柔性染料敏化太陽能電池中二氧化鈦電極制備【畢業(yè)設(shè)計(jì)】

1、<p><b>　　本科畢業(yè)設(shè)計(jì)</b></p><p><b>　?。?0 屆）</b></p><p>　　柔性染料敏化太陽能電池中二氧化鈦電極制備</p><p>　　所在學(xué)院 </p><p>　　專業(yè)班級(jí)

2、 物理學(xué) </p><p>　　學(xué)生姓名 學(xué)號(hào) </p><p>　　指導(dǎo)教師 職稱 </p><p>　　完成日期 年 月 </p><p><b>　　摘　要</b>

3、;</p><p>　　【摘要】近兩年來，以染料敏化太陽能電池（DSSC）為主的太陽能電池成為世界各國研發(fā)的焦點(diǎn)。在染料敏化太陽能電池的制備過程中，需要高溫?zé)Y(jié)二氧化鈦薄膜電極，因?yàn)楦邷責(zé)Y(jié)可以使二氧化鈦粒子間連接更加緊密。而這一高溫?zé)Y(jié)過程，限制了高溫耐受性能較差的柔性材料基底的應(yīng)用。所以我們要尋找一種在低溫條件下制備TiO2薄膜電極的方法。本文主要研究：在自制TiO2漿料中添加適量氨水，用涂膜法制備TiO2薄

4、膜，在低溫（150攝氏度）條件下熱處理制備二氧化鈦薄膜電極，將其組裝成染料敏化太陽能電池。尋找氨水和二氧化鈦粒子的最佳配比，使組裝成的染料敏化太陽能電池光電轉(zhuǎn)化效率最高。</p><p>　　【關(guān)鍵詞】染料敏化；太陽能電池；氨水；光電轉(zhuǎn)化效率。</p><p><b>　　Abstract</b></p><p>　　【ABSTRACT】Tod

5、ay, the dye-sensitized solar cells(DSSC) become the focus of the world. During the preparation of DSSC, TiO2 film electrode should be sintered at high temperature. Because sintering at high-temperature makes the TiO2 par

6、ticles more closely connected. But high temperature limits the application of flexible material, so we should look for a method of preparation TiO2 film electrode at low temperature. The main ideal of this article is: ad

7、d the proper amount of ammonia in the TiO2 past</p><p>　　【KEYWORDS】dye-sensitized; Solar cells; ammonia; photoelectric conversion efficiency</p><p><b>　　目　錄</b></p><p>&

8、lt;b>　　摘　要I</b></p><p>　　AbstractI</p><p><b>　　目　錄II</b></p><p><b>　　1緒論1</b></p><p>　　1.1太陽能電池的背景1</p><p>　　1.2染料敏

9、化太陽能電池的發(fā)展1</p><p>　　1.3染料敏化太陽能電池的基本原理3</p><p>　　1.4染料敏化太陽能電池主要結(jié)構(gòu)4</p><p>　　1.4.1半導(dǎo)體電極4</p><p>　　1.4.2染料敏化劑4</p><p>　　1.4.3電解質(zhì)4</p><p&

10、gt;　　1.5DSSC的柔性電極的制備方法研究5</p><p><b>　　2實(shí)驗(yàn)7</b></p><p>　　2.1實(shí)驗(yàn)的材料和測(cè)試儀器7</p><p>　　2.2實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及步驟7</p><p>　　2.2.1TiO2漿料的制備7</p><p>　　2.2.2T

11、iO2薄膜的制備7</p><p>　　2.2.3TiO2薄膜的敏化8</p><p>　　2.2.4染料敏化太陽能電池的組裝8</p><p>　　2.2.5光電轉(zhuǎn)化效率的測(cè)量8</p><p>　　2.2.6研究氨水對(duì)電池影響9</p><p>　　2.3實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理分析9</p>

12、<p><b>　　3結(jié)論12</b></p><p><b>　　參考文獻(xiàn)13</b></p><p>　　致謝錯(cuò)誤!未定義書簽。</p><p><b>　　1緒論</b></p><p><b>　　太陽能電池的背景</b>&l

13、t;/p><p>　　當(dāng)今社會(huì)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，人們不斷開發(fā)利用自然資源來滿足社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。能源是實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵因素之一，它制約著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人們生活水平的提高?，F(xiàn)在的能源消耗主要是來自化石燃料，于是由此引發(fā)的能源危機(jī)與環(huán)境污染成為了亟待解決的問題。根據(jù)英國石油公司關(guān)于《2005世界能源統(tǒng)計(jì)》的數(shù)據(jù)顯示，最近十年以來世界石油消費(fèi)量每年平均增長速度達(dá)到1.7%。每年消耗石油都在不斷增長以及地球的溫室效應(yīng)日趨嚴(yán)重，預(yù)

14、示著我們要急需尋找一種新的清潔可再生能源，來解決傳統(tǒng)能源所帶來的能源問題和環(huán)境污染問題。促進(jìn)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展。</p><p>　　尋求先進(jìn)技術(shù)提高礦物燃料等能源生產(chǎn)的效率，使用清潔能源，開發(fā)利用可再生能源成為全球關(guān)注和研究的重點(diǎn)。一些發(fā)達(dá)國家紛紛從國家戰(zhàn)略的高度制定了發(fā)展新能源的計(jì)劃。風(fēng)能、潮汐能、生物能、地?zé)崮?、核能以及太陽能等的開發(fā)都成為解決全球能源問題和環(huán)境問題的重要途徑。太陽能是一種巨大而且對(duì)環(huán)境無

