染敏太陽能電池的制作

1、一、實驗目的1. 了解太陽能電池的根本原理。2. 學習塗佈(coating)及組裝(assembling太陽能電池3. 研究影響效率的因素。、實驗原理染料敏化太陽能電池的根本結(jié)構(gòu)包含透明導電氧化物 (transparent con duct ing oxide,TCO)工作電極(worki ng electrode)、多孔性奈米 TiO2 半導體薄膜、光敏染料(photosensitizer)、電解質(zhì)(electrolyte)以及鉑對 電極(Pt-counter electrode等局部。工作原理分別為染料分子(dye)吸收 光能後，染料上的電子由基態(tài)躍升至激發(fā)態(tài)()；由於染料分子與無 機半導

2、體(TiO2)以化學鍵結(jié)合，在染料激發(fā)態(tài)的電子將迅速注入緊鄰 氧化物半導體層之導帶，而形成氧化鈦的染料正離子(catio n)()；導帶電子在傳遞至透明導電玻璃電極之後對外部電路的負載作功 (3 )；失去電子的染料正離子則可從電解液中之氧化反應獲得電子而 還原回基態(tài) (4 )；作為電洞傳媒 (hole-transport material， HTM) 的電 解質(zhì)在獲得電子的對電極外表藉由鉑的催化進行還原反應(5 )。 Photoexcitation, Dye + hv 弋 Dye* 此步驟非常的快速，約小於 10-15S 的時間染料分子便可在吸收光 能後被激發(fā)至激發(fā)態(tài)而形成電子 -電洞對。 E

3、lectro n injectio n, Dye*J Dye被激發(fā)的電子必須快速地轉(zhuǎn)移到多孔性TiO2薄膜所形成的半導體層中。此步驟發(fā)生於氧化物半導體與染料的界面，激發(fā)態(tài)電子 住束TiO2的速度取決於染料與半導體導帶的能階是否匹配、染料 與TiO2的鍵結(jié)強度以及染料分子間的能量轉(zhuǎn)移。3 Electron diffusion： 進入彈導體層的電子在半導體粒子間擴散至透明導電玻璃基材上，在傳致外電路。 Dye rege neratio n, 2 Dyg + 3 2Dye + I3-:氧化態(tài)的染料離子被電解液中的氧化還原對I7I3-還原至基態(tài)。 Redox couple regen erati on

4、, 3- + 2e 3：氧化態(tài)的電解質(zhì)If擴散至對電極的外表，接受由對電極傳回的 電子後被還原，完成全電路循環(huán)，電池得到再生。藉由這五個反應構(gòu)成一個完整電池的電子迴路，其染敏太陽能電池的 電子迴路圖如下圖所示。Electrok1：&Cauuxle5- o-O.Cooducting Glass/ TiO.5H-MaxununibltageDiftiisiou三、實驗裝置一儀器1. 直流伏特計勉強可用三用電表代替02 V2. 直流電流計勉強可用三用電表代替010 mA3. 太陽實驗裝置太陽能模組4. 加熱板二材料與設備1. P25二氧化鈦粉末2. Acetylacet one3. Trit

5、on X-1004. Polyethylene glycolPEG5. I26. LiI7. Acetonitrile 乙腈 8. N3 染料9. 研磨缽10. 透 明導電玻璃 FTO11. 玻璃滴管12.2B 鉛筆13.玻棒四、實驗步驟A. 導電玻璃前處理1. 取一 50mL 燒杯裝有丙酮溶液。2. 將數(shù)片透明導電玻璃浸泡在丙酮溶液中。3. 用拭鏡紙擦乾待使用。B. 工作電極的製作1. 取3g的P25和0.3g的PEG放置在研磨缽中研磨。2. 取 6mL 蒸餾水分次參加 一邊研磨時一邊分段參加 。3. 添加 0.05mL 的 Acetylacet one 0.005mL 的 triton X

6、-100。4. 研磨 30分鐘後，將透明導電玻璃用透明膠帶貼出所需要的面積大小，然後利用玻棒 刮刀法 將 TiO2 塗佈在導電玻璃上，置於通 風櫥中以加熱板緩慢加熱到350C,加熱過程中因有機溶劑與界面 活性劑會被燒掉而成焦黃色，最後可得一白色TiO2 膜，完成後置於室溫下冷卻。將塗膜的一面朝上浸泡於染料溶液中 1 小時後， 小心地以鑷子將染料溶液中浸泡的工作電極取出，用酒精沖洗， 然後輕輕以紙巾沾乾即完成工作電極，將其放於培養(yǎng)皿中並用錫 箔紙包覆放置一週。C. 電解質(zhì)的配製1. 取0.5M的LiI和0.05M的溶於10ml乙腈，即完成電解質(zhì)溶 液的配製。D. 對電極的製備1. 取數(shù)片導電玻璃

7、，以 2B 鉛筆將導電的一面塗一薄層碳覆蓋整 個外表，這一薄層碳將作為I 2/電解液氧化還原反應的催化 劑，然後置於加熱板加熱，取出冷卻後，以酒精沖洗，然後輕 輕以紙巾沾乾，此導電玻璃作為太陽能電池的正極。E. 組裝太陽能電池1. 在工作電極的 TiO 2膜兩旁貼上不導電膠。2. 在 TiO2膜的中心滴34滴的電解液。3. 將對電極放在工作電極上面，讓導電的一面相對接觸，且將塗抹TiO2處都覆蓋住，但兩塊玻璃略微錯開，使沒塗 TiO2的一邊露 出來，作為電極連接點。4. 另外兩對邊的末端則用兩支長尾夾夾住固定 ，檢查兩片電極間是 否有氣泡，假設有，則需將兩片電極拆開，再滴加 1-2 滴碘電解液

8、， 重新組裝。F. 太陽能電池的量測1.以鱷魚夾接上太陽能電池的兩邊電極，直接測量電壓與電流輸 出。2比較不同照光角度90°、60°對太陽能電池的影響。G矽晶太陽能電池的量測1.將太陽能實驗裝置組裝好，並量測其電流電壓值。五、注意事項1. 防止影響效率，泡好染料的工作電極勿長時間照光。2. 電解液要確實填滿不要有氣泡產(chǎn)生。3. 工作電極的TiO2膜一定要塗佈的很均勻。4. 實驗條件要仔細控制，並記錄。六、實驗數(shù)據(jù)(1)改變工作電極之面積大小量測其電流電壓值面積電流(mA)電壓(mV)以不同角度的光源照射下，紀錄電流電壓的變化光源角度電流(mA)電壓(mV)七、問題與討論1影響太