纳米二氧化钛太阳能电池的制备及其性能测试
一、前言 1、实验目的
（1）了解纳米二氧化钛染料敏化太阳能电池的组成、工作原理及性能特点；
（2）掌握合成纳米二氧化钛溶胶、组装成电池的方法与原理； （3）学会评价电池性能的方法。 2、意义
能源短缺与环境污染是目前人类面临的两大问题。传统的能源媒，石油和木材按目前的消耗速度只能维持五十至一百年。另外，由此所带来的环境污染，也正在威胁着人类赖以生存的地球。而在人类可以预测的未来时间内，太阳能作为人类取之不尽用之不竭的洁净能源，不产生任何的环境污染，且基本上不受地理条件的限制，因此太阳能利用技术研究引起了各国科学家的广泛重视。由于纳米技术的诱人前景和广泛的经济和社会效益，将太阳能电池与纳米技术相结合的开发应用更成为研究的热点。
1991年Gratzel等制备了TiO2纳米多孔膜半导体电极，把多吡啶钌配合物吸附在多孔膜上，制作成染料敏化纳米晶TiO2太阳能电池，简称DSSC。目前该太阳能电池的光电转换效率大于10%（模拟太阳光），开路电压大于720mV，光电流密度大于20mA/cm2，寿命高达15~20年，其制造成本仅为硅太阳能电池的1/5~1/10。同时，DSSC具
有永久性、清洁性和灵活性三大优点，基于DSSC这些性能特点，目前对它的研究已再度升温。 3、文献综述与总结
纳米TiO2的粒径和膜的微结构对光电性能的影响很大，纳米TiO2
的粒径小，比表面积越大，吸附能力越强，吸附染料分子越多，光生电流也就越强，所以人们采用不同方法使之纳米化、多孔化、薄膜化。只有紧密吸附在半导体表面的单层染料分子才能产生有效的敏化效率。
（1）半导体电极的制备
目前，合成纳米TiO2的方法有溶胶凝胶法、水热反应法、溅射法、醇盐水解法、溅射沉积法、等离子喷涂法和丝网印刷法等。应用在DSSC中的TiO2多孔薄膜常用制备方法有胶体涂膜直接低温烧结法、水热法烧结、热液法烧结、微波烧结、紫外-化学气相沉积法等。
溶胶凝胶法是用水解钛酸正丁酯(或无机钛盐，如TiCl4)制得TiO2
胶体溶液， 后经由浸渍、提拉、丝网印刷、旋涂等方法在导电基底上生长纳米高温锻烧制备出纳米TiO2电极，向溶胶中加入聚合物则有助于TiO2纳米晶粒径的大小的控制。虽然溶胶凝胶法工艺简单，但是有机物成本高、变量多、时间长，干燥后比较容易裂 ，制膜厚度不易于控制。因此导致多孔膜的表面呈现不规则的碎片状，更不利于光阳极吸收染料。
水热法—般将溶胶在高压釜中高温高压长时间加热处理，因此水热法被视作溶胶-凝胶法的改进方法，即加入了水热熟化过程通过其
控制产物的结晶和晶粒生长，从而对半导体氧化物的尺寸和分布进行控制。大多水热法可得到平均粒径为15-20nm的TiO2颗粒，然后釆用blade或者丝网印刷法将装料刮涂在导电玻璃上。
除TiO2半导体材料被用作染料敏化太阳能电池的光阳极材料，ZnO、Nb2O5、 SnO2、Fe2O3、WO3等也被用作光电转换材料。但是这些材料不管是单晶的还是多晶的，掺杂的还是未掺杂的，他们的光电转化效率还是没有办法与以TiO2作为基底物质的电池相比。 （2）染料敏化剂
敏化染料分子的性质是电子生成和注入的关键因素。作为光敏剂的染料须具备以下条件：①牢固吸附在半导体上；②在可见光区具有较高的光吸收；③氧化态和激发态有高的稳定性；④激发态寿命长；⑤足够负的激发态电势以使电子注入半导体导带；⑥基态电势尽可能正。
钌吡啶敏化剂虽然性能优良，但价格较高，而卟琳类和酞菁类染料敏化剂成本较低，在近红外区有较好的吸收，且吸光系数高，结合两者优缺点联合使用，形成光谱特征的互补，使吸收光谱变宽,使得应用前景更为广阔。纯有机染料不含中心金属离子，其优点为消光系数较高，包括香豆素、卟啉、类胡萝卜素、花菁素、半花菁、叶绿素及其衍生物等。无机染料敏化剂多选用窄带隙半导体材料,并使无机敏化剂与TiO2进行半导体复合,由于具有2种不同能级的导带和价带，复合半导体受光照激发后电子和空穴将迁移至TiO2的导带和复合材料的价带当中，从而实现载流子的有效分离。目前研究较多的无机敏
化剂包括CdS、CdSe、WO3等。综上所述，染料的发展方向包括设计和合成耐光照、光谱响应范围大、电子注入效率、热稳定性好的敏化剂。
二、实验部分 1、实验原理
（1）DSSC结构和工作原理 如右图所示，DSSC是由导电玻璃、吸附了染料的纳米晶TiO2薄膜、两极间的电解质（常用I-/I3-）
和镀铂导电玻璃对电极组成的夹心状电池。其工作原理同自然界的光合作用一样，通过有效的光吸收和电荷分离把光能转变为电能。由于二氧化钛的禁带宽度较大（3.2eV），可见光不能将其直接激发；在其表面吸附一层染料敏化剂后，染料分子可以吸收太阳光而产生电子跃迁。由于染料的激发态能级高于二氧化钛的导带，电子可以快速注入到二氧化钛导带，进而富集到导电玻璃片上，并通过外电路流向对电极，形成电流。处于氧化态的染料分子则通过电解质溶液中的电子给体，自身恢复为还原态，使染料分子得到再生，被氧化的电子给体扩散至对电极，在电极表面被还原，从而完成一个光电化学反应循环。整个光电化学反应过程如下：
①敏化剂（S）吸收光能激发，激发态的敏化剂（S*）向TiO2导带注
入电子而成为氧化态的敏化剂（S+），反应式为：
hvS???S*?S??TiO（ 2e）②氧化态敏化剂被还原型物质（R）还原，反应式为：
S??R?S?O
③被氧化生成的氧化型物质（O）在阴极上再还原成还原型物质，参加下一个循环的反应，反应式为：
O?ne?R
（2）TiO2纳米多孔膜的合成
为了提高光子捕获效率和量子效率，可将TiO2多孔化、纳米化、薄膜化。本实验主要使用溶胶凝胶法合成TiO2溶液，然后用浸泡提拉法修饰到导电玻璃上。 （3）染料敏化剂的特点
染料敏化一般涉及三个基本过程：①染料吸附到半导体表面；②吸附态染料分子吸收光子被激发；③激发态染料分子将电子注入到半导体的导带上。染料分子与TiO2形成共价键结合，所以要求染料分子含有羧基、羟基等极性基团。
除此之外染料敏化剂一般要符合条件：①能吸收大部分或者全部的入射光；②其吸收光谱能与太阳光谱很好地匹配；③激发态寿命长，保证激发态电子有效注入到TiO2的导带，且具有长期稳定性；④有适当的氧化还原电势。 2、仪器与药品 （1）主要仪器
纳米二氧化钛太阳能电池的制备及其性能测试