15、污染的能源，且太陽能的成本低。地球每秒鐘獲得的太陽能能量相當(dāng)于燃燒500萬噸優(yōu)質(zhì)煤發(fā)出的能量。如果能開發(fā)利用這一能源，將會(huì)大大改進(jìn)能源和環(huán)境兩大問題。為了能夠經(jīng)濟(jì)有效的利用這一能源，人們通過科學(xué)技術(shù)著手研究太陽能的收集、轉(zhuǎn)換、儲(chǔ)存和輸送等問題。目前太陽能的利用最主要是通過太陽能電池，通過太陽能電池把太陽能轉(zhuǎn)化為電能。</p><p>　　染料敏化太陽能電池的發(fā)展</p><p>　　到目前

16、為止，以晶體硅制備的太陽能電池是應(yīng)用最廣泛的光伏產(chǎn)品，其最高的光電轉(zhuǎn)化效率可以達(dá)到20%。正是由于其高效的電池轉(zhuǎn)化效率，晶體硅大概占當(dāng)前世界光伏產(chǎn)品90%的市場(chǎng)份額，在大規(guī)模應(yīng)用和工業(yè)生產(chǎn)中占據(jù)主導(dǎo)地位。但由于受晶體硅材料價(jià)格及相應(yīng)的繁瑣的電池工藝影響，致使晶硅太陽能成本很高，要想大幅度降低其成本是非常困難的。所以開發(fā)一種成本低的太陽能電池材料， 對(duì)充分利用太陽能資源有著重要的意義。第二代薄膜太陽能電池主要以非晶硅薄膜和銅銦鎵硒(CIG

17、S)為主，在進(jìn)入21世紀(jì)以來，第二代太陽能電池的市場(chǎng)份額開始逐漸地?cái)U(kuò)大。因?yàn)榉蔷Ч璞∧ぬ柲茈姵氐某杀镜?，便于大?guī)模生產(chǎn)，普遍受到人們的重視并得到迅速發(fā)展。非晶硅太陽能電池由于具有較高的轉(zhuǎn)換效率和較低的成本及重量輕等特點(diǎn)，有著極大的潛力。但同時(shí)由于它的穩(wěn)定性不高，直接影響了它的實(shí)際應(yīng)用。</p><p>　　近兩年來，以染料敏化太陽能電池（DSSC)為代表的第三代太陽能電池技術(shù)也漸漸成熟，因?yàn)槠渲圃爝^程簡(jiǎn)單，設(shè)備

18、成本和原料成本都相對(duì)較低，因此在未來太陽能電池發(fā)展中具有很大的發(fā)展空間。自染料敏化太陽能電池(DSSC)問世以來，經(jīng)過多年的發(fā)展，其光電轉(zhuǎn)化效率已高達(dá)11%，但是其襯底多為玻璃，質(zhì)量重、易破碎等缺點(diǎn)限制了其商業(yè)上的開發(fā)應(yīng)用。柔性染料敏化太陽能電池采用透明導(dǎo)電ITO/PEN 或ITO/PET制作導(dǎo)電性塑料薄膜基板，因此具有重量輕、撓性好、抗沖擊、成本低、可進(jìn)行各種形狀或表面設(shè)計(jì)等優(yōu)點(diǎn)，可采用成卷連續(xù)生產(chǎn)、快速涂布等技術(shù)，便于大面積生產(chǎn)，降

19、低生產(chǎn)成本，具有更強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)力，成為近年DSSC研究的新熱點(diǎn)。但是塑料薄膜基板溫度高于150℃將使塑料基板變形、失透，因而傳統(tǒng)的二氧化鈦在玻璃基板上燒結(jié)(高于400℃)的方法在柔性太陽能電池中無法采用，柔性太陽能電池制備的關(guān)鍵之一是二氧化鈦的低溫成膜。目前，柔性染料敏化太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率大多停留在2%左右。雖然光伏電池問世以來，晶體硅作為基本的電池材料一直保持著主導(dǎo)地位，是目前國際光伏市場(chǎng)上的主流產(chǎn)品，但這種格局在未來20年中可能會(huì)

20、發(fā)生改變。國際</p><p>　　圖中給出了染料敏化太陽能電池的一些模型[3]。 染料敏化太陽能電池</p><p>　　染料敏化太陽能電池的基本原理</p><p>　　染料敏化太陽能電池主要由表面吸附了染料敏化劑，TiO2薄膜電極、電解質(zhì)、對(duì)電極組成， 其結(jié)構(gòu)如圖2—1所示：</p><p>　　圖2—1是DSSC結(jié)構(gòu)示意圖</p

21、><p>　　TiO2薄膜電極在染料敏化太陽能電池中是電池的負(fù)極，因此也叫做光陽極，其中TiO2多孔薄膜電極上要吸附一定量的染料敏化劑材料。涂有一定厚度Pt金屬的導(dǎo)電玻璃一般作為染料敏化太陽能電池的對(duì)電極，在電池的兩電極之間充滿的是電解質(zhì)溶液。如果在TiO2薄膜電極表面吸附一些性能較好的染料敏化劑，則在可見光的作用下染料敏化劑分子可以通過吸收光能而躍遷到激發(fā)態(tài)，因?yàn)榉肿釉诩ぐl(fā)態(tài)下是不穩(wěn)定的，所以在染料敏化劑分子與Ti

