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、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。

1.实验体系

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。

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 Na₂SO₄ 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 Na₂SO₄ 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 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）