基于紫外线对染料敏化太阳能电池光电转换效率的研究

何志权++拉巴次仁++何红++胡尧++曹振鑫++张文辉++才旺顿珠

摘 要：利用N719染料和西藏拉萨格桑花天然色素染料敏化剂，分别制成N719染料敏化太阳能电池、格桑花天然色素DSSC和N719染料与格桑花天然色素混合的DSSC。研制的DSSC分别与Arduino开源电子原型平台连接，用365 nm的紫外光和拉萨自然光依次照射。实验结果表明，N719染料与格桑花天然色素混合的DSSC光电转换效率最高，达到4.6%。

关键词：敏化剂 Arduino 转换效率 染料敏化太阳能电池

中图分类号：TM914 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2016）09（a）-0066-03

随着经济社会的发展，人类对能源的需求量急剧增加。然而，地球上的煤炭、石油、天然气、核能等一次性非再生常规能源面临枯竭，加上煤炭等燃烧产生的二氧化碳、二氧化硫等气体和粉尘在大气中不断积累，形成温室效应、酸雨和光化学烟雾，产生了一系列嚴重的环境污染问题。能源危机与环境问题已成为当代人类社会面临的重大经济问题[1]。太阳能作为取之不尽的环保能源，以其无污染、清洁可再生等优点被广泛应用[2]。如今，在太阳能电池市场领域，广泛研发、推广硅太阳能电池[3]，硅太阳能电池转换效率较高，目前转换效率能达到25%左右，但是硅太阳能电池生产成本高，导致不能大规模投入使用。与硅太阳能电池相比，研制染料敏化太阳能电池（Dye-sensitized solar cell，简称DSSC）所需要的原材料来源丰富、价格低廉以及理论转换效率高，在大规模工业化生产中体现出较大优势，DSSC的研制是缓解能源危机和环境污染的有效途径，对实现可持续发展具有重要的意义[4-5]。

1991年，Michael Gr?tzel和Brian O，Regan发明DSSC，经过20多年的不断研制，在染料、电解质、电极等方面取得很大进展[6]。染料敏化剂的选择很大程度上决定DSSC的光电转化效率[7-8]。染料敏化剂分为有机和无机两大类[9]，由于有机染料敏化剂中的卟啉酞菁染料和菁类染料和无机染料敏化剂中的金属类染料工艺技术要求高、稳定性差、转化效率低等缺点，于是来源丰富、成本低的天然染料作为DSSC敏化剂被许多科研专家所开发研究[10]。

此实验基于N719染料（双（四丁基铵）二氢双（异硫氰酸）双（2，2′-联吡啶-4，4′-二羧酸）钌（Ⅱ）染料，分子式：C58H86N8O8RuS2，呈现暗红色，简称N719染料）与格桑花天然色素，分别制成N719DSSC、格桑花天然色素DSSC和N719染料——格桑花天然色素DSSC，并对这3种DSSC用自然光进行照射，对它们的转换效率进行分析，为将来利用青藏高原植物天然色素制成转换效率较高的DSSC提供理论依据。

1 实验

1.1 实验仪器设备和试剂材料

1.1.1 实验仪器设备

分光光度计（752（手动）紫外可见分光光度计，上海菁华）、万用表、数字电压表、丝网印刷机（OPV-DSC-YSI，营口奥匹维特能源科技有限公司，营口）、365 nm灯具、Arduino开发板、紫外线传感器和计算机。

1.1.2 试剂材料

N719染料2 mL（OPV-N719-D，营口奥匹维特能源科技有限公司，营口）、格桑花天然色素染料敏化剂1 mL、无水乙醇、面积200 mm×150 mm的ITO导电玻璃（OPV-IT011-17，营口奥匹维特能源科技有限公司，营口）、电解质2 mL。

