量子点敏化太阳能电池制备、组装与测试——新能源专业综合研究型实验

杨广武, 孙笑宇, 郭文跃

(中国石油大学(华东) 理学院, 山东 青岛 266580)

量子点敏化太阳能电池制备、组装与测试
——新能源专业综合研究型实验

杨广武, 孙笑宇, 郭文跃

(中国石油大学(华东) 理学院, 山东 青岛 266580)

结合能源和环境背景下的新能源专业的特点,从研究性教学的理念出发,开设了“量子点敏化太阳能电池的制备、组装与测试”综合研究型实验项目,阐述了实验设计的思路、内容和方法。实践表明,该实验选题新颖,学生参与的积极性高,能够帮助学生深入了解太阳能电池的工作原理、制备过程、测试表征手段及数据处理方法等知识。“课前准备”、“课堂执行”、“课后拓展”三阶段多层次的实验训练,全方位培养了学生的综合素质和创新精神。

新能源； 太阳能电池； 量子点； 综合研究型

能源短缺和环境污染制约着我国经济和社会的可持续发展,开发利用清洁高效的新能源是解决能源和环境问题的重要途径[1-3]。随着新能源的发展,新能源行业的人才需求日趋增长。2010年教育部首次批准浙江大学、华北电力大学等11所大学开设“新能源科学与工程”专业和“新能源材料与器件”专业,截至2015年,全国开设新能源专业的高校已经达到46所[4]。然而,由于开设时间较晚,我国的新能源专业建设还处于起步阶段,需要不断研究与探索[5]。在新形势下,新能源专业如何改革和调整,以适应人才培养的要求,成为各大高校相关教育工作者的工作重点[6]。实验教学作为本科生的重要教学内容,是理论联系实际的纽带。因此,加强实验教学,对培养兼具理科基础和工科技能的高素质新能源专业人才是十分重要的[7-10]。

在众多新能源中,太阳能因其清洁、环保、无污染、取之不尽、用之不竭等诸多优点,被认为是未来最有希望的新能源之一[11-12]。在众多太阳能电池中,硅基太阳能电池技术最成熟,但是制作工艺复杂、价格昂贵、设备要求较高，因而不太适合开展大学生实验[13]。量子点敏化太阳能电池具有理论转换效率高、原料丰富、材料稳定、制作工艺简单等诸多优点,成为世界范围内研究的热点之一。量子点敏化太阳能电池的制备和检测过程所涉及的纳米颗粒制备、薄膜印刷、电解液配制、量子点生长、材料表征、电池封装、性能检测等流程构成了完整的太阳能电池制备、表征、检测体系,并且均可以在实验室完成。为了让学生了解这一科学研究前沿,并综合运用已经掌握的实验技能,在大量教学和研究的基础上,设计了“量子点敏化太阳能电池的制备、组装与测试”综合研究型实验。该实验设计涵盖材料制备实验(连续离子层吸附反应制备量子点、水热反应制备TiO2纳米颗粒、喷雾热解法制备Pt催化剂、丝网印刷技术制备光阳极薄膜、玻璃工操作、材料热处理等)、仪器分析实验(台阶仪测量薄膜厚度、X射线衍射仪表征材料的结构与成分、扫描电子显微镜观测形貌、紫外-可见吸收光谱测试光谱吸收效果)等多种实验方法。既可以作为新能源材料专业本科生综合化学实验项目,也可以作为课外兴趣实验向全校学生开放,是一项非常新颖的大学生综合研究型实验。

1 实验安排

实验的整个教学过程分为3个阶段(见表1),即课前准备、课堂执行和课后拓展,通过分层次的训练全方位提高学生的综合素质。

表1 实验安排表

2 实验原理

2.1 量子点敏化太阳能的结构和工作原理

量子点敏化太阳能电池主要由透明导电基底、多孔TiO2薄膜、量子点敏化剂、电解质和对电极组成(见图1)。光照时,量子点吸收光子,将电子激发到导带,同时在价带产生空穴,由于量子点的导带能级比TiO2的导带能级高,电子注入到TiO2的导带,然后传输到导电基底,空穴则从电解液中的氧化还原电解质获得电子,而氧化还原电解质所失去的电子由注入对电极的电子所补充,从而形成整个光生电子的循环回路。

