月季色素与菠菜色素敏化太阳能电池的光电性能研究

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摘要： 本文从月季与菠菜中提取色素制成染料敏化太阳能电池所需的染料。通过对月季与菠菜所制备成的染料进行紫外-可见吸收光谱测试，分析了提取的月季与菠菜中染料的主要成分。对月季与菠菜染料用于敏化太阳能电池进行光电性能测试和量子效率测试，结果表明用月季色素做为染料敏化太阳能电池的光电性能较好。

Abstract： In this paper， the pigment of Chinese Rose and Spinach was extracted in the specific acidities conditions， which has been successfully applied for Dye-Sensitized Solar Cells. The absorption properties of the pigments which make sure the main effective component in the Chinese Rose and Spinach coupled with its corresponding photovoltaic performance were investigated in detail. Results showed that the highest light-to-energy conversion efficiency was achieved in the pigment of Chinese Rose.

关键词： 染料敏化太阳能电池；天然染料；月季；菠菜

Key words： dye-sensitized solar cell；nature dye；Chinese rose；Spinach

中图分类号：S214 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2012）33-0294-03

0 引言

太阳能电池是太阳能利用的最重要的方式。染料敏化太阳能电池（DSC）是近年来发展迅速的一种太阳能电池，由于其潜在的成本和技术优势，是其他类太阳电池无法比拟的。在DSC中由于染料起着吸收光子和传递电子的作用，因此染料性能的优劣决定着电池的光电效率[1-3]。目前所用的染料多为钌的配合物，合成比较困难，并且钌是一种稀有金属，导致价格过高。所以，寻找低成本而性能良好的染料成为当前研究的重点[4，5]。月季与菠菜在全国各地均有栽培，又因其花色较深，吸光较好，并且比较容易提取，可能成为代替钌类染料的很好来源[6]。青藏高原海拔高、紫外线照射时间长，基于同种植物在阳光照射强烈的地方生长所富集的染料比较多。

本文从阳光资源丰富的青藏高原采摘月季与菠菜，主要对月季色素与菠菜色素敏化太阳能电池的光电性能进行了研究。

1 实验过程

1.1 原材料 月季与菠菜采摘自海拔3000米以上的青藏高原，无水乙醇，石油醚，12mol/L浓盐酸，均为分析纯购买自北京益利精细化学品有限公司，二氧化钛浆料为实验室配置，4-特丁基吡啶购买自Fluka。电解液的主要成分为0.05M的碘（I2）、0.5M的碘化锂（LiI）和0.5M的4-特丁基吡啶，溶剂为乙腈。

1.2 月季与菠菜染料的制备

1.2.1 色素浸提：试样A：取0.5g菠菜叶片洗净，放入50℃恒温干燥箱蒸干，将蒸干后的菠菜叶片放入锥形瓶中，加适量石油醚，密封，再次放入50℃恒温干燥箱保温1小时。即可得到菠菜色素。

试样B：取0.5g月季花瓣洗净，放入50℃恒温干燥箱蒸干，将蒸干后的月季花瓣放入锥形瓶中，加适量盐酸乙醇溶液，密封，再次放入50℃恒温干燥箱保温1小时。即可得到月季色素。

1.2.2 染料的制备 将提取出的试样A与试样B分别使用砂芯抽滤漏斗进行抽滤，滤去花瓣残渣与固体颗粒杂质。取溶液移至离心试管中，进行离心处理（转速3000r/min，加速时间90s，离心时间5min，减速时间90s）；取离心后溶液的上层清夜移至150mL圆底烧瓶，用旋转蒸发器蒸发溶剂，设定温度为40℃，旋蒸至剩余15ml溶液。即得到菠菜敏化电池所需的染料（试样1）与月季敏化电池所需的染料（试样2）。将浓缩后的两种染料溶液分别装入20ml试剂瓶中待用。

