提高染料敏化太陽(yáng)能電池光電轉(zhuǎn)換效率的一種新方法

1、提高染料敏化太陽(yáng)能電池光電轉(zhuǎn)換效率的一種新方法李飛濤，王龍閣，霍濯宇， 顧玉宗*(河南省光伏重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室和河南大學(xué)物理與電子學(xué)院，河南開(kāi)封475001)摘要:在染料敏化太陽(yáng)能電池的對(duì)電極后面加一個(gè)反射鏡是一種可以提高電池光電轉(zhuǎn)換效率的新方法，在染料敏化太陽(yáng)能電池的對(duì)電極后面加一個(gè)反射鏡，改變了光的傳播路徑并且在對(duì)電極后光被反射鏡重新反射到電池里，促進(jìn)了電池對(duì)光的吸收，因此電池的光電轉(zhuǎn)換性能得到提高 .用X射線(xiàn)衍射(XRD),掃描電鏡(SEM),線(xiàn)性?huà)呙璺蚕到y(tǒng)對(duì)二氧化鈦電極進(jìn)行形貌和光電轉(zhuǎn)換性能進(jìn)行了表征.實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在AM=1.5輻射條件下，加上反射鏡后，染料敏化太陽(yáng)能電池的光電轉(zhuǎn)換效率從4

2、.81%提高到5.43%,短路電流密度，開(kāi)路電壓，填充因子分別為 18.65 mA/cm2, 0.728 V and 0.561.關(guān)鍵詞：反射鏡；染料敏化太陽(yáng)能電池；轉(zhuǎn)換效率；二氧化鈦電極；短路電流密度；填充因子A Novel Improved Method to Increase the Efficiency ofDye-Sensitized Solar CellsLI Fei-Tao, WANG Lon g-Ge, HUO Zhuo-yu, GU Yu-Zo ng*,(Key Laboratory of Photovoltaic Materials of Henan Province an

3、d School of Physics &Electro nics, Henan Un iversity, Kaife ng 475001, P.R. China)Abstract: A novel improved method which employs a reflective mirror at the back of the pt counter electrode is used in dye-sensitized solar cells (DSSC). The direction of the light propagation in the cells was chan

4、ged because of adding a mirror at the back of the pt counter electrode of the DSSC and the light reflected back into the DSSC to enhance the optical absorption of the DSSCs. Therefore, the performance of the cells was improved distinctively. The TiOelectrodes had been characterized by X-ray diffract

5、ion, scanning electron microscopy and”基金項(xiàng)目：河南省科技廳(082300460070)和河南省教育廳(2008A140001 )基金資助 作者簡(jiǎn)介：李飛濤(1983-)，男，碩士，主要研究方向：染料敏化太陽(yáng)能電池 聯(lián)系人：顧玉宗(1963-)，男，博士，教授。Linear Sweep Voltammetry system. The results indicates that the conversionefficiency can be increased from 4.81% to 5.43% under AM = 1.5 illumination

6、when a mirror is added at the back of the pt counter electrode in the cell. Meanwhile, the Jsc, Voc and the fill factor which can achieve 18.65 mA/cm2, 0.728 V and 0.561, respectively.Keywords: A reflective mirror; Dye-sensitized solar cells; Conversion efficiency；TiO2 electrodes;the short circuit c

7、urrent ; the fill factor0 引言近年來(lái)， 隨著能源需求的急劇增加以及環(huán)保， 節(jié)能意識(shí)的增強(qiáng)， 太陽(yáng)能電池的研究越來(lái) 越受到人們的重視， 1991 年， M.Gaztel1 教授采用染料敏化的納米多孔 TiO2 薄膜制成太陽(yáng) 能電池的效率達(dá)到 7.1%2, 自從這項(xiàng)科研成果報(bào)道以來(lái)， 世界各國(guó)科學(xué)家對(duì)其進(jìn)行了廣泛的 研究染料敏化太陽(yáng)能電池（DSSC）由于其低成本，易組裝和較高的光電轉(zhuǎn)換效率等特點(diǎn)，有望成為傳統(tǒng)硅太陽(yáng)能電池的一種廉價(jià)替代品 .DSSC 通常由夾在兩電極間的染料敏化納米 TiO2 多孔薄膜，電解質(zhì)溶液和含鉑的對(duì)電極組成 光照條件下染料分子被激發(fā)，激發(fā)態(tài)的染料分

