染料敏化纳米晶太阳能电池
来源：科思特仪器
发布时间：2016-05-12
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太阳能作为一种取之不尽、用之不竭的清洁能源日益受到人们的重视。1991 年由Grtzel小组提出的染料敏化纳米晶太阳能电池（DSSC）就是一种具有很大应用潜力的新型太阳能电池。
1电池的结构
染料敏化纳米晶太阳能电池的结构如下图所示，主要由工作电极（包括导电膜、导电玻璃、纳米晶多孔膜、染料敏化剂）、电解质和对电极三部分构成。导电玻璃起着传输和收集正、负电极电子的作用。
敏化剂染料分子吸收太阳光能，电子由基态跃迁至激发态，处于激发态的染料分子将电子注入临近的导带中，电子通过外电路到达对电极，形成电流。这是电池工作的基本原理。半导体纳米晶膜不仅作为电子的受体，还要对电子进行传导，而且还要作为染料的支持剂。常见的半导体材料一般为宽禁带的半导体，只能吸收波长不大于375 nm的紫外光，所以我们需要对半导体纳米晶薄膜进行一定的敏化处理，即在表面吸附染料光敏化剂分子，这样，染料分子吸收太阳光能，可见光将染料分子由基态跃迁至激发态，处于激发态的电子不稳定，会很快地进入较低能级的半导体导带，从而有效地产了电子-空穴对。
在染料敏化太阳电池中，TiO2纳米多孔膜接收从染料激发态传输过来电子，并把电子传输到导电玻璃上，它在电池中起着基质的作用，膜的质量对电池的光电性能有很大的影响，是决定电池光电转化效率的关键因素之一。
采用CS350电化学工作站，三电极体系：覆有TiO2多孔膜的ITO作为工作电极，饱和甘汞电极作为参比电极，铂片作为辅助电极。
4测试步骤
开路电位测试条件为：电解液0.1molNa2SO4溶液，光照条件500W氙灯0-20s关，20-80s开，80-140s关，140-200s开， 200-240s关。
“测试方法”→“稳态极化”→“开路电位”；
EIS测试条件：电解液 0.1molNa2SO4溶液，光照条件500W氙灯。
“测试方法”→“交流阻抗”→“阻抗~频率扫描”。交流幅值10mV，频率0.01HZ- 1000000HZ。
5结果分析
图3为样品光照开路电位图谱，a为TiO2多孔膜，b为普通TiO2膜。光照时，TiO2半导体电极中产生的光生电子和光生空穴迅速分离，扩散至电极/溶液的界面，并建立双电层，即为光照开路电位。光照开路电位图谱反映了光生载流子迁移到薄膜表面的电荷的多少，由图可以看出TiO2多孔膜的光生载流子明显多于普通TiO2膜。
1电池的结构
染料敏化纳米晶太阳能电池的结构如下图所示，主要由工作电极（包括导电膜、导电玻璃、纳米晶多孔膜、染料敏化剂）、电解质和对电极三部分构成。导电玻璃起着传输和收集正、负电极电子的作用。
图1染料敏化纳米晶太阳能电池示意图
2电池的工作原理敏化剂染料分子吸收太阳光能，电子由基态跃迁至激发态，处于激发态的染料分子将电子注入临近的导带中，电子通过外电路到达对电极，形成电流。这是电池工作的基本原理。半导体纳米晶膜不仅作为电子的受体，还要对电子进行传导，而且还要作为染料的支持剂。常见的半导体材料一般为宽禁带的半导体，只能吸收波长不大于375 nm的紫外光，所以我们需要对半导体纳米晶薄膜进行一定的敏化处理，即在表面吸附染料光敏化剂分子，这样，染料分子吸收太阳光能，可见光将染料分子由基态跃迁至激发态，处于激发态的电子不稳定，会很快地进入较低能级的半导体导带，从而有效地产了电子-空穴对。
图2染料敏化纳米晶电池工作原理图
3 TiO2光电极电化学性能研究在染料敏化太阳电池中，TiO2纳米多孔膜接收从染料激发态传输过来电子，并把电子传输到导电玻璃上，它在电池中起着基质的作用，膜的质量对电池的光电性能有很大的影响，是决定电池光电转化效率的关键因素之一。
采用CS350电化学工作站，三电极体系：覆有TiO2多孔膜的ITO作为工作电极，饱和甘汞电极作为参比电极，铂片作为辅助电极。
4测试步骤
开路电位测试条件为：电解液0.1molNa2SO4溶液，光照条件500W氙灯0-20s关，20-80s开，80-140s关，140-200s开， 200-240s关。
“测试方法”→“稳态极化”→“开路电位”；
EIS测试条件：电解液 0.1molNa2SO4溶液，光照条件500W氙灯。
“测试方法”→“交流阻抗”→“阻抗~频率扫描”。交流幅值10mV，频率0.01HZ- 1000000HZ。
5结果分析
图3为样品光照开路电位图谱，a为TiO2多孔膜，b为普通TiO2膜。光照时，TiO2半导体电极中产生的光生电子和光生空穴迅速分离，扩散至电极/溶液的界面，并建立双电层，即为光照开路电位。光照开路电位图谱反映了光生载流子迁移到薄膜表面的电荷的多少，由图可以看出TiO2多孔膜的光生载流子明显多于普通TiO2膜。
图3 TiO2电极光照开路电位-时间曲线
a- TiO2多孔膜，b-普通TiO2膜
图4为TiO2多孔膜在暗态和光照下的交流阻抗图谱。暗态条件下界面双电层电容和传递电阻很大，光照下TiO2纳米管受光激发产生大量的光生电荷，载流子数目增多，双电层电容和传递电阻减小。暗态条件下阻抗圆弧半径大，反应速率小。光照下TiO2光电极受紫外光激发产生大量的光生电子和空穴，载流子数目增加，加快了电极反应的进行，反应速率变大，体系阻抗减小，即对应的阻抗圆弧半径减小。
图4 TiO2电极阻抗图谱
a-暗态，b-光照
a-暗态，b-光照
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