22、O2薄膜電極表面的相互作用下，激發(fā)態(tài)的電子很快就會(huì)躍遷到能級(jí)較低的TiO2晶體導(dǎo)帶中，最終進(jìn)入TiO2導(dǎo)帶的電子將進(jìn)入ITO(氧化銦錫)導(dǎo)電膜，然后通過外回路產(chǎn)生光電流。失去電子的染料敏化劑處于氧化態(tài)，具有氧化性。由于外電路的光電流作用，DSSC的正極得到電子，然后被電解質(zhì)溶液吸收，這時(shí)吸收電子的電解質(zhì)溶液處于還原態(tài)，具有還原性。最后處于還原態(tài)電解質(zhì)溶液被處于氧化鈦的染料敏化劑氧化，電子就由DCCS的正極向負(fù)極移動(dòng)，這樣就完成一個(gè)循環(huán)。

23、</p><p>　　基態(tài)染料（S0 ）+ hν → 激發(fā)態(tài)染料（S*） （1）</p><p>　　激發(fā)態(tài)染料（S* ）+TiO2→氧化態(tài)染料（S+）+ e（二氧化鈦導(dǎo)帶） （2）</p><p>　　氧化態(tài)染料（S+）+還原態(tài)電解質(zhì)（R-）→ 基態(tài)染料（S0）</p><p>　　

24、+ 氧化態(tài)電解質(zhì)（R) （3）</p><p>　　氧化態(tài)電解質(zhì)（R) + e（陰極）→ 還原態(tài)電解質(zhì)（R-） （4）</p><p>　　氧化態(tài)電解質(zhì)（R)+ e（TiO2導(dǎo)帶）→ 還原態(tài)電解質(zhì)（R-） （5）</p><p>

25、;　　以上是染料敏化太陽能電池中發(fā)生的主要反應(yīng)。其中反應(yīng)（1）是染料的激發(fā)，反應(yīng)（2）是光電流的產(chǎn)生，反應(yīng)（3）是染料的還原，反應(yīng)（4）是電解質(zhì)的還原，而反應(yīng)（5）是暗電流的產(chǎn)生。其中我們要減少反應(yīng)（5）的發(fā)生，才能提高電池光電轉(zhuǎn)化效率。</p><p>　　染料敏化太陽能電池主要結(jié)構(gòu)</p><p>　　染料敏化太陽能電池中半導(dǎo)體電極、染料敏化劑、電解質(zhì)等的好壞都是影響其光電轉(zhuǎn)化效率的重

26、要因素。</p><p><b>　　半導(dǎo)體電極</b></p><p>　　半導(dǎo)體光陽極材料起著支撐染料分子、傳遞光生電子的作用。光陽極材料一般由寬帶隙的半導(dǎo)體納米多孔材料構(gòu)成，通常使用10μm左右厚度的TiO2納米多孔粒子薄膜。TiO2納米多孔膜具有孔隙率高、比表面積大的優(yōu)點(diǎn)， 這是大量吸附單分子層染料、從而大量吸收太陽光的必備條件。它是整個(gè)太陽能電池的關(guān)鍵，其性

27、能的好壞直接關(guān)系到太陽能電池的效率。此外，從激發(fā)態(tài)的染料躍遷到半導(dǎo)體導(dǎo)帶的電子需要在復(fù)合前快速傳遞到導(dǎo)電基板，這樣就要求該半導(dǎo)體具有良好的電子擴(kuò)散系數(shù)。近年來，為提高電子傳輸壽命，減少載流子復(fù)合，納米管陣列、納米線陣列等一維傳輸結(jié)構(gòu)受到矚目，核-殼結(jié)構(gòu)、多層結(jié)構(gòu)等也得到發(fā)展。同時(shí)，包覆結(jié)構(gòu)在抑制電子復(fù)合方面已經(jīng)顯現(xiàn)出其明顯優(yōu)勢(shì)。TiO2晶粒大小、形狀、相組成或表面修飾以及其他成分的摻雜對(duì)其性質(zhì)和功能有顯著影響。制備具有高比表面積和優(yōu)良電

28、子傳輸性能的納米半導(dǎo)體材料，是保證電池獲得較大電流密度和較高光電轉(zhuǎn)化效率的前提[5]。</p><p><b>　　染料敏化劑</b></p><p>　　TiO2薄膜屬于寬禁帶半導(dǎo)體，只能吸收387nm以下的光，不能吸收太陽光中占大部分的可見光， 捕獲太陽光的能力非常差。染料敏化劑的作用就是吸收可見光，將電子注入半導(dǎo)體，并從電解質(zhì)中接受電子，重新還原，整個(gè)過程不斷循

29、環(huán)。采用染料敏化方法制備的光電化學(xué)太陽能電池，不但可以克服半導(dǎo)體本身只吸收紫外光的缺點(diǎn)，使得電池對(duì)可見光譜的吸收大大增加，并且可通過改變?nèi)玖系姆N類得到理想的光電化學(xué)太陽能電池。染料性能的好壞直接關(guān)系到DSSC電池的效率高低。一個(gè)好的染料敏化劑必須滿足下列條件: ( 1)容易吸附在TiO2表面，對(duì)可見光吸收強(qiáng)，這要求其分子中含有能與TiO2結(jié)合的官能團(tuán)。( 2 )具有基態(tài)和激發(fā)態(tài)的高穩(wěn)定性，保證電子傳輸?shù)母咝剩? 3)激發(fā)態(tài)壽命足夠長，