8、 子將電子快速注入 TiO2 導(dǎo)帶 ，該電子注入過(guò)程通常發(fā)生在亞皮秒到皮秒級(jí)，且效率接近100%3-4.目前，提高染料敏化太陽(yáng)能電池（DSSC）光電轉(zhuǎn)換的方法很多，例如修飾光陽(yáng)極（TiO2 電極 ），用其它的材料來(lái)替代二氧化鈦， 合成新的染料， 或者在電解質(zhì)溶液中加添加劑 等,雖然使染料敏化太陽(yáng)能電池（DSSC）的效率得到了提高，但是也大大增加了電池的成本,并且許多染料和電解液添加劑具有毒性，會(huì)造成環(huán)境污染 目前，染料敏化太陽(yáng)能電池（DSSC）的光電轉(zhuǎn)換效率已經(jīng)達(dá)到了11%5,但是納米TiO2電極還是存在一定的問(wèn)題，由于禁帶寬度較大 （銳鈦礦的禁帶寬度為 3 2eV） ,只能吸收一定的 紫外區(qū)

9、域的光，導(dǎo)致其對(duì)太陽(yáng)能的利用效率較低，而我們通過(guò)在對(duì)電極后面加一個(gè)反射鏡， 改變太陽(yáng)光的傳播路徑， 使從對(duì)電極折射出來(lái)的光重新被反射鏡反射到染料敏化太陽(yáng)能電池 （DSSC）中，增加電池對(duì)光的吸收，從而提高了電池的光電轉(zhuǎn)換效率，這種方法簡(jiǎn)單，且對(duì) 環(huán)境無(wú)影響 1 實(shí)驗(yàn)部分1.1 材料與儀器P25, 1,3-二甲基 -3-咪唑碘 , FTO 導(dǎo)電玻璃 , （由中國(guó)七色光科技有限公司提供，電阻 率：15ohm/sq,透光率80%）,無(wú)水乙醇，曲拉通（Triton X-100,分析純）,乙酰丙酮（分析純）, 聚乙二醇 8000（由中國(guó)開(kāi)封化學(xué)試劑有限公司提供 ）N3 染料購(gòu)于上海染料公司 X 射線(xiàn)衍射

10、(XRD) (DX-2500, Fangyuan, China),掃描電鏡(SEM) (TEM JEM-100cx, JEOL),線(xiàn)性?huà)呙璺蚕到y(tǒng)(CHI660B, Chenhua, China).1.2 Ti02電極的制備稱(chēng)取0.5g商用P25粉末放到瑪瑙研缽中，加入 5ml的無(wú)水乙醇，在磁力攪拌器下攪拌 1 小時(shí)，然后依次加入0.3ml曲拉通(Triton X-100,分析純),0.1ml乙酰丙酮(分析純),再攪拌1 個(gè)小時(shí)后加入0.3g聚乙二醇8000,再接著攪拌2個(gè)小時(shí).通過(guò)手術(shù)刀法技術(shù)將 TiO2溶膠均 勻地涂敷在FTO透明導(dǎo)電玻璃上待TiO2膜自然晾干后，放人馬弗爐中進(jìn)行加熱，先以

11、1C/ min的速度升至500C保溫40min,自然冷卻80C，然后把電極從爐子中取出把它放到 0.05 M 的四氯化鈦的水溶液中， 室溫下浸泡24 h,取出用去離子水清洗后， 再放到馬弗爐中，先以1C / min的速度升至500 C ,保溫40min,自然冷卻80 C,制得TiO2薄膜.1.3電池的組裝和測(cè)量將制好的TiO2納米多孔膜趁熱浸泡于 0.3 g/L的N3(含釘?shù)墓饷魟?的無(wú)水乙醇溶液中 24 h后取出，與鍍鉑對(duì)電極組裝電池，兩者之間灌入含有1.0 M的1,3-二甲基-3-咪唑碘,50 mM KI, 30 mM I2, 0.5 M四叔丁基吡啶,0.1M硫氰酸胍的乙腈電解液.用掃描電

