié)果

2.1 3種染料的吸光度與紫外線指數(shù)特性分析

為了測量拉薩的自然光下，3種染料的吸光度與紫外線指數(shù)之間的關(guān)系，研究人員利用Arduino開源電子原型平臺，由紫外線強度與紫外線指數(shù)的關(guān)系，編寫了間接測量自然光下紫外線指數(shù)程序。

程序如下：

void setup（）

{

Serial.begin（9600）；// open serial port， set the baud rate to 9600 bps

}

void loop（）

{

int sensorValue；

sensorValue = analogRead（0）；//connect UV sensors to Analog 0

Serial.println（sensorValue）；//print the value to serial

delay（200）；

}

通過計算機將程序燒錄到Arduino Uno，將紫外線傳感器與Arduino Uno連接，在溫度20 ℃下，進行實時監(jiān)測紫外線指數(shù)。得到3種染料的乙醇溶液紫外線指數(shù)（Ultra Violet Index，UVI）-吸光度（absorbace，A）吸收譜，如圖3所示。

根據(jù)吸收譜可以看出，3種染料對紫外光都有一定的吸收，3種染料的乙醇溶液的吸光度總體向UVI增加的方向移動。N719染料——格桑花天然色素的DSSC吸光度在UVI0-6區(qū)間隨UVI增加而增長，在UVI6左右有一個吸收峰值，UVI6-8區(qū)間有一個降落，之后吸光度呈現(xiàn)快速上升的趨勢；N719染料吸光度總體略低于前者，在UVI7左右有一個吸收峰值；相比之下，格桑花天然色素的吸光度低于前兩種染料敏化劑。

2.2 3種DSSC的伏安特性曲線特性分析

10月5日9：00～15：00，拉薩市西藏大學(xué)天氣少云、無塵、無雨雪冰霜、大氣透明度佳的情況下，利用電壓表和電流表每隔半小時記錄數(shù)據(jù)，得到了3種DSSC自然光下的伏安特性曲線，如圖4所示。

可以看出，N719染料——格桑花天然色素DSSC的伏安特性曲線在其他兩種DSSC上方。N719DSSC最大電壓值能達到1.62 V，格桑花天然色素DSSC最大電壓值能達到1.05 V，N719染料——格桑花天然色素DSSC最大電壓值能達到2.11 V。表明在相同的條件下，以N719染料——格桑花天然色素DSSC的轉(zhuǎn)換效率為最高，光電轉(zhuǎn)換效率為4.6%。

3 結(jié)語

通過制作3種DSSC，實驗測試結(jié)果表明，N719染料與西藏格桑花天然色素1∶1混合制成的DSSC的光電轉(zhuǎn)換效率最高，達到4.6%。為以后進一步研究西藏高原植物染料在DSSC光電轉(zhuǎn)換中的效率提供了實驗基礎(chǔ)。

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