30、且具有很高的電荷傳輸效率，這將延長電子空穴分離時(shí)間，對(duì)電子的注入效率有決定作用；( 4)有適當(dāng)?shù)难趸€原電勢(shì)，以保證染料激發(fā)態(tài)電子注入到TiO2導(dǎo)帶中，即敏化染料能級(jí)與TiO2能級(jí)匹配[5]。</p><p><b>　　電解質(zhì)</b></p><p>　　在染料敏化太陽能電池中，電解質(zhì)主要起著在光電極與對(duì)電極之間運(yùn)載電荷，并使氧化態(tài)染料還原而重生，對(duì)電池穩(wěn)定性有很大

31、的影響。目前用于DSSC的電解質(zhì)有兩大類: 液態(tài)電解質(zhì)和固態(tài)電解質(zhì)。長期以來，染料敏化太陽能電池一直使用液態(tài)電解質(zhì)。由于液態(tài)電解質(zhì)擴(kuò)散速率快，組成成分易調(diào)節(jié)，對(duì)納米多孔膜的滲透性好， 因而利用液態(tài)電解質(zhì)得到了效率最高的染料敏化太陽能電池， 其轉(zhuǎn)換效率為11.04%。盡管使用液態(tài)電解質(zhì)制備的電池目前獲得了較高的光電轉(zhuǎn)換效率，但是液態(tài)電解質(zhì)必須使用復(fù)雜的封裝工藝，以避免電解質(zhì)泄露或揮發(fā)，導(dǎo)致電池的長期穩(wěn)定性受到了影響，從而限制了其廣泛應(yīng)用。

32、固態(tài)電解質(zhì)能夠有效解決液態(tài)電解質(zhì)的問題。目前人們開始研究準(zhǔn)固態(tài)和固態(tài)電解質(zhì)來解決其長期穩(wěn)定性問題，特別是準(zhǔn)固態(tài)電解質(zhì)由于具有較高離子擴(kuò)散系數(shù)而受到青睞。固態(tài)電解質(zhì)的研究也有了一定的發(fā)展，典型的有P型半導(dǎo)體材料、空穴傳輸有機(jī)分子材料及固態(tài)復(fù)合電解質(zhì)。雖然目前固態(tài)電解質(zhì)DSSC電池的效率還比較低，相信隨著研究的深入和技術(shù)的成熟，固態(tài)電解質(zhì)將會(huì)有重大突破[5]。</p><p>　　DSSC的柔性電極的制備方法研究&l

33、t;/p><p>　　染料敏化太陽能電池經(jīng)過多年的發(fā)展， 其光電轉(zhuǎn)化效率已高達(dá)11%，但是其基底大多為玻璃， 有質(zhì)量重、易破碎等缺點(diǎn)。20世紀(jì)末，人們采用透明導(dǎo)電ITO/PEN或ITO/PET制作導(dǎo)電性塑料薄膜基板，因此這種基板具有重量輕、撓性好、抗沖擊、成本低、可進(jìn)行各種形狀或表面設(shè)計(jì)等優(yōu)點(diǎn)。到現(xiàn)在柔性TiO2電極制備的方法主要包括水熱法、微波輻射法、機(jī)械壓膜法、沉積法、濺射法和低溫?zé)Y(jié)等。</p>

34、<p>　　水熱法：將納米TiO2粉末(P25)加入到TiCl4，TiOSO4或Ti(OiPr)4的冰水溶液中，在瑪瑙研缽中研磨或電磁攪拌后得到粘滯的糊狀液，將此糊狀液涂覆在ITO-PET面上，然后將ITO-PET放入帶有高壓釜中進(jìn)行水熱處理。制得的DSSC的光電轉(zhuǎn)化效率可高達(dá)1.9%。</p><p>　　微波輻射法：將水熱法制成TiO2粉末的膠體溶液(不含有粘合劑)涂到ITO-PET薄膜基板上，利用

35、微波電子線照射基板幾分鐘，得到結(jié)晶的TiO2薄膜。2004年，S.Uchida等用28Hz微波電子線照射基板5min，制得電池的光電轉(zhuǎn)換效率高達(dá)2.16%。</p><p>　　機(jī)械壓膜法：主要是利用壓力使TiO2顆粒之間緊密連接成為連續(xù)的薄膜，增強(qiáng)TiO2與基體之間的附著力。機(jī)械壓膜法主要分為靜態(tài)和動(dòng)態(tài)兩種。2001年，G.T.David等使用這兩種機(jī)械壓膜法制備了柔性TiO2電極，所得電池光電轉(zhuǎn)化效率為2.3

36、%。</p><p>　　沉積法：一般分為電泳沉積法和化學(xué)氣相沉積法。電泳沉積法是是將TiO2粉體的醇溶液中放入電泳池中，在靜電場(chǎng)的作用下一段時(shí)間，將TiO2沉積到柔性基板上?；瘜W(xué)氣相沉積是將電泳沉積所得的TiO2薄膜置于80℃的[(CH3)2CHO]4Ti氣氛中處理，產(chǎn)生新的TiO2改善了電泳法制備的薄膜中TiO2顆粒之間的頸連接。然后利用紫外輻照去除薄膜中的殘余有機(jī)物。</p><p>