图1 量子点敏化太阳能电池结构原理示意图

2.2 量子点敏化太阳能电池性能指标

评价量子点敏化太阳能电池光电性能的主要方法是测定其光电流-光电压特性曲线(I-V曲线),通过I-V曲线可以获得太阳能电池的开路电压(VOC)、短路电流(ISC)、填充因子(FF)、光电转化效率(η)等参数。其中,VOC表示太阳能电池的电压输出能力；ISC表征太阳能电池所能提供的最大电流,常用短路电流密度(JSC)表征；FF表示因由电池内部阻抗而导致的能量损失；η是指电池的最大输出功率与入射光能量的比值。另外,常用单色光光电转换效率(IPCE)衡量其量子效率。

3 实验

3.1 仪器与试剂

仪器:X射线衍射仪、扫描电子显微镜、太阳能电池I-V特性测试系统、太阳能电池IPCE测试系统、紫外-可见分光光度计、连续离子层吸附反应装置、旋转蒸发仪、丝网印刷装置、加热板、恒温箱、水热反应釜等。

试剂材料:钛酸四丁酯、氯铂酸、硝酸铬、硫化钠、乙基纤维素、松油醇、异丙醇、硝酸、无水乙醇、乙二醇、乙腈、硫、丙酮、去离子水等。

3.2 实验流程

实验流程见图2。

图2 实验流程图

3.3 实验步骤

(1) TiO2纳米粉末制备。采用水热法制备TiO2纳米颗粒。滴加一定量的钛酸四丁酯到无水乙醇中,搅拌使之形成无色透明溶胶,将溶胶转移至水热反应釜中,180 ℃反应4 h,冷却至室温后用去离子水和无水乙醇洗涤干净后,80 ℃干燥,即获得纳米TiO2粉末。

(2) TiO2浆料的制备。将适量的乙基纤维素、纳米TiO2粉末、松油醇及乙醇超声混合均匀；减压蒸馏除去大部分的水和乙醇后,用三辊机研磨混合物,并挥发掉剩余的水和乙醇,直至获得适于丝网印刷的NiO2浆料。

(3) TiO2膜电极的制备。采用丝网印刷技术在FTO(导电玻璃)表面印刷TiO2浆料,静置除去表面缺陷,125 ℃干燥后,测量TiO2薄膜的厚度。通过重复上述“印刷—静置—干燥”步骤,控制TiO2薄膜厚度。将TiO2薄膜进行125～500 ℃的分段升温热处理，冷却至室温后,即得到多孔TiO2膜电极。

(4) CdS量子点沉积。利用连续离子层吸附反应制备CdS量子点敏化膜电极。所采用的阴、阳离子前驱体溶液分别为Na2S的乙醇溶液和Cd(NO3)2的乙醇溶液,洗涤液为甲醇。通过重复“吸附反应—洗涤—吸附反应—洗涤”步骤,控制CdS量子点的吸附量，室温干燥后,即得到CdS量子点敏化的TiO2膜电极。

(6) 太阳能电池组装。太阳能电池在进行光电性能测试之前均封装。将量子点敏化的TiO2膜电极和Pt对电极用热熔化Surlyn树脂薄膜粘接起来,然后将多流电解液从Pt对电极预留的小孔中注入,再用Surlyn树脂薄膜将小孔密封,即得到量子点敏化太阳能电池器件。

(7) 太阳能电池检测。采用太阳能电池I-V特性测试系统测试器件的短路电流、开路电压、填充因子以及能量转换效率等,电压扫描范围根据器件的实际表现设定；采用太阳能电池IPCE测试系统测试器件的量子效率,光谱响应范围为200～1 100 nm。