1.3 电池的组装 利用丝网印刷工艺将TiO2浆料均匀涂覆在导电玻璃表面上，置于马弗炉中500℃烧结30分钟，随炉冷却，得到均匀的TiO2多孔薄膜。

将烧结后的TiO2薄膜冷却到80℃并分别浸泡于配制好的月季与菠菜染料的乙醇溶液里，20h后取出并用乙醇进行清洗。将两种敏化TiO2电极分别与打有小孔的Pt对电极之间放置一大小合适的Surlyn环片，利用TS-C40DX-III恒温热压机将光阳极和对电极粘合在一起，在Pt对电极小孔中滴加电解液，使电解液填充于TiO2电极与Pt对电极之间，组装成染料敏化太阳能电池。

1.4 试样的测试 本文使用4082 UV/VIS型分光光度计对试样进行吸收光谱的测试；采用IPCE测试系统对试样进行量子效率的测试。

光电转换效率测试中，所采用的光源为450W的氙灯（Oriel 91192，USA），光强为AM G1.5，使用吉士利2400源表（Keithley，USA）进行偏压的控制和电流的测量，电池的测试面积为0.16cm2。

2 结果和讨论

2.1 两种染料的紫外-可见吸收光谱测试分析 取制备出的菠菜染料（试样1）与月季染料（试样2）各1.0mL，加入5.0mL无水乙醇，配制成测试样品。使用4082UV/VIS型分光光度计分别测量两种试样的吸收光谱，紫外-可见吸收光谱的如图1所示。

由图1可知，试样2的对可见光的吸收较好。试样1在415nm与660nm两处有较明显的吸收峰；试样2在360nm与570nm有两处明显的吸收峰。根据黄酮类化合物的特性[7]可知，黄酮类化合物在200～400nm区域内存在2个主要吸收峰。叶绿素的特征吸收峰在412nm左右和670nm左右两处[8]。由此可知试样1中主要为叶绿素，试样2中主要为黄酮类化合物。

2.2 两种染料组装成敏化太阳能电池进行光电性能测试与分析 将制备出的菠菜染料（试样1）与月季染料（试样2）组装成太阳能电池后，在模拟太阳光照射下进行光电性能测试。测试结果分别为光电性能参数见表1和光电流-光电压曲线见图2，从表1和图2中可以看到，试样2的敏化效果最好，虽然两种试样的开路电压Voc与填充因子FF变化不大，但试样2的短路电流密度Jsc和光电效率η都明显增大，光电转换效率η从0.04%提高到0.16%，短路电流密度Jsc从0.16mA/cm2提高到0.47mA/cm2。

2.3 两种染料组装成敏化太阳能电池进行量子效率测试与分析 从图3可以看到，菠菜染料（试样1）与月季染料（试样2）组装成太阳能电池的IPCE曲线的总体趋势一致，在400nm处都达到最高值。在400～680nm波长范围内，试样2的量子效率最大，与短路电流密度最大相一致。

2.4 讨论 通过对月季（试验2）与菠菜（试验1）染料用于敏化太阳能电池进行光电性能测试和量子效率测试，结果表明用月季（试验2）色素做为染料敏化太阳能电池的光电性能与量子效应较好。分析原因如下：第一，由于-COOH、-OH等官能团与TiO2吸附能力较强[9]，通过对比菠菜色素中的叶绿素（图4）与月季色素中的黄酮类化合物（图5）结构可知，月季色素中的黄酮醇类化合物含有羟基，可与TiO2薄膜发生化学吸附。而菠菜色素中的叶绿素不含-COOH、-OH等官能团，属于物理吸附，因此依附能力弱导致其光电转化效率低；第二，经试样2浸染的光阳极颜色呈深红，而经试样1浸染的光阳极颜色很浅且多为浮色，说明试样2对可见光的吸收较好，而吸光度的强弱也是决定电池光电性能的主要参数之一。

3 结论

①通过对月季与菠菜所制备成的染料进行紫外-可见吸收光谱测试，结果表明：菠菜染料中主要成分为叶绿素，月季染料中主要成分为黄酮类化合物。

②通过对月季与菠菜染料用于敏化太阳能电池进行光电性能测试和量子效率测试，结果表明：用月季色素做为染料敏化太阳能电池的光电性能与量子效应较好，其光电转换效率η从0.04%提高到0.16%，短路电流密度Jsc从0.16mA/cm2提高到0.47mA/cm2。

参考文献：

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