37、;　　濺射法：用連接到空氣壓縮機(jī)上的噴槍將P25的乙醇溶液濺射到預(yù)先加熱到一定溫度的ITO—PET上制成TiO2薄膜。然后將采用MTS810材料實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)對(duì)薄膜進(jìn)行施壓處理，來增強(qiáng)TiO2與基體之間的附著力。</p><p>　　總之，目前影響DSSC光電轉(zhuǎn)化效率因素有很多，主要是電極基板與TiO2薄膜的結(jié)合程度不是很好，直接導(dǎo)致了染料敏化劑產(chǎn)生的電子在基板與TiO2薄膜這個(gè)界面中大量湮沒；而且采用的基板大多數(shù)是P

38、ET—ITO，其透光性能較差的，因此降低了DSSC對(duì)太陽光的利用率，最終導(dǎo)致了染料敏化太陽能電池光電轉(zhuǎn)換效率很低。因而，柔性DSSC還需要做大量的研究工作才能充分發(fā)揮其應(yīng)用潛力。一方面，由于柔性電極組成的DSSC光電效率普遍較低， 因此只有提高柔性電極的光電性能才能滿足DSSC的實(shí)際應(yīng)用需要。另一方面，目前柔性電極缺乏長期的穩(wěn)定性， 因此還需提高柔性電極的穩(wěn)定性和壽命等性能。雖然在電池光電轉(zhuǎn)化效率上柔性DSSC還無法與傳統(tǒng)DSSC相比，

39、但是全球科研人員還是致力于柔性DSSC的研究，主要就是柔性DSSC和傳統(tǒng)DSSC相比有著自身很多特有的優(yōu)勢(shì)，目前柔性DSSC正在逐步發(fā)展成熟起來。如果能研究出一種制備柔性電極的方法，在效率和穩(wěn)定性都得到了明顯的提高，這將會(huì)對(duì)DSSC的實(shí)際應(yīng)用產(chǎn)生深刻影響。</p><p><b>　　實(shí)驗(yàn)</b></p><p>　　實(shí)驗(yàn)的材料和測(cè)試儀器</p><

40、;p>　　實(shí)驗(yàn)材料：P25漿料（自制）、導(dǎo)電玻璃（NSG公司FTO面電阻小于16歐，透光率大于84%）、玻璃棒、染料（N719）、電解液（0.5MLiI，0.04MI2和0.5M四丁基吡啶的碳酸丙烯酯溶液）、對(duì)電極（自制，導(dǎo)電玻璃上磁控濺射Pt）、氨水（宜興市第二化學(xué)試劑工廠，分析純）、恒溫烘箱（上海一恒科技有限公司DHG-9075A）、行星式球磨機(jī)（QM-ISP2-CL）、KQ5200型超聲波清洗器。</p>&l

41、t;p>　　實(shí)驗(yàn)測(cè)試儀器：采用數(shù)字源表（吉時(shí)利2400）測(cè)量電池的I-V曲線；使用暢拓CHF-XM500W光源，提供一個(gè)太陽的光強(qiáng)，沒有經(jīng)過濾光片擬合太陽光。</p><p><b>　　實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及步驟</b></p><p>　　本實(shí)驗(yàn)的主要內(nèi)容是：在自制的P25漿料中添加適量氨水，然后在低溫條件下制備二氧化鈦電極。將二氧化鈦電極組裝成染料敏化太陽能電池，測(cè)試

42、電池的光電轉(zhuǎn)換效率。尋找氨水和二氧化鈦粒子的最佳配比，使得太陽能電池的光電轉(zhuǎn)化效率最高。主要的試驗(yàn)流程如圖所示：</p><p><b>　　TiO2漿料的制備</b></p><p>　　稱取2.5gP25粉末，然后測(cè)取18ml水和3ml冰醋酸，充分混合之后放入行星式球磨機(jī)（QM-ISP2-CL），設(shè)置轉(zhuǎn)速為280轉(zhuǎn)/分鐘球磨6小時(shí)，制得所需的漿料。</p&g

43、t;<p><b>　　TiO2薄膜的制備</b></p><p>　　本實(shí)驗(yàn)采用NSG公司生產(chǎn)的FTO面電阻小于16歐，透光率大于84%的透明ITO導(dǎo)電玻璃作為TiO2漿料涂膜的基底。首先取幾塊該導(dǎo)電玻璃，用萬用電表分別測(cè)量出它們的導(dǎo)電面，然后將導(dǎo)電玻璃放在鋪有保鮮膜的載玻片上使它們的導(dǎo)電面向上。用金剛石玻璃切割刀將每塊玻璃切割成大小相等的小塊導(dǎo)電玻璃（3*4cm）。將切割好

44、的導(dǎo)電玻璃用酒精放入KQ5200型超聲波清洗器中清洗干凈。用鑷子取出導(dǎo)電玻璃，豎直放置，用吹風(fēng)機(jī)將剛清洗好導(dǎo)電玻璃吹干。</p><p>　　利用萬用表分別測(cè)量出洗干凈之后的導(dǎo)電玻璃，和前面一樣將玻璃的導(dǎo)電面朝上，用透明膠將導(dǎo)電玻璃的較長兩邊固定在載玻片上，（注意：膠帶紙和導(dǎo)電玻璃粘合處大約是2-3mm），重復(fù)黏貼四層膠帶紙，將所有導(dǎo)電玻璃都固定在載玻片上。用一根干凈的玻璃棒平放在一片導(dǎo)電玻璃的一邊，在玻璃棒上滴

