适用于本科课程设计的染料敏化太阳电池实验研究

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摘要 染料敏化太阳电池(染敏电池)是近年来科研热点之一。针对本科课程设计而开设的染敏电池实验,有助于将高年级本科生推向学科前沿。然而,在实际科研中,染敏电池实验具有工作电极制备步骤繁多、染料成本高昂和电池I-V性能测试设备昂贵等缺点,并不适合于本科课程设计之用。本文分析了简化工作电极制备过程、使用天然染料和粗略测试电池I-V性能的可行性,设计了适用于本科生课程设计的染敏电池实验。

关键词 课程设计;染料敏化太阳电池;可行性;设计

中图分类号O59 文献标识码A 文章编号 1674-6708(2010)23-0121-02

自1991年瑞士科学家Grätzel发表染料敏化太阳电池(染敏电池)能量转化效率取得突破性进展的工作以来,染敏电池得到了广泛深入的研究。在实际的科研工作中,对电池高效率的追求决定了其制备过程复杂,原材料成本高昂;对电池性能的准确测试则决定了相关测试设备价格不菲。染敏电池制备和性能测试的高门槛极大地限制了其在大学实验教学中的应用。本文参考部分科研文章中使用的染敏电池制备和测试方法,结合笔者在染敏电池科研中的体会,分析了简化染敏电池工作电极制备过程、使用天然染料和粗略测试电池I-V性能的可行性,设计了适用于本科课程设计的染敏电池实验。

1 科研工作中染敏电池的制备和性能测试

1.1 染敏电池工作电极制备

科研工作中,为获得高效率的染敏电池,典型的工作电极制备步骤为:1)以异丙醇钛为前躯体在酸性条件下水解,生成二氧化钛胶体溶液;2)对生成的胶体溶液在250℃进行水热处理,保温12h,得到尺度为20~30nm的二氧化钛纳米粒子混合物;3)强力超声以分散混合物中的二氧化钛纳米粒子;4)通过旋转蒸发和离心分离,除去混合物中的酸和水分;5)将混合物和松油醇、乙基纤维素乙醇溶液充分混合,强力分散,低温下旋转蒸发除去乙醇,得到TiO2醇体系浆料;6)将所得TiO2醇体系浆料通过丝网印刷成膜,退火烧结,得到TiO2多孔膜工作电极。

可以看出,上述工作电极制备过程中,TiO2醇体系浆料制备占据了整个工作电极制备的绝大部分工作量,并且制备工艺复杂,实验条件难以控制,大大超出一般大学实验教学难度,因此,TiO2醇体系浆料制备方法不适用于本科课程设计。

1.2 染敏电池工作电极的敏化

将制备的TiO2工作电极多孔膜在染料溶液中浸泡24小时(即敏化TiO2工作电极),使之充分的吸附染料。迄今为止,在科研工作中,能够获得高能量转化效率(效率大于10%)的主要有N3、N719、black dye 和Z910等几种染料。然而,这些染料均价格不菲。以N3和N719染料为例,它们的价格分别是大约8 000元/g和 10 000元/g,如此昂贵的价格决定了这些染料不适用于本科课程设计。

1.3 染敏电池I-V性能的测试

将敏化后的工作电极滴上电解液,与铂对电极集成,即可进行电池I-V性能测试。在科研工作中,为准确测试电池I-V性能,最常使用Newport公司的Oriel太阳光模拟器,该太阳光模拟器的售价大约在15~20万人民币,加上配套的电流电压源表如Keisley2400、样品台和样品夹具,整个I-V测试系统大约在20万人民币左右。测试设备如此昂贵决定其不适用于本科课程设计。

2 适用于本科课程设计的染敏电池实验

针对上述科研工作中染敏电池制备和测试的三大高门槛,本文借鉴文献中电池制备和测试一些简易方法,以期降低门槛,使染敏电池实验适用于本科课程设计。

2.1 P25水体系浆料制备和成膜

将商业化生产的TiO2纳米粒子-P25纳米粉末(德国Degussa生产,含70%锐钛矿相和30%金红石相TiO2纳米粒子)和聚乙二醇(PEG,20 000)和水混合,混合比例为10g P25:6 PEG:12g water。将混合物在玛瑙研钵中研磨半小时,即制成P25水体系浆料。相对于科研用TiO2醇体系浆料的制备,P25水体系浆料制备相当简单,而且原材料便宜,如P25纳米粉末每千克售价只有400元。

对制成的P25水体系浆料,使用匀胶机以旋涂方式在FTO玻璃(SnO2:F)成膜。退火烧结,得到P25多孔膜工作电极。

2.2 使用天然染料敏化工作电极

与前文中所提到的科研中常用的几种人工合成高效染料如N3、N719、black dye 和Z910相比,天然染料具有成本低廉、提取设备简单可方便快捷获得等优点,其电池能量转换效率一般在1%~3%左右。染敏电池实验中,常用于敏化工作电极的天然染料有叶绿素、花青苷、甘蓝色素和桑椹色素等[1]。天然染料一般采用化学萃取方法获得[2],具体如下:选取颜色较深的新鲜树叶、花及果实为原料, 洗净晾干后捣碎,用丙酮浸泡2~3d。待大量色素被萃取至原料明显褪色,过滤萃取液即得所需染料。将TiO2 工作电极浸入染料中,在密闭避光条件下浸泡24 h,即获得敏化后的工作电极。

2.3 在室外太阳光下进行I-V测试

图1染敏电池的I-V性能粗略测试示意图

在敏化后的工作电极表面滴上电解液,与铂对电极集成(可购买商品化的标准电解液和铂对电极),即构成一个染敏电池。粗略测试电池I-V性能,可在天空晴朗无云、阳光明媚的天气于室外进行,时间在上午11点左右。测试时太阳光垂直入射电池表面。按图1所示电路,通过改变可调电阻值,逐点测量染敏电池的电流和电压输出值,即获得电池的I-V特性曲线[2]。

3 结论

针对材料物理专业课程设计而开设的染敏电池实验,不仅使学生将所学基础知识付诸实践,更有助于将高年级本科生推向学科前沿。本文探讨了简化工作电极制备过程、使用天然染料以及粗略测试电池I-V性能等3方面实验内容,这些内容在科研工作中均被证明是可行的。因此,本文设计了适用于本科课程设计的染敏电池实验。

参考文献

[1]方永增,孟庆华.天然染料在太阳能电池中的敏化作用 [J].染料与染色,2009,46(2):16-20.

[2]黄昀,吴季怀,范乐庆,陈璐璐,许姿蓉.天然色素敏化 纳米晶TiO2太阳能电池研究[J].化学工程,2004,32(3):47- 49.