基于染料敏化太陽能電池光電性能影響因素的研究設計性實驗設計

楊廣武

(中國石油大學(華東) 理學院, 山東 青島 266580)

隨著新能源在我國國民經濟中的地位日益攀升,新能源行業的人才需求日趨增長[1-4]。2010年教育部首次批準浙江大學、華北電力大學等11所大學開設“新能源科學與工程”專業和“新能源材料與器件”專業,截至2018年,全國開設新能源專業的高校已經達到80所[5]。新能源相關專業立足于國家“十二五”發展規劃,根據能源領域的發展趨勢和國民經濟發展需要,培養在風能、太陽能、地熱、生物質能等新能源領域從事相關工程技術領域的開發研究、工程設計、優化運行及生產管理工作的跨學科復合型高級工程技術人才,以滿足國家戰略性新興產業發展對新能源領域教學、科研、技術開發、工程應用、經營管理等方面的專業人才需求[6-7]。然而,由于開設時間較晚,我國的新能源專業建設還處于起步階段,需要不斷研究與探索[8-10]。針對新能源專業的實驗教學的改革勢在必行。研究型設計性實驗需要學生靈活地、創造性地運用所學的基礎知識和基本技能,去尋找和探索解決問題的最佳途徑,能夠充分調動學生學習的興趣和積極性,培養學生的動手能力、創新能力及綜合運用知識的能力,縮短理論知識與實踐應用的距離,引導學生由知識學習向科學研究的初步轉變[11-13]。基于此,在大量教學和科研的基礎上,以新能源專業的重要教學內容之一“太陽能電池”為例,開發了研究型設計性實驗項目“染料敏化太陽能電池光電性能影響因素”,并從教學理念、教學方法、實驗內容、訓練目標、教學環節等多個方面不斷優化改革,取得了顯著的教學效果。

1 實驗內容與訓練目標的設計原則

首先,遵循系統性原則,在實驗環節的選擇和安排上形成一個體系,使實驗內容環環相扣,既不脫離理論教學要求,又能培養基本實驗技術；其次,堅持協調性原則。理論與實驗教學相互協調、相互促進和補充。最后,突出實踐性原則。實驗結果、方式和手段盡可能接近科研實際。因此,在“染料敏化太陽能電池光電性能影響因素”實驗的內容和訓練目標的設計上,融入了材料制備方法、材料表征手段、器件組裝技術、性能測試方法等多種實驗方法,并合理地安排各訓練環節,以全方位、系統地訓練和強化學生的各項能力(見圖1)。

圖1 實驗內容與訓練目標設計示意圖

2 實驗的教學組織過程

以“研究性教學”為理念,構建“探究性實驗教學模式”(見圖2)。從學生的已有知識、經驗出發,設置動態的、開放的實驗內容和問題,要求學生通過自主探究了解現象、掌握規律并重視合作學習,通過團隊協作共同參與并體驗知識的獲得過程,構建對事物的新認識。

圖2 研究型設計性實驗的教學組織過程

2.1 創設問題情境

通過創設情境,介紹實驗的主題、背景等,使教學信息具有新奇性,從而使學生產生好奇心和求知欲,激發其探究動機和興趣。

教學實例：教師介紹當前存在的能源和環境問題,以說明新能源發展的迫切性和必要性；介紹各種新能源技術,引出實驗的主題“染料敏化太陽能電池”。

2.2 提出存在問題

教師預先設計問題,逐步引導學生認識問題、提出問題。在設計問題時充分考慮學生的現有水平,與學生已有的知識經驗相聯系。學生先了解一些,但僅憑已有知識又不能完全解決,在這個結合點上產生問題,最能激發學生的認識沖突,最能有效地驅使其有目的地去探究。

教學實例：教師引導學生考慮：“染料敏化太陽能電池從本質上作為一種電源器件,其最重要的性能參數包括哪些？”學生基于已有知識,總結出電流、電壓等參數,并在教師的引導下,修正為光電流、光電壓、光電轉化效率等。此時教師進一步引導學生思考影響這些參數(光電性能)的因素都包括哪些？從而引出實驗內容“染料敏化太陽能電池光電性能影響因素”。

2.3 商討解決方案

學生圍繞實驗內容進行討論,并在教師的引導下形成一致的思想和意見,自發組建4人左右的實驗團隊,確定要研究的課題,然后進行研究計劃和實驗實施方案的制訂。要求學生根據自己對具體問題的理解,充分利用已有知識和經驗,結合有關的知識,獨立地、創造性地進行分析、判斷和探索解決方案。