45、加1-2滴P25漿料，然后左右移動(dòng)玻璃棒，使?jié){料均勻地涂在導(dǎo)電玻璃上面。待導(dǎo)電玻璃上漿料自然干了之后（時(shí)間大概是15分鐘左右），撕去最上面的一層膠帶紙，然后重新黏上一層新的膠帶紙。用同樣的方法接著涂膜。分別在每塊導(dǎo)電玻璃上涂上4層薄膜、5層薄膜、6層薄膜和8層薄膜。最后撕去玻璃上的膠帶紙，并且在相應(yīng)的薄膜邊角上標(biāo)上4、5、6、8的數(shù)字用來區(qū)別它們。將制得涂有TiO2薄膜的導(dǎo)電玻璃放入恒溫烘箱中烘烤，烘箱的溫度設(shè)置為150攝氏度，時(shí)間是6

46、小時(shí)。最后取出導(dǎo)電玻璃，這樣我們就制得了薄膜層數(shù)不同的二氧化鈦電極。</p><p><b>　　TiO2薄膜的敏化</b></p><p>　　在桌子上面放一層保鮮膜，然后將已制得的二氧化鈦電極玻璃放在保鮮膜上，要使涂有二氧化鈦漿料一面的朝下，用金剛石切割刀將每塊導(dǎo)電玻璃均勻地切割成兩小塊。把切割好的電極用酒精清洗，然后放在烘箱中烘烤，溫度設(shè)置為120攝氏度，時(shí)間是

47、15分鐘左右。取出培養(yǎng)皿，將導(dǎo)電玻璃涂有漿料的一面朝上，并且每塊玻璃不能重疊在一起。然后在培養(yǎng)皿中倒入染料，保鮮膜封住培養(yǎng)皿。最后將培養(yǎng)皿放入恒溫烘箱中敏化，溫度要設(shè)置為60攝氏度，且敏化時(shí)間是12個(gè)小時(shí)左右。取出培養(yǎng)皿，然后用酒精清洗敏化好的TiO2導(dǎo)電薄膜，這樣就制得了我們想要的染料敏化TiO2薄膜電極。</p><p>　　染料敏化太陽能電池的組裝</p><p>　　取出一片已經(jīng)敏

48、化好的導(dǎo)電玻璃，用酒精棉小心地擦去玻璃兩端因?yàn)榍懊婺z帶紙粘過之后而留下的殘留物。否則將會(huì)影響電池光電轉(zhuǎn)化率的測(cè)量。處理完全部導(dǎo)電玻璃之后，取出一塊在涂有TiO2薄膜的面上夾上Pt電極，并用吸管滴加1-2滴的電解液（0.5MLiI， 0.04MI2和0.5M四丁基吡啶的碳酸丙烯酯溶液），電解質(zhì)由于毛細(xì)作用滲入二氧化鈦多孔電極。在另一面上夾上遮光片，最后用夾子將他們之間夾住。這樣一個(gè)DSSC就組裝好了。</p><p&g

49、t;<b>　　光電轉(zhuǎn)化效率的測(cè)量</b></p><p>　　將組裝好的染料敏化太陽能電池放置于光源（暢拓CHF-XM500W）之下，工作電極面對(duì)光源。使用遮光片遮蓋工作電極，使光照下的面積為0.16平方厘米。使用數(shù)字源表（吉時(shí)利2400）測(cè)量電池的I-V曲線，外加偏壓為0.8～-0.2V。通過硅電池校正光源強(qiáng)度，得到我們的光源提供了近似于1個(gè)標(biāo)準(zhǔn)太陽的功率。DSSC的性能指標(biāo)主要包括：短

50、路電流(Jsc)，開路電壓(Voc)，填充因子(FF)和總光電轉(zhuǎn)換效率(η)等4個(gè)方面。Jsc和Voc可以由J-V曲線直接讀出，填充因子FF和總光電轉(zhuǎn)換效率可以用下式計(jì)算得到：</p><p>　　上式的Vopt和Jopt為最大輸出功率時(shí)對(duì)應(yīng)的電壓和電流，Jsc和Voc可為電池的短路電流和開路電壓，Pin為人射光強(qiáng)。</p><p><b>　　研究氨水對(duì)電池影響</b&g

51、t;</p><p>　　取三個(gè)事先準(zhǔn)備好干凈的試劑瓶，用滴管分別取3ml前面制備的TiO2漿料，加入三個(gè)試劑瓶中，試劑瓶分別貼上標(biāo)簽1、2、3。在1號(hào)瓶中加入0.1ml氨水，在2號(hào)瓶中加入0.2ml氨水，在3號(hào)瓶中加入0.3ml氨水充分混合。</p><p>　　取1號(hào)試劑瓶中的TiO2漿料涂膜時(shí)，當(dāng)涂到第5層時(shí)，薄膜開始有點(diǎn)輕微的裂痕。實(shí)驗(yàn)過程中取1號(hào)試劑瓶漿料重新涂膜一塊導(dǎo)電玻璃，并