12、子顯微鏡 (TEM JEM-100cx, JEOL)觀察電極的表面形貌 ，采用X射線(xiàn)衍射(XRD) (DX-2500, Fangyuan, China)研究電極的晶體結(jié)構(gòu)；在標(biāo)準(zhǔn)氙燈光源(AM = 1.5)照射下，用電化學(xué)工作站(CHI660B, Chen hua, Ch ina)測(cè)量電池的光電性能 .2結(jié)果與討論2.1 X射線(xiàn)衍射(XRD)測(cè)試結(jié)果分析圖1為分別為P25 FTO導(dǎo)電玻璃基底和 TiO2薄膜的XRD測(cè)試結(jié)果，與標(biāo)準(zhǔn)圖譜對(duì)照 可知，P25粉末的晶相為銳鈦礦，金紅石混合相 TiO2,根據(jù)公式：XA = 1 + 1. 25>( IR/ IA) -1(IR和IA分別是金紅石和銳鈦

13、礦型TiO2的110和101 衍射峰的強(qiáng)度)，計(jì)算出其中銳鈦礦相約占81.5%,金紅石相約占18.5%.通過(guò)對(duì)TiO2電極薄膜進(jìn)行X衍射分析，TiO2電 極薄膜呈單相銳鈦礦結(jié)構(gòu).圖1.P25, TiO2薄膜和FTO導(dǎo)電玻璃的 XRD2.2 TiO2薄膜顯微結(jié)構(gòu)分析圖2顯示了 TiO2薄膜表面的掃描電鏡（SEM）照片.從圖中可以看出：TiO2薄膜表面為 多孔結(jié)構(gòu)，其中較為明亮的顆粒是TiO2粒子，較暗處是孔隙，納米晶態(tài)TiO2薄膜由相互連接的顆粒構(gòu)成三維網(wǎng)狀、多孔結(jié)構(gòu)，顆粒的平均尺寸約 25 nm.顆粒分布比較均勻，團(tuán)聚現(xiàn)象不明顯，孔洞分布比較均勻，同時(shí)也比較多薄膜表面的孔隙，是500 C高溫?zé)?/p>

14、結(jié)時(shí) TiO2漿料中的有機(jī)物揮發(fā)后留下的，孔隙能夠使更多的染料滲入到薄膜電極的深層，使電解質(zhì)與染料分子能更有效地交換電子，提高光電轉(zhuǎn)換效率。-J?OpiKnMt-_ .at1糞:乜Fit卡*；】l - a «fitA,r w*- fikv'' u2BkU IciQ, 9301 PmSEI圖2. TiO2薄膜的SEM照片2.3染料敏化太陽(yáng)能電池（DSSC）的工作原理和光傳播路經(jīng)的研究DSSC的工作原理如圖3，當(dāng)有入射光時(shí)，染料分子D吸收太陽(yáng)光h u由基態(tài)躍遷至激 發(fā)態(tài)D*，迅速將電子注入到TiO2的導(dǎo)帶（CB），電子通過(guò)導(dǎo)電玻璃流向外電路 ：失去電子的染料被電解質(zhì)所還原

15、，恢復(fù)為染料 D ；被氧化的電解質(zhì)在光陰極被來(lái)自外電路的電子還原再生而繼續(xù)參與光化學(xué)反應(yīng)，這樣，開(kāi)路時(shí)兩極產(chǎn)生光電勢(shì)，經(jīng)負(fù)載閉路則在外電路產(chǎn)生相應(yīng)的光電流。在染料敏化太陽(yáng)能電池（DSSC）中，TiO2電極薄膜和染料對(duì)光吸收的多少直接決定著太 陽(yáng)能電池的性能，因此，提高TiO2電極薄膜和染料對(duì)光的吸收，是改進(jìn)電池性能的重要手段電池的光傳播路徑如圖3所示，由氙燈輻射源出來(lái)的光經(jīng)光電陽(yáng)極，一部分被TiO2電極薄膜和染料吸收，其余的經(jīng)對(duì)電極反射和折射出電池，被對(duì)電極折射出來(lái)的光經(jīng)反射鏡反射重新進(jìn)入電池內(nèi)， 被TiO2電極薄膜和染料重新吸收，增加了電池對(duì)光的吸收，使電池的光電轉(zhuǎn)換效率從4.81%提高到5

