染料敏化纳米晶太阳能电池

来源:科思特仪器 发布时间:2025-03-06 浏览人次:0

一、研究背景

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。

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

二、TiO光电极电化学性能研究

在染料敏化太阳电池中,TiO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。

1.实验体系

采用 CS350 电化学工作站,三电极体系:覆有 TiO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。

2.测试步骤

(1)开路电位测试

选择“测试方法”→“稳态极化”→“开路电位”;电解液 0.1 mol Na2SO溶液,光照条件500 W 氙灯 0-20 s关,20-80 s 开,80-140 s 关,140-200 s 开,200-240 s 关。

(2)EIS测试

选择“测试方法”→“交流阻抗”→“频率扫描电位控制模式”。交流幅值 10 mV,频率 0.01 HZ- 100000 HZ。 EIS 测试条件:电解液 0.1 mol Na2SO溶液,光照条件 500 W 氙灯。

3.结果分析

图 3 为样品光照开路电位图谱,a 为 TiO多孔膜,b 为普通 TiO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 TiO膜。

图3. TiO电极光照开路电位-时间曲线(a- TiO多孔膜,b-普通 TiO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 TiO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 TiO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)


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