52、且規(guī)定薄膜涂層是4層。取2號(hào)試劑瓶TiO2漿料，和前面操作步驟相同，在導(dǎo)電玻璃上涂上4層薄膜。當(dāng)取3號(hào)試劑瓶中TiO2漿料涂膜時(shí)，發(fā)現(xiàn)不能成膜，涂膜過程中漿料向?qū)щ姴Ａ闹軘U(kuò)散。向3號(hào)試劑瓶中加入0.5ml的曲拉通溶液，然后用同樣的方法在導(dǎo)電玻璃上涂上4層薄膜。最后將制得的三組薄膜電極分別敏化，組裝成DSSC，測(cè)量它們的光電轉(zhuǎn)化效率。</p><p><b>　　實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理分析</b>&l

53、t;/p><p>　　對(duì)不同二氧化鈦薄膜層數(shù)組裝成的染料敏化太陽能電池進(jìn)行光電轉(zhuǎn)化效率的測(cè)量，其測(cè)量結(jié)果如表1所示：</p><p>　　表1：不加氨水的TiO2漿料制備DSSC數(shù)據(jù)</p><p>　　由表1的數(shù)據(jù)顯示，當(dāng)TiO2漿料涂層是6層時(shí)，所制得的染料敏化太陽能電池的光電轉(zhuǎn)化效率是最高的，最高效率是0.3%，從前面三組數(shù)據(jù)顯示，隨著TiO2漿料涂層的增加，其制

54、得的DSSC光電轉(zhuǎn)化效率也隨著增大，其中6層膜的光電轉(zhuǎn)化效率比4層膜效率高3.4倍。因此，TiO2薄膜電極中薄膜層數(shù)的不同對(duì)DSSC影響很大。理論上TiO2漿料涂層的增加，在薄膜敏化過程中，TiO2薄膜吸附了更多的染料敏化劑。當(dāng)薄膜吸附更多染料敏化劑時(shí)，電池就吸收了更多的可見光，光照射下產(chǎn)生的電子增多，而提高了電池的光電轉(zhuǎn)化效率。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和理論分析相吻合。但是當(dāng)TiO2漿料涂層增大到8層時(shí)，制得的DSSC光電轉(zhuǎn)化效率反而有所下降了。這可

55、以理解為隨著TiO2涂層的增加，電解質(zhì)滲入多孔薄膜的難度增大，直接導(dǎo)致染料敏化劑不能被還原。并且隨著TiO2漿料涂層的增加，降低了二氧化鈦薄膜的透光性，薄膜缺陷和內(nèi)部空隙增多，影響了電子在二氧化鈦電極中的擴(kuò)散。綜合上述原因都可能降低DSSC的光電轉(zhuǎn)化效率。由此我們可以粗略地認(rèn)為當(dāng)涂層數(shù)為六層時(shí)，是該染料敏化太陽能電池的最佳層數(shù)。</p><p>　　對(duì)添加氨水的TiO2漿料制備染料敏化太陽能電池進(jìn)行光電轉(zhuǎn)化效率的

56、測(cè)量，其測(cè)量結(jié)果如表2所示：</p><p>　　表2：加了不同量氨水的TiO2漿料制備DSSC數(shù)據(jù)</p><p>　　圖3：添加0.2ml氨水制得DSSC的J-V曲線</p><p>　　由表2數(shù)據(jù)顯示，我們可以發(fā)現(xiàn)加了氨水的TiO2漿料制備出的染料敏化太陽能電池光電轉(zhuǎn)化效率最高可達(dá)到0.7384%，并且加入氨水量的不同所制得DSSC的光電轉(zhuǎn)化效率就不同。當(dāng)3m

57、l的TiO2漿料中加入0.1ml氨水時(shí)，其光電轉(zhuǎn)化效率達(dá)到0.6968%，當(dāng)3ml的TiO2漿料中加入0.2ml氨水時(shí)，其光電轉(zhuǎn)化效率達(dá)到了0.7384%，較前者有了微小提高。3ml的TiO2漿料中加入0.3ml氨水時(shí)，由于不能成膜，加入曲拉通之后制得DSSC，其光電轉(zhuǎn)化效率只有0.3075%。可能加入的曲拉通對(duì)光電轉(zhuǎn)化有影響。</p><p>　　研究[1]發(fā)現(xiàn)利用酸性TiO2漿料開發(fā)無粘合劑的二氧化鈦電極時(shí)，

58、二氧化鈦漿料的粘度可以高達(dá)5.3×10*4cP，這使得二氧化鈦薄膜厚度的形成無需通過高溫?zé)Y(jié)，在150℃烘干就可制得無粘合劑的二氧化鈦電極。在酸性TiO2漿料中加入氨水溶液時(shí)變得非常粘稠，它的粘度由加入氨水的量決定的。在二氧化鈦膠體溶液中加入氨水后粘度增加的原因，很可能是和納米粒子的絮凝有關(guān)。研究表明當(dāng)PH為中性時(shí)漿料的粘合性是最強(qiáng)的。隨著氨水溶液加入，發(fā)生中和反應(yīng)，促進(jìn)了冰醋酸的電離，根據(jù)方程：</p><

59、;p>　　CH3COOH(aq) + NH3(aq) → CH3COO¯(aq) + NH4+(aq)</p><p>　　隨著冰醋酸電離朝正方向進(jìn)行時(shí)，導(dǎo)致CH3COO¯ 和NH4+離子濃度的增加，這對(duì)絮凝和粘度增加是有影響的。這些離子其實(shí)扮演著一個(gè)“電解質(zhì)膠水”的作用，將二氧化鈦納米粒子之間結(jié)合在一起。因此，在酸性TiO2漿料中加入氨水，促進(jìn)了二氧化鈦粒子之間的相互結(jié)合，從而

