染料敏化TiO2太阳能电池制备及实验研究

乔春珍 李辉 郭超 杜海欣 高佳荣 杨家明

摘要：由于一次能源的不断消耗，开发利用新能源迫在眉睫，现已成为世界各国科学工作者的共同目标。燃料敏化太阳能电池具有多种独特的光学和电学特性进入研究者的视野。本文致力于染料敏化TiO2太阳能电池的制备与特性分析，探究了分散剂、OP乳化剂、电解质溶液中碘离子与碘浓度对染料敏化TiO2太阳能电池性能的影响，为实际的生产应用提供参考。

关键词：太阳能电池;染料敏化;TiO2薄膜

中图分类号：TM914.4     文献标志码：A     文章编号：1674-9324（2016）40-0283-02

伴随世界经济的发展，人们对能源的依赖也逐渐增加，能源需求正逐步扩大。根据《2015年BP世界能源统计年鉴》数据，2014年全球一次能源消费构成仍以化石能源为主，消费量达到111.58亿吨油当量[1]，占总体能源消耗结构的86.3%，其中以强污染为代表的煤炭和石油在能源消耗结构中比重较高。这种极不合理的消费结构会导致两个重大问题：一是能源危机，二是环境污染。从世界一次能源消费量增速来看，2014年仅有0.9%[1]，且化石燃料的比例逐渐下降，可再生能源在消费结构中呈逐年上升趋势。说明全球各国正逐渐意识到可持续发展的重要性，并且已经采取措施进行节能减排和优化能源结构，如今开发利用可再生能源已是全人类的共同愿望。

目前进入实用领域的主要是硅系太阳能电池，硅系太阳能电池的光电转换效率高，通常超过20%，但是缺点也尤为明显，它的制作工艺较复杂，生产成本高达为20～40元/W，大大限制了在社会生产中的推广和使用[2]。因此人们一直在寻找新型的太阳能电池来替代成本高昂的硅系太阳能电池，染料敏化太阳能电池应运而生。

染料敏化太阳能电池（简称DSC或DSSC），是20世纪90年代发展起来的一种新型太阳能电池，它工艺简单、性能稳定、拥有较高的光电转化效率，生产成本仅为5～10元/W。这种新型太阳能电池是由瑞士的GrAtzel教授领导的研究小组基于自然界中的光合作用原理首次提出的[3]，他们利用纳米多孔TiO2膜作为阳极，在其表面吸附一层对可见光有很强的吸收能力且能级与TiO2匹配的染料，通过染料分子对TiO2敏化达到对可见光的吸收，能级与可见光相匹配的染料对太阳光进行吸收并且把光生电荷传输到TiO2薄膜，实现有效的电荷分离。

一、染料敏化TiO2太阳能电池的结构与原理

1.DSSC的结构。染料敏化TiO2太阳能电池主要由三个部分组成[4]：①多孔TiO2薄膜电极（光阳极）;②电解质;③对电极。其中TiO2薄膜电极由导电玻璃、TiO2薄膜和染料敏化剂组成，对电极由惰性金属和导电玻璃组成，染料敏化剂的作用相当于叶绿体中的叶绿素。

2.DSSC的原理。染料敏化TiO2太阳能电池的基本原理类似于植物的光合作用，染料敏化剂吸收太阳光后发生氧化反应，产生的电荷传输到TiO2薄膜上，流过光阳极、外电路、对电极形成电流，到达电解质发生还原反应产生I3-，最后I3-将氧化的敏化剂还原，自身变回I2，并且不断循环。在整个循环过程中，敏化剂与电解质充当催化剂作用，不会因为电池的使用而消耗，从而保证了电池的长时间高效工作。

具体的循环过程如下：①吸附在TiO2薄膜上的染料敏化剂分子（S）在光照下吸收能量跃迁为激发态染料分子（S*）：S+hv→S*。②激发态染料分子（S*）失去电子转化为氧化态染料分子（S+）：S*-e-→S+。③氧化态染料分子（S+）将电子注入到TiO2半导体的导带中。④电子流（e-）由半导体纳米TiO2膜流经外电路传输至对电极。⑤电解质中I2分子从对电极得到电子形成还原态的I3-：I2+e-→I3-。⑥还原态I3-将氧化态染料分子（S+）还原为基态染料分子（S）：I3-+S+→I2+S。