16、.43%.Conducting*- riO3p dectrulyte* cathode glass-1圖3.染料敏化太陽(yáng)能電池(DSSC)的工作原理和光傳播路經(jīng)圖2.4電池性能圖4是TiO2電極的I-V特性曲線(xiàn)圖.從圖4可以看出，在染料敏化太陽(yáng)能電池(DSSC) 的對(duì)電極后加一個(gè)反射鏡和不加反射鏡對(duì)電池性能的影響，在對(duì)電極后加反射鏡時(shí)，可以提高TiO2電極薄膜和染料對(duì)光的吸收，改進(jìn)了電池的性能，使短路電流由16.25 mA/cm2提高到18.65 mA/cm2,開(kāi)路電壓由0.701V提高到0.728V,染料敏化太陽(yáng)能電池的光電轉(zhuǎn)換效率 由4.81%提高到5.42%.mcA晝密流電圖4. A，B

17、分別為在對(duì)電極后加反射鏡和不加反射鏡電池的I-V曲線(xiàn)在染料敏化太陽(yáng)能電池 (DSSC)研究中，我們知道短路光電流是影響電池性能的一個(gè)很 重要的因素，染料對(duì)光的捕獲，激發(fā)態(tài)電子的注入，電子在薄膜表面的傳輸，I-對(duì)氧化態(tài)染 料的還原以及注入電子的復(fù)合都可以影響染料敏化太陽(yáng)能電池的光電流，光電流的增加一定和它們其中的一個(gè)或者幾個(gè)因素有關(guān)7.當(dāng)我們?cè)谌玖厦艋?yáng)能電池(DSSC)的對(duì)電極加一個(gè)反射鏡時(shí)，使沒(méi)有被電池利用的太陽(yáng)光重新反射到染料敏化太陽(yáng)能電池(DSSC)中去，提高了 TiO2電極薄膜和染料對(duì)光的吸收，因此使染料敏化太陽(yáng)能電池(DSSC)的短路電流由16.25 mA/cm2提高到18.65

18、mA/cm2 ,電池的性能得到改進(jìn) .3結(jié)論通過(guò)在染料敏化太陽(yáng)能電池 (DSSC)的對(duì)電極后加一個(gè)反射鏡和不加反射鏡對(duì)電池性能的影響的比較，加反射鏡的染料敏化太陽(yáng)能電池(DSSC)可以使光電流從16.25 mA/cm 2提高到18.65 mA/cm 2光電轉(zhuǎn)換效率由4.81%提高到5.42%，取得了較好的光電性能.參考文獻(xiàn)1 O' ReganB , Gr?tzel M. A low cost high-efficiency solar cell based on dye-sensitized colloidal TiO2 film. Nature,1991 335 (6346): 73

19、77392 于仙仙 , 胡志強(qiáng) , 高巖等 . 染料敏化太陽(yáng)能電池陽(yáng)極改性技術(shù)研究進(jìn)展 . 材料 導(dǎo)報(bào), 2007, 21(3):2529Yu X X, Hu Z Q, Gao Y, et al. ProgressAnode Modification Techniques of Dye-Sensitized Solar Cells. Materials Review, 2007, 21(3):25293 郭力,梁林云,陳沖等 . 聚苯胺基固態(tài)染料敏化太陽(yáng)電池中電子輸運(yùn)性能的研究 . 物理學(xué)報(bào)， 2007, 56(07):42704276Guo L, Liang L Y, Chen C, et a