教學實例：影響染料敏化太陽能電池光電性能的主要因素包括二氧化鈦晶型、染料敏化劑種類、染料與太陽光譜的匹配程度、染料的吸附量、電解液濃度、電解液電位等。學生基于對染料敏化太陽能電池的理解以及所掌握的基礎知識,都能夠討論得出大部分影響因素。學生基于對研究某一影響因素的興趣,自發組隊并確立研究課題。例如,A小組研究“二氧化鈦晶型對光電性能的影響規律”,B小組研究“染料敏化劑種類對光電性能的影響規律”等。小組成員根據所立課題的目的要求、預期結果,結合專業知識、實驗能力以及實驗條件,制定出詳細的實驗內容、方法和計劃,并與指導教師討論,確定最終的實驗方案。以B小組的研究課題為例,學生最終修改制定的內容模板參考如下：

研究課題：染料敏化劑種類對光電性能的影響規律。

實驗目的：獲得N719與Z907兩種不同染料對太陽能電池光電性能的影響規律。

儀器試劑：N719染料、Z907染料、FTO導電玻璃,以及其他制備染料敏化太陽能電池所需關鍵材料(TiO2漿料、電解液、氯鉑酸等)、絲網印刷機、紫外可見分光光度計、太陽能電池I-V特性測試系統、太陽能電池IPCE測試系統等。

技術路線：

(1) 切割、清洗FTO導電玻璃。刻字筆做編號標記后,用萬用表辨別FTO的導電面,從導電面切割FTO導電玻璃(建議尺寸為2 cm×3 cm)4片。首先用洗衣粉輕輕搓洗FTO,然后分別在去離子水、無水乙醇中超聲清洗3～5 min,用聚四氟乙烯鑷子夾住吹干,備用。

(2) TiO2膜電極的制備。采用絲網印刷技術在FTO表面印刷TiO2漿料,靜置除去表面缺陷,125 ℃干燥后,測量TiO2薄膜的厚度。通過重復上述“印刷—靜置—干燥”步驟,控制TiO2薄膜厚度。將TiO2薄膜進行125～500 ℃的分段升溫熱處理。冷卻至室溫后,即得到多孔TiO2膜電極。

(3) 染料敏化劑溶液的配制。分別配制N719染料、Z907染料的乙醇溶液待用。

(4) 染料敏化劑的吸附。經過煅燒后的多孔TiO2膜電極冷卻到80 ℃左右,浸入上述染料敏化劑溶液中,浸泡12 h后取出,在乙醇中浸泡20 min左右,取出沖洗后晾干,即獲得染料敏化的TiO2電極。

(5) Pt對電極制備。采用熱解法制備Pt對電極。在導電玻璃上滴一滴氯鉑酸的乙醇溶液,待其擴散均勻并揮發掉乙醇后,450 ℃下熱解30 min。為了方便電池封裝時電解液的填充,預先用鉆孔機在對電極上鉆孔。

(6) 電池組裝。電池在進行光電性能測試之前均封裝。將量子點敏化的TiO2膜電極和Pt對電極用熱熔化Surlyn樹脂薄膜黏結起來,然后將電解液從Pt對電極預留的小孔中注入,再用Surlyn樹脂薄膜將小孔密封,即得到染料敏化太陽能電池器件。

(7) 電池檢測。采用太陽能電池I-V特性測試系統測試器件的短路電流、開路電壓、填充因子以及能量轉換效率等；采用太陽能電池IPCE測試系統測試器件的量子效率。

(8) 不同染料對染料敏化太陽能電池光電性能的影響規律。分別測定N719、Z907兩種不同染料溶液的紫外可見光吸收光譜,確定其吸光特性；分別測定基于2種不同染料所組裝的太陽能電池的光電性能。分析染料結構、吸光特性對太陽能電池光電性能的影響規律。

2.4 進行實驗驗證

各個實驗小組按照制定的實驗方案、實驗方法、實驗步驟進行,小組成員之間合理分工,實施實驗,隨時記錄實驗的現象、結果、數據等。指導教師隨時觀察各個小組的實驗情況,進行必要的指導、糾正、引導,以保證實驗順利有序進行。