3.4 结果与讨论

3.4.1 结构与形貌表征

TiO2薄膜的X射线衍射图和扫描电子显微镜图分别见图3和图4。

图3 TiO2薄膜的X射线衍射图

图4 TiO2薄膜的扫描电子显微镜图

学生由X射线衍射图可以分析得到:TiO2薄膜由金红石相和锐钛矿相组成,利用谢乐方程计算出平均粒径约为20 nm。而通过扫描电子显微镜图可以看出:TiO2纳米颗粒的粒径范围为10～50 nm,与X射线衍射图的分析结果一致,同时形成致密而多孔的结构,这种结构有利于量子点的吸附和电解液的传输。

3.4.2 光学性质测试

TiO2薄膜的透过率曲线和吸收率曲线分别见图5和图6。

图5 TiO2薄膜的透过率曲线

图6 吸附量子点后的吸收率曲线

学生由TiO2薄膜的透过率曲线可以分析得到太阳光的透射利用情况,而吸附量子点后的吸收率曲线可以分析出量子点对入射光的吸收情况,并计算出量子点的禁带宽度,与太阳光谱比照,可以分析得到哪一部分的太阳光被太阳能电池所吸收利用。

3.4.3 太阳能电池性能测试

太阳能电池的I-V曲线和IPCE曲线测试结果分别见图7和图8，太阳能电池的开路电压等见表2。

图7 太阳能电池的I-V曲线

图8 图IPCE曲线

表2 所制备电池的开路电压和短路电流

Voc/VJsc/(mAcm-2)FF/%η0.577.83281.46

学生由电池的I-V曲线可以获得量子点敏化太阳能电池的光电性能参数,如开路电压、短路电流、填充因子以及光电转换效率,由电池的IPCE曲线可以看出量子点对太阳光不同波段的转化情况,从而了解所制备电池的光电特性,并有针对性地改进电池性能。

3.5 实验拓展

(1) 实验内容的深化。学生可以研究关键材料如TiO2纳米颗粒的制备方法、晶型结构、TiO2膜电极的厚度、CdS吸附量、电池面积以及环境温度等对太阳能电池工作状态的影响,优化制备条件,总结影响规律,提高电池性能。例如:合成纳米TiO2纳米颗粒的方法有多种,如溶胶-凝胶法、水热法、沉淀法、电化学沉积法等。不同小组的学生可以尝试采用不同的制备方法,比较制备方法以及热处理温度等条件对TiO2纳米颗粒的晶型、粒径的影响。实验室制备的TiO2主要有两种晶型:金红石型和锐钛矿型,主要区别在于八面体结构中内部扭曲和结合方式不同,结构上的差异导致两种晶型有不同的质量密度及电子能带结构。学生可以通过选择制备方法、控制反应条件、改变热处理温度等获得特定晶型的TiO2纳米颗粒,对比研究TiO2晶型对光电性能的影响,并探讨其影响机理。

(2) 实验项目的延伸。“国家大学生创新实验计划”是我国高等院校全新的教学形式和综合性的教学活动,此项目可以使学生在本科阶段就投入到科研创新的活动中,充分激发大学生的积极性、主动性和创造性[14]。然而,对于大部分大二、大三的学生来说,除了课程实验外,基本没有接受过科研训练,因而单纯依靠学生提出科技活动及创新实验研究课题往往不切实际。而综合研究型实验项目“量子点敏化太阳能电池的制备、组装与测试”,在培养学生基本实验技能和科学素养的同时,为学生进行创新实验留下了足够的空间。学生可以从上述实验内容的深化中获取灵感,将相关内容整理补充后申报国家、省级大学生科技创新活动计划项目，或者撰写科技论文、申报发明专利。