二、实验过程

1.实验试剂和仪器。ITO导电玻璃（100mm×100mm）、二氧化钛粉体（P25）、乙酰丙酮（分析纯）、OP乳化剂（化学纯）、碘（分析纯）、碘化钾（分析纯）、乙腈（分析纯）、乙二醇（分析纯）等。

2.实验过程。第一步：配制TiO2胶体。称取12g TiO2粉体放入研钵中，加入水少量、0.60ml乙酰丙酮、0.40ml OP乳化剂，用研棒研磨1小时，得到白色的TiO2胶体。第二步：涂覆法制备TiO2薄膜。在导电玻璃导电一侧的四周贴一层透明胶带，中间留出60mm×60mm的区域，把TiO2胶体均匀地涂抹在中间，自然晾干后撕开胶带，用酒精灯烧结30分钟至薄膜完全固化，再慢慢冷却，形成白色的TiO2薄膜。

第三步：利用天然染料把TiO2薄膜着色。取适量新鲜的黑莓、蓝莓或石榴籽，加入适量水，榨取鲜新的汁液作为染料，将TiO2薄膜放入染料中浸泡1h后取出，最后用乙醇冲洗，再自然晾干。第四步：制作对电极。取一块导电玻璃，把导电一侧放在蜡烛上方用烟烘烤，形成一层黑色的碳黑薄膜。第五步：配制电解质溶液。量取3.32g碘化钾、0.508g碘于容器中，加入32ml乙腈、8ml乙二醇，充分混合搅拌，得到40ml溶质为碘和碘化钾、溶剂为乙腈和乙二醇的溶液。忽略微量的体积变化，各组分浓度为碘化钾0.5mol/L，碘0.05mol/L，乙腈体积分数80%，乙二醇体积分数20%。第六步：注入电解质。在TiO2薄膜上逐滴加入适量电解质溶液，直到TiO2薄膜完全浸透。第七步：组装电池。将两极板稍微错开，用弹簧夹夹住。正极夹钳与对电极板连接，负极夹钳与TiO2薄膜电极板接触。第八步：测量数据。在太阳光照射下，用万用表测量太阳能电池的短路电流和开路电压。

本次实验是为了探究影响染料敏化TiO2太阳能电池性能的主要因素，即分散剂、op乳化剂、碘离子这三者的浓度对电池性能的影响，每个变量对应一组实验，每组实验取5个数据。

三、实验结果及分析

1.制作单个染料敏化TiO2太阳能电池实验。在室外太阳光下，测得开路电压504mV，短路电流0.07mA。根据实验数据，燃料敏化TiO2太阳能电池在光照条件下产生了稳定的电压和电流，即能够有效吸收太阳光并转化为电能。

2.对照试验。

图1和图2中的曲线分别为分散剂、op乳化剂、碘离子对太阳能电池开路电压和短路电流的影响。由图可知，随着各浓度的增加，太阳能的开路电压和短路电流均呈现先增大后减少，存在一个最佳值。

四、结论及展望

通过本次实验，论证了染料敏化TiO2太阳能电池在实际应用中不但完全可行，而且具有独特的优越性。无论是乙酰丙酮、OP乳化剂还是碘化钾与碘的用量，都存在一个最佳值，即在TiO2粉体6mg，水30ml的情况下，乙酰丙酮0.15ml、OP乳化剂0.10ml、碘化钾浓度为0.5mol/L、碘浓度为0.05mol/L时，染料敏化TiO2太阳能电池的性能最好。

同其他太阳能电池一样，更高的光电转换效率仍然是染料敏化TiO2太阳能电池的一大瓶颈，但因其绿色环保无污染、性能稳定、适应性强、价格低廉、制作简单，已经受到人们大量关注。在不远的将来，随着能源与环境问题的升级和染料敏化太阳能电池生产工艺的技术突破，料敏化太阳电池必将会得到广泛应用。

参考文献：

[1]2015年BP世界能源统计年鉴[Z].2015-6.

[2]高建华，钱伟君，吴伟，曾毅.染料敏化太阳能电池TiO2薄膜的制备方法[J].理化检验-物理分册，2008，44（8）.

[3]范乐庆，吴季怀，黄昀，林建明.染料敏化太阳能电池的二氧化钛膜性能研究[J].感光科学与光化学，2003，21（3）：1.

[4]郭俊雄，崔旭梅，蓝德均，左承阳.基于纳米TiO2阵列的染料敏化太阳能电池研究进展[J].广州化工，2016，（2）.