浸染料時(shí)間對(duì)DSSC性能的影響

于 敏，王傳嶺

(嘉應(yīng)學(xué)院醫(yī)學(xué)院，廣東 梅州 514000)

浸染料時(shí)間對(duì)DSSC性能的影響

于 敏，王傳嶺

(嘉應(yīng)學(xué)院醫(yī)學(xué)院，廣東 梅州 514000)

染料是染料敏化太陽能電池的重要組成部分，其中浸染料時(shí)間會(huì)直接影響染料的吸附量與光陽極的微觀結(jié)構(gòu)，本文重點(diǎn)考察了浸染料時(shí)間對(duì)電池性能的影響，研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)浸染料時(shí)間為為3h時(shí)，DSSC的性能較好。

染料敏化太陽能電池；染料；TiO2膜

隨著能源危機(jī)的日益嚴(yán)峻，太陽能作為一種取之不盡、用之不竭的綠色能源而引起了人們的更多關(guān)注。而利用電池將光能轉(zhuǎn)換成電能，成為人們研究的熱點(diǎn)。其中，染料敏化太陽能電池因具有生產(chǎn)成本相對(duì)較低、制備工藝簡單及對(duì)環(huán)境友好等優(yōu)點(diǎn)，吸引了國內(nèi)外科研工作者的研究興趣。

自1991年Gr?tzel制備出光電轉(zhuǎn)換效率為7.1%的DSSC[1]以來，科學(xué)家對(duì)它進(jìn)行了深入的研究并取得較大的進(jìn)展。DSSC是由光陽極、電解質(zhì)和光陰極三部分組成的，其中光陽極是由吸附有染料的半導(dǎo)體薄膜構(gòu)成，染料吸附量的多少會(huì)直接影響電流密度，進(jìn)而影響電池性能。在半導(dǎo)體薄膜與染料相同的情況下，影響染料吸附量的關(guān)鍵之一就是浸染料的時(shí)間，本文對(duì)此做了如下的研究。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 電池的制備流程

將松油醇、聚乙烯醇縮丁醛溶膠、TiO2按6.02：0.18：1的質(zhì)量配比采用刮刀法制備TiO2薄膜，并分別將制得的TiO2薄膜浸染料1h，2h，3h和4h，，選用Pt電極作為DSSC的對(duì)電極。組裝電池并對(duì)其進(jìn)行性能測(cè)試。

1.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

(1) 染料吸附量的分析

圖1 染料吸附量(Q)隨浸染料時(shí)間的變化

由圖1可看出，當(dāng)浸染料時(shí)間為3h時(shí)，染料吸附量(Q)較大。浸染料時(shí)間小于等于3h時(shí)，染料吸附量隨浸染料時(shí)間的增大而增大。這是因?yàn)槿玖媳籘iO2膜吸附的過程是一個(gè)化學(xué)吸附過程，當(dāng)染料吸附到TiO2膜的表面后，染料分子的最低未占軌道與TiO2的導(dǎo)帶電子云發(fā)生重疊，形成類酯鍵[2]。

隨著浸染料時(shí)間的增加，染料吸附量增大。在浸染料時(shí)間為3h左右到達(dá)最高，之后，染料吸附量開始減小，其原因可能有：隨之浸泡時(shí)間的增加，空氣中的水分越來越多的溶解在染料溶液中，由于TiO2的Ti-O鍵更易于與H2O中的羥基成鍵，使得與TiO2因形成類酯鍵而被吸附的N719有一部分發(fā)生解析，值得注意的是，由于N719和TiO2之間的電子轉(zhuǎn)移通道是由這個(gè)酯鍵來提供的，這個(gè)解析效應(yīng)會(huì)使得激發(fā)態(tài)染料不能及時(shí)有效地將光生電子注入TiO2導(dǎo)帶中，從而導(dǎo)致DSSC的電流密度減小，降低電池的光電轉(zhuǎn)換效率。另外，隨著TiO2膜浸染料時(shí)間的增長，TiO2膜的微觀結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生一定的變化，孔徑可能會(huì)變大，導(dǎo)致染料吸附量變小。因?yàn)橛醒芯勘砻鱐iO2膜表面孔徑超過4nm的比例越多，染料吸附量越大[3]。

