1、適用于本科課程設(shè)計的染料敏化太陽電池實驗研究    關(guān)鍵詞 課程設(shè)計;染料敏化太陽電池;可行性;設(shè)計自1991年瑞士科學(xué)家Gr auml;tzel發(fā)表染料敏化太陽電池(染敏電池)能量轉(zhuǎn)化效率取得突破性進展的工作以來,染敏電池得到了廣泛深入的研究。在實際的科研工作中,對電池高效率的追求決定了其制備過程復(fù)雜,原材料成本高昂;對電池性能的準(zhǔn)確測試則決定了相關(guān)測試設(shè)備價格不菲。染敏電池制備和性能測試的高門檻極大地限制了其在大學(xué)實驗教學(xué)中的應(yīng)用。本文參考部分科研文章中使用的染敏電池制備和測試方法,結(jié)合筆者在染敏電池科研中的體會,分析了簡化染敏電池工作電極制備過程、

2、使用天然染料和粗略測試電池I-V性能的可行性,設(shè)計了適用于本科課程設(shè)計的染敏電池實驗。 1 科研工作中染敏電池的制備和性能測試 1.1 染敏電池工作電極制備 科研工作中,為獲得高效率的染敏電池,典型的工作電極制備步驟為:1)以異丙醇鈦為前軀體在酸性條件下水解,生成二氧化鈦膠體溶液;2)對生成的膠體溶液在250進行水熱處理,保溫12h,得到尺度為2030nm的二氧化鈦納米粒子混合物;3)強力超聲以分散混合物中的二氧化鈦納米粒子;4)通過旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)和離心分離,除去混合物中的酸和水分;5)將混合物和松油醇、乙基纖維素乙醇溶液充分混合,強力分散,低溫下旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)除去乙醇,得到TiO2醇體系漿料;6)將所得

3、TiO2醇體系漿料通過絲網(wǎng)印刷成膜,退火燒結(jié),得到TiO2多孔膜工作電極。 可以看出,上述工作電極制備過程中,TiO2醇體系漿料制備占據(jù)了整個工作電極制備的絕大部分工作量,并且制備工藝復(fù)雜,實驗條件難以控制,大大超出一般大學(xué)實驗教學(xué)難度,因此,TiO2醇體系漿料制備方法不適用于本科課程設(shè)計。 1.2 染敏電池工作電極的敏化 將制備的TiO2工作電極多孔膜在染料溶液中浸泡24小時(即敏化TiO2工作電極),使之充分的吸附染料。迄今為止,在科研工作中,能夠獲得高能量轉(zhuǎn)化效率(效率大于10%)的主要有N3、N719、black dye 和Z910等幾種染料。然而,這些染料均價格不菲。以N3和N719

4、染料為例,它們的價格分別是大約8 000元/g和 10 000元/g,如此昂貴的價格決定了這些染料不適用于本科課程設(shè)計。 1.3 染敏電池I-V性能的測試 將敏化后的工作電極滴上電解液,與鉑對電極集成,即可進行電池I-V性能測試。在科研工作中,為準(zhǔn)確測試電池I-V性能,最常使用Newport公司的Oriel太陽光模擬器,該太陽光模擬器的售價大約在1520萬人民幣,加上配套的電流電壓源表如Keisley2400、樣品臺和樣品夾具,整個I-V測試系統(tǒng)大約在20萬人民幣左右。測試設(shè)備如此昂貴決定其不適用于本科課程設(shè)計。 2 適用于本科課程設(shè)計的染敏電池實驗 針對上述科研工作中染敏電池制備和測試的三大

5、高門檻,本文借鑒文獻中電池制備和測試一些簡易方法,以期降低門檻,使染敏電池實驗適用于本科課程設(shè)計。 2.1 P25水體系漿料制備和成膜 將商業(yè)化生產(chǎn)的TiO2納米粒子-P25納米粉末(德國Degussa生產(chǎn),含70%銳鈦礦相和30%金紅石相TiO2納米粒子)和聚乙二醇(PEG,20 000)和水混合,混合比例為10g P25:6 PEG:12g water。將混合物在瑪瑙研缽中研磨半小時,即制成P25水體系漿料。相對于科研用TiO2醇體系漿料的制備,P25水體系漿料制備相當(dāng)簡單,而且原材料便宜,如P25納米粉末每千克售價只有400元。 對制成的P25水體系漿料,使用勻膠機以旋涂方式在FTO玻璃

6、(SnO2:F)成膜。退火燒結(jié),得到P25多孔膜工作電極。 2.2 使用天然染料敏化工作電極 與前文中所提到的科研中常用的幾種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、提取設(shè)備簡單可方便快捷獲得等優(yōu)點,其電池能量轉(zhuǎn)換效率一般在1%3%左右。染敏電池實驗中,常用于敏化工作電極的天然染料有葉綠素、花青苷、甘藍色素和桑椹色素等1。天然染料一般采用化學(xué)萃取方法獲得2,具體如下:選取顏色較深的新鮮樹葉、花及果實為原料, 洗凈晾干后搗碎,用丙酮浸泡23d。待大量色素被萃取至原料明顯褪色,過濾萃取液即得所需染料。將TiO2 工作電極浸入染料中,在密閉避光條件

7、下浸泡24 h,即獲得敏化后的工作電極。 2.3 在室外太陽光下進行I-V測試 圖1染敏電池的I-V性能粗略測試示意圖 在敏化后的工作電極表面滴上電解液,與鉑對電極集成(可購買商品化的標(biāo)準(zhǔn)電解液和鉑對電極),即構(gòu)成一個染敏電池。粗略測試電池I-V性能,可在天空晴朗無云、陽光明媚的天氣于室外進行,時間在上午11點左右。測試時太陽光垂直入射電池表面。按圖1所示電路,通過改變可調(diào)電阻值,逐點測量染敏電池的電流和電壓輸出值,即獲得電池的I-V特性曲線2。 3 結(jié)論 針對材料物理專業(yè)課程設(shè)計而開設(shè)的染敏電池實驗,不僅使學(xué)生將所學(xué)基礎(chǔ)知識付諸實踐,更有助于將高年級本科生推向?qū)W科前沿。本文探討了簡化工作電極制備過程、使用天然染料以及粗略測試電池I-V性能等3方面實驗內(nèi)容,這些內(nèi)容在科研工作中均被證明是可行的。因此,本文設(shè)計了適用于本科課程設(shè)計的染敏電池實驗。        參考文獻 1方永增,孟慶華.天然染料在太陽能電池中的敏化作