2.5 結果與討論

對實驗獲得的原始數據進行分析與處理,總結數據,得出結論,分析規律或原因；同時對實驗中出現的問題或發生的現象做出理論解釋、說明。結論內容要求嚴謹、精練、準確。

主要數據及分析過程如下：

(1) 分子結構分析。學生通過資料檢索,獲得N719染料、Z907染料的分子結構,并分析其結構特點及對太陽光吸收和光電性能的影響。從圖3中可以看出，N719和Z907均為釕配合物,該結構類型的分子在可見區具有強而寬的金屬中心到配體的電荷躍遷,適于作光敏化劑。2種染料的分子結構中都具有2, 2′-聯吡啶單元,該結構單元上的羧酸基團可以與二氧化鈦表面的羥基鍵合,使染料吸附到二氧化鈦的表面上。其作用原理是：染料吸收可見光后,能夠從基態躍遷到最低激發態,即電子由金屬中心的d軌道躍遷到配體4, 4′-二羧酸-2, 2′-聯吡啶的π軌道,緊接著電子就會以飛秒到皮秒級的速度注入到二氧化鈦的導帶,并傳輸到外電路,形成光電流。N719染料與Z907染料分子結構的主要不同點在于：N719染料中,2個聯吡啶單元上各有一個質子被四丁基胺(TBA)取代,而Z907染料中,其中一個聯吡啶單元上的2個羧基被長鏈烷烴取代。

圖3 N719染料(a)、Z907染料(b)的分子結構

(2) 吸光特性分析。學生對N719染料、Z907染料的紫外可見吸收光譜曲線做出分析,對比分析2種染料的吸光范圍、吸收峰位置、吸收強度等。從圖4中可以看出，N719染料與Z907染料均能夠在可見光范圍內產生明顯的吸收,吸光范圍和吸光區域基本相同。N719染料的吸光強度更高,吸收峰位置也Z907染料藍移10 nm左右。

(3) 量子效率分析。由電池的IPCE曲線可以看出染料對太陽光不同波段的轉化情況。學生對N719染料、Z907染料的IPCE曲線做出分析,對比兩種染料在主要吸光范圍內的入射單色光子-電子轉化效率,從圖5中可以看出，N719染料與Z907染料均在可見光范圍內具有較高的單色光轉化效率。N719染料的高單色光轉化效率的范圍更寬,大約在450～650 nm,而Z907染料的高單色光轉化效率的范圍要窄一些,大約在500～600 nm之間。

圖4 N719染料、Z907染料的紫外可見吸收光譜曲線

圖5 N719染料、Z907染料的IPCE曲線

(4) 光電性能分析。由I-V曲線可以獲得太陽能電池的光電性能參數,如開路電壓(VOC)、短路電流(JSC),填充因子(FF)以及光電轉換效率(η),學生據此分析N719染料、Z907染料對光電性能的影響。從圖6及表1中可以看出，N719染料與Z907染料均具有較高的光電轉化效率,基于2種染料所組裝的太陽能電池具有相近的光電性能參數。N719染料的光電轉化效率更高,主要是因為采用N719染料的太陽能電池具有較高的光電流。

圖6 N719染料、Z907染料的I-V曲線

CellJSC/(mA·cm-2)VOC /VFF /%η/%N71914.720.72687.46Z90712.650.68696.09

2.6 質疑與評定

不同小組之間分享成果,相互進行質疑、評定。

以上主要以“染料敏化劑種類對光電性能的影響規律”課題為例示意了研究型設計性實驗的基本程序、設計方法和教學過程。由于影響染料敏化太陽能電池的因素很多,因此學生可以有充分的思考空間,從TiO2納米顆粒的制備方法、晶型結構、TiO2膜電極的厚度、染料吸附量、電池面積以及環境溫度等各個方面確立課題,實施實驗。

3 結語

太陽能開發與利用技術是當今新能源研究的熱點和重要領域,“染料敏化太陽能電池光電性能影響因素”實驗有利于激發學生的學習熱情和科研興趣。將其設計為研究型設計性實驗項目,使學生經歷文獻調研、團隊組建、實驗設計、實驗操作、數據分析、結論總結、報告撰寫、實驗答辯等一整套科研訓練過程,有效提高了學生綜合運用知識的能力和科研能力,尤其是以學生為主體確立實驗課題及實驗方案的“探究性實驗教學模式”,極大提高了學生的獨立思考能力和創新意識。近年來,依托各類研究型設計性實驗項目的建設和教學,中國石油大學(華東)新能源方向的實驗教學和人才培養質量得到了極大的提高。