(2) J-V曲線分析

圖2 不同浸染料時(shí)間的DSSC的J-V曲線

圖2是制備的TiO2膜分別于染料中浸泡1h，2h，3h和4h所制得的DSSC的J-V曲線圖。從該圖可看出，隨浸染料時(shí)間的增加，Jsc先增大后減小，當(dāng)浸染料時(shí)間為3h時(shí)，DSSC的Jsc較大，為4.46mA/cm2。這是因?yàn)槿玖衔搅渴请S著浸染料時(shí)間的增加，而先增大后減小，導(dǎo)致光生電子數(shù)先增多后減少，且當(dāng)浸染料時(shí)間為3h時(shí)，染料吸附量較大，光生電子數(shù)就較多；當(dāng)浸染料時(shí)間大于3h時(shí)，Jsc減小，可能有兩個(gè)原因：一是由于染料吸附量的減少，使得光生電子數(shù)減小，從而使得Jsc減??；另一個(gè)原因是隨著TiO2膜在染料溶液中浸泡時(shí)間的增長，TiO2膜的骨架不再那么牢固，使得膜的電阻增大，從而導(dǎo)致Jsc減小。

(3) 光電轉(zhuǎn)化效率η和最大功率密度Pm的分析

圖3表明了電池的光電轉(zhuǎn)換效率η和最大功率密度Pm隨著浸染料時(shí)間的變化。當(dāng)浸染料時(shí)間小于等于3h時(shí)，η隨浸染料時(shí)間的增大而增大，直到浸染料時(shí)間為3h時(shí)，η較大，分別為η=2.014%和Pm= 2.014mW/cm2。然后隨浸染料時(shí)間的增加，電池的光電轉(zhuǎn)換效率和最大功率密度減小。光電轉(zhuǎn)換效率和最大功率密度之所以發(fā)生這種變化，是因?yàn)殡S著浸染料時(shí)間的變化，膜的微觀結(jié)構(gòu)發(fā)生了變化，不但改變了染料吸附量，而且還改變了TiO2膜的電阻。染料吸附量的變化直接導(dǎo)致光生電子數(shù)的變化，從而改變電流，進(jìn)一步改變了光電轉(zhuǎn)換效率和最大功率密度；TiO2膜電阻的改變導(dǎo)致在相同電壓下，電池的電流不同，從而導(dǎo)致光電轉(zhuǎn)換效率和最大功率密度的變化。當(dāng)浸染料時(shí)間為3h時(shí)做成的電池，光電轉(zhuǎn)換性能較好。

圖3 光電轉(zhuǎn)化效率(η)和最大功率密度(Pm)與浸染料時(shí)間的關(guān)系曲線

2 結(jié)論

本節(jié)采用刮刀法制備TiO2膜，通過改變浸染料的時(shí)間觀察其對(duì)DSSC性能的影響，發(fā)現(xiàn)隨著浸染料時(shí)間的增加，染料吸附量先增大后減小，當(dāng)浸染料時(shí)間為3h時(shí)，染料吸附量較大。通過比較四種電池的J-V曲線發(fā)現(xiàn)，隨著浸染料時(shí)間的增加，短路電流密度、最大功率密度和光電轉(zhuǎn)換效率都是先增大后減小，在浸染料時(shí)間為3h時(shí)，獲得較大光電轉(zhuǎn)換效率為2.014%，說明了浸染料時(shí)間為3h時(shí)，DSSC的性能較好。

[1] Regan O. Gr?tzel M. A low cost and high efficiency solar cell based on dye-sensitized colloidal TiO2films[J] .Nature, 1991, 353: 737- 740.

[2] Meyer T J，Meyer G J，Pfennig B Wetal. Moleeular-levelelectrontrans ferand exeitedstateassembliesonsurfaeesonmetaloxidesandglass[J].Inorg Chem，1994，33(18):3952一3964.

[3] Hwang Kyung Jun, Shim Wang Geun, Jung Sung Hoon, et al. Analysis of adsorption properties of N719 dye molecules on nanoporous TiO2surface for dye-sensitized solar cell[J].Applied Surface Science, 2010, 256: 5428- 5433.

(本文文獻(xiàn)格式：于 敏，王傳嶺.浸染料時(shí)間對(duì)DSSC性能的影響[J].山東化工，2016，45(08)：85-87.)

2016-02-26

于 敏(1985—)，女，山東泰安人，助教，從事電池研究。

TM914.4

B

1008-021X(2016)08-0085-02