1.2 DSSC的制备工艺

1.2.1 TiO2薄膜与N719染料DSSC光阳极的制备

当前，制备纳米多孔TiO2薄膜的方法主要有丝网印刷法、电泳法、直接涂覆法、高温溶胶喷射沉积法、化学沉积法以及等离子喷涂法等，此实验TiO2薄膜的制备采用丝网印刷法，丝网印刷法是由Kalyana-sundaram等将其引入该领域的[11]。其制备过程是利用丝网印刷技术制备纳米级TiO2胶体膜，使胶体溶液在刮板的作用下通过网孔均匀地沉积在ITO基体上，形成纳米级TiO2颗粒制备的薄膜。用10 mL无水乙醇将1 mL N719染料溶解，制成N719染料敏化剂，用分光光度计测量了其吸光度[12]。将涂有TiO2膜的导电玻璃用N719染料敏化剂浸泡30 min，制成DSSC光阳极（负极），如图1所示。

1.2.2 格桑花天然色素DSSC与N719染料——格桑花天然色素DSSC光阳极的制备

提取天然色素的方法常见的有：有机溶剂提取法、碱液提取法、超临界提取法、微波萃取法[13]。提取格桑花天然色素研究人员采用有机溶剂提取法，将红色的格桑花用盐酸水溶液浸泡1 h除去杂质，再用10 mL乙醇水溶液在40 ℃下浸提，经过过滤、浓缩得到格桑花天然色素染料敏化剂，将格桑花染料敏化剂与N719染料敏化剂1∶1混合，用分光光度计测量其吸光度。然后，分别将涂有TiO2膜的导电玻璃与之浸泡30 min，制成格桑花天然色素DSSC光阳极和N719染料——格桑花天然色素DSSC光阳极。

1.2.3 DSSC对电极的制备

用铅笔将导电玻璃的导电面均匀涂黑，确保尺寸略大于TiO2膜的面积，以便完全覆盖TiO2膜，作为DSSC的对电极（正极），如图2所示。

1.2.4 组装电池

将光阳极TiO2膜朝上放置到电池架内，用12 mm×12 mm无尘纸覆盖在光阳极表面，用吸管吸取适当的电解质，均匀滴在无尘纸上，无尘纸全部浸透且无溢出（防止电池短路）。将对电极导电面朝下放置到电池架内，用铝胶带将电池光阳极与电池对电极粘紧，最后用导线将电池串联，DSC电池制作完毕。

2 测试结果

2.1 3种染料的吸光度与紫外线指数特性分析

为了测量拉萨的自然光下，3种染料的吸光度与紫外线指数之间的关系，研究人员利用Arduino开源电子原型平台，由紫外线强度与紫外线指数的关系，编写了间接测量自然光下紫外线指数程序。

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）；

}

通过计算機将程序烧录到Arduino Uno，将紫外线传感器与Arduino Uno连接，在温度20 ℃下，进行实时监测紫外线指数。得到3种染料的乙醇溶液紫外线指数（Ultra Violet Index，UVI）-吸光度（absorbace，A）吸收谱，如图3所示。

根据吸收谱可以看出，3种染料对紫外光都有一定的吸收，3种染料的乙醇溶液的吸光度总体向UVI增加的方向移动。N719染料——格桑花天然色素的DSSC吸光度在UVI0-6区间随UVI增加而增长，在UVI6左右有一个吸收峰值，UVI6-8区间有一个降落，之后吸光度呈现快速上升的趋势；N719染料吸光度总体略低于前者，在UVI7左右有一个吸收峰值；相比之下，格桑花天然色素的吸光度低于前两种染料敏化剂。

2.2 3种DSSC的伏安特性曲线特性分析

10月5日9：00～15：00，拉萨市西藏大学天气少云、无尘、无雨雪冰霜、大气透明度佳的情况下，利用电压表和电流表每隔半小时记录数据，得到了3种DSSC自然光下的伏安特性曲线，如图4所示。

可以看出，N719染料——格桑花天然色素DSSC的伏安特性曲线在其他两种DSSC上方。N719DSSC最大电压值能达到1.62 V，格桑花天然色素DSSC最大电压值能达到1.05 V，N719染料——格桑花天然色素DSSC最大电压值能达到2.11 V。表明在相同的条件下，以N719染料——格桑花天然色素DSSC的转换效率为最高，光电转换效率为4.6%。

3 结语

通过制作3种DSSC，实验测试结果表明，N719染料与西藏格桑花天然色素1∶1混合制成的DSSC的光电转换效率最高，达到4.6%。为以后进一步研究西藏高原植物染料在DSSC光电转换中的效率提供了实验基础。

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