60、導(dǎo)致了染料激發(fā)之后的電子在TiO2薄膜之間的傳輸，最終提高了DSSC的光電轉(zhuǎn)化效率。本實(shí)驗(yàn)表2前兩組數(shù)據(jù)和表1數(shù)據(jù)充分證明了該原理。</p><p>　　另一方面，隨著氨水的加入，在質(zhì)量比NH3?TiO2>0.044情況下粘度緩慢下降，這可以主要?dú)w因于稀釋效應(yīng)。實(shí)驗(yàn)過程中在3ml的TiO2漿料中加入0.3ml氨水，在涂膜中發(fā)現(xiàn)不能成膜，漿料由中間向兩邊分散。之后在漿料中加入0.5ml的曲拉通溶液，制成薄膜電

61、極后測(cè)量DSSC的光電轉(zhuǎn)化效率，如表2第三組數(shù)據(jù)所示。結(jié)果發(fā)現(xiàn)其光電轉(zhuǎn)化效率只有0.3075%，和沒加氨水之前所得效率相似。主要原因可以歸結(jié)為：由于本實(shí)驗(yàn)沒有經(jīng)過高溫?zé)Y(jié)，加入曲拉通溶液經(jīng)過150℃的熱處理之后，曲拉通溶液分子殘留在TiO2薄膜之間，影響了電子在薄膜之間的傳輸，降低了太陽能電池的光電轉(zhuǎn)化效率。對(duì)比表2前兩組數(shù)據(jù)和第三組數(shù)據(jù)可以得出該結(jié)論。</p><p><b>　　結(jié)論</b&g

62、t;</p><p>　　比較表1和表2的數(shù)據(jù)顯示，我們可以發(fā)現(xiàn)加了氨水的TiO2漿料制備出的染料敏化太陽能電池光電轉(zhuǎn)化效率比沒加之前有了明顯的提高。在沒加氨水之前，涂6層膜時(shí)其最高的光電轉(zhuǎn)化效率是0.327%，當(dāng)3ml的TiO2漿料中加入0.2ml氨水時(shí)，其制得DSSC的光電轉(zhuǎn)化效率達(dá)到0.7384%，光電轉(zhuǎn)化效率后者是前者2.3倍，可以明顯看出其光電轉(zhuǎn)化效率有了很大提高。本實(shí)驗(yàn)也說明了在酸性膠體中添加氨水，加

63、快納米顆粒的凝結(jié)從而形成無粘結(jié)劑TiO2電極。無粘性TiO2漿料的開發(fā)是一種低溫制造TiO2薄膜的很好的原料。對(duì)于柔性染料敏化太陽能電池漿料，找到一種合適的漿料是關(guān)鍵。以酸性膠體為基礎(chǔ)制造無粘結(jié)劑TiO2電極可以批量生產(chǎn)的。改善無粘結(jié)劑TiO2薄膜光電性能和低溫制備技術(shù)現(xiàn)在正處于發(fā)展段階。</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)</b></p><p>　　N. G.

64、Park， K. M. Kim， M. G. Kang， K. S. Ryu， S. H. Chang and Y. J. Shin， Chemical Sintering of Nanoparticles: A Methodology for Low-Temperature Fabrication of Dye-Sensitized TiO2 Films，Advanced Materials， 2005， 17， 2349-2353&

65、lt;/p><p>　　H. Chang， T. L. Chen， K. D. Huang， S. H. Chien and K. C. Hung， Fabrication of highly efficient flexible dye-sensitized solar cells，Journal of Alloys and Compounds， 2010， In Press， Corrected Proof<

66、;/p><p>　　林紅，低成本染料敏化太陽能電池的機(jī)遇和挑戰(zhàn)，先進(jìn)材料工業(yè)，2010，6，41</p><p>　　張合，卓清松，簡(jiǎn)淑華，陳韋安，電泳沉積法制備多層膜染料敏化太陽能電池，過程工程學(xué)報(bào)，2010，10，113陳昭）</p><p>　　馮蕾，程永清，秦華宇，羅東衛(wèi)，染料敏化T iO2太陽能電池的研究進(jìn)展，材料開發(fā)與應(yīng)用，2009，03，81陳昭鋒<

67、/p><p>　　王青，夏詠梅，何祖明，李新麗，乜偉，徐鶯歌，染料敏化太陽能電池光陽極及其敏化研究進(jìn)展，科技導(dǎo)報(bào)，2009，27(1)，90</p><p>　　王松，于忠臣，劉繼偉，戴春雷，張雷，染料敏化太陽能電池柔性TiO2電極的研究進(jìn)展，激光與光電子學(xué)進(jìn)展，2010，47，073101</p><p>　　王仁博，胡志強(qiáng)，梁俏，周紅茹，康姣，柔性染料敏化太陽能電池

68、TiO2涂層電極的制備及性能研究，大連工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2010，29，201</p><p>　　莊東填，林紅，李鑫，李建保，染料敏化太陽能電池中TiO2 光陽極的包覆效果，硅酸鹽學(xué)報(bào)，2010，38，1848</p><p>　　李麗，張貴友，陳人杰，DorinaWa lther，陳實(shí)，吳鋒，染料敏化太陽能電池用T iO2 薄膜電極的改性制備及光電化學(xué)性能，高等學(xué)?；瘜W(xué)學(xué)報(bào)，2009，30