4 结束语

太阳能开发与利用技术是当今新能源研究的热点和重要领域,“量子点敏化太阳能电池的制备、组装与测试”综合研究型实验有利于学生理论联系实际、增加感性知识。该实验综合了新能源专业基本理论知识,形成了完整的制备、表征及检测训练体系。“课前准备、课堂执行、课后拓展”三层次的训练,使学生经历文献调研、团队组建、实验设计、实验操作、数据分析、结论总结、报告撰写、实验答辩、实验拓展的一整套科研训练过程,培养了学生独立思考、善于创造、综合运用知识的能力。近年来,依托各类综合研究型实验项目的建设和教学,中国石油大学(华东)材料物理专业的实验教学和人才培养质量得到了极大的提高,成绩斐然。专业学生每年获批大学生创新实验项目20余项,其中国家级3～5项。自2006届张炜强同学参加第五届“挑战杯”全国大学生创业计划大赛并获得山东省三等奖以来,材料物理专业的科技竞赛活动蓬勃发展,极大地支持了创新研究型实验的开展。仅2013年,材料物理专业就在“挑战杯”全国大学生课外学术科技作品竞赛、创业计划大赛、全国大学生节能减排社会实践与科技竞赛、全国大学生电子设计竞赛、山东省大学生物理科技创新大赛等各类国家级、省级科技竞赛活动中获奖9项。先后已有28位学生在Journal of Physical Chemistry C、Nanotecnology、高等学校化学学报等杂志发表文章,申请发明专利和实用新型专利33项。

References)

[1] 严陆光.对我国能源可持续发展的战略思考[J].中国科学院院刊,2006,21(4):280-286.

[2] Mabee W E,Mannion J,Carpenter T.Comparing the feed-in tarif incentives for renewable electricity in Ontario and Germany[J].Energy Policy,2012,40(1):480-489.

[3] 王雨.推进我国能源战略转型的路径选择[J].当代经济研究,2014(3):67-70.

[4] 熊怡.论道学科专业建设 共话新能源人才培养：首届全国新能源科学与工程专业建设研讨会综述[J].中国电力教育,2013(21):26-28.

[5] 李艳霞,张红光,刘中良,等.构建新能源科学与工程专业开放性实践教学体系[J].实验技术与管理,2014,31(2):151-153.

[6] 杨国良,高瑞光.新形势下高校实验教学改革的思考[J].教学研究,2005,28(1):62-65.

[7] 马大中,崔瑾,梁军胜,等.基于创新型人才培养的创新实验项目探索与实践[J].实验技术与管理,2014,31(9):33-36.

[8] 李越,孙忱戈.大学生创新能力培养研究[J].清华大学教育研究,2002(5):35-40.

[9] 于海峰.以能力培养为核心 深化实验实践教学改革[J].中国高等教育,2011(22):29-31.

[10] 吕淑平,马忠丽,王科俊,等.基于创新型工程科技人才培养的实验教学体系建设与实践[J].实验技术与管理,2012,29(7):133-135.

[11] Lewis N S,Nocera D G.Powering the planet: Chemical challenges in solar energy utilization[J].PNAS,2006,103(43):15729-15735.

[12] 曹承栋.浅谈国内外太阳能发电技术发展状况及展望[J].通讯电源技术,2014,28(1):35-37.

[13] 杨德仁.太阳能电池材料[M].北京:化学工业出版社,2006.

[14] 潘涌璋,唐启红,张秋明,等.大学生创新性实验计划项目管理模式探讨[J].实验技术与管理,2012,29(6):146-149.

A comprehensive research experiment of new energy focused on fabrication, characterization and performance study of quantum dot sensitized solar cell

Yang Guangwu, Sun Xiaoyu, Guo Wenyue

(College of Science, China University of Petroleum, Qingdao 266580, China)

Based on the characteristics of new energy and the concept of research-based teaching, this paper proposes a comprehensive research experiment focused on “Fabrication, characterization and performance study of quantum dot sensitized solar cell,” and the objectives, mode and ideas of this comprehensive research experiment are illustrated. The practice show that this novel comprehensive research experiment can not only arouse students’ enthusiasm, but also give them an insight into the mechanism, synthesis, characterization and measuring method, and data analysis method of photovoltaic materials. Moreover, the multi-level training of “preparing, executing experiment, and expanding experiment” can comprehensively train and stimulate students’ innovative spirit, engineering practice ability and scientific research ability.

new energy; solar cell; quantum dot; comprehensive research

2015- 05- 04 修改日期：2015- 06- 19

国家自然科学基金项目(21403302);中国石油大学(华东)精品实验建设项目(JS201414)

杨广武(1981—)，男，山东青岛，博士，副教授，从事新能源材料方向的教学与研究工作.

E-mail：yanggw@upc.edu.cn

TM914.4;G642.423

A

1002-4956(2015)12- 0079- 05