基于紫外線對染料敏化太陽能電池光電轉(zhuǎn)換效率的研究

何志權(quán)++拉巴次仁++何紅++胡堯++曹振鑫++張文輝++才旺頓珠

摘 要：利用N719染料和西藏拉薩格?；ㄌ烊簧厝玖厦艋瘎謩e制成N719染料敏化太陽能電池、格?；ㄌ烊簧谼SSC和N719染料與格?；ㄌ烊簧鼗旌系腄SSC。研制的DSSC分別與Arduino開源電子原型平臺連接，用365 nm的紫外光和拉薩自然光依次照射。實驗結(jié)果表明，N719染料與格桑花天然色素混合的DSSC光電轉(zhuǎn)換效率最高，達(dá)到4.6%。

關(guān)鍵詞：敏化劑 Arduino 轉(zhuǎn)換效率 染料敏化太陽能電池

中圖分類號：TM914 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-098X（2016）09（a）-0066-03

隨著經(jīng)濟(jì)社會的發(fā)展，人類對能源的需求量急劇增加。然而，地球上的煤炭、石油、天然氣、核能等一次性非再生常規(guī)能源面臨枯竭，加上煤炭等燃燒產(chǎn)生的二氧化碳、二氧化硫等氣體和粉塵在大氣中不斷積累，形成溫室效應(yīng)、酸雨和光化學(xué)煙霧，產(chǎn)生了一系列嚴(yán)重的環(huán)境污染問題。能源危機(jī)與環(huán)境問題已成為當(dāng)代人類社會面臨的重大經(jīng)濟(jì)問題[1]。太陽能作為取之不盡的環(huán)保能源，以其無污染、清潔可再生等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用[2]。如今，在太陽能電池市場領(lǐng)域，廣泛研發(fā)、推廣硅太陽能電池[3]，硅太陽能電池轉(zhuǎn)換效率較高，目前轉(zhuǎn)換效率能達(dá)到25%左右，但是硅太陽能電池生產(chǎn)成本高，導(dǎo)致不能大規(guī)模投入使用。與硅太陽能電池相比，研制染料敏化太陽能電池（Dye-sensitized solar cell，簡稱DSSC）所需要的原材料來源豐富、價格低廉以及理論轉(zhuǎn)換效率高，在大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)中體現(xiàn)出較大優(yōu)勢，DSSC的研制是緩解能源危機(jī)和環(huán)境污染的有效途徑，對實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展具有重要的意義[4-5]。

1991年，Michael Gr?tzel和Brian O，Regan發(fā)明DSSC，經(jīng)過20多年的不斷研制，在染料、電解質(zhì)、電極等方面取得很大進(jìn)展[6]。染料敏化劑的選擇很大程度上決定DSSC的光電轉(zhuǎn)化效率[7-8]。染料敏化劑分為有機(jī)和無機(jī)兩大類[9]，由于有機(jī)染料敏化劑中的卟啉酞菁染料和菁類染料和無機(jī)染料敏化劑中的金屬類染料工藝技術(shù)要求高、穩(wěn)定性差、轉(zhuǎn)化效率低等缺點(diǎn)，于是來源豐富、成本低的天然染料作為DSSC敏化劑被許多科研專家所開發(fā)研究[10]。

此實驗基于N719染料（雙（四丁基銨）二氫雙（異硫氰酸）雙（2，2′-聯(lián)吡啶-4，4′-二羧酸）釕（Ⅱ）染料，分子式：C58H86N8O8RuS2，呈現(xiàn)暗紅色，簡稱N719染料）與格?；ㄌ烊簧?，分別制成N719DSSC、格?；ㄌ烊簧谼SSC和N719染料——格桑花天然色素DSSC，并對這3種DSSC用自然光進(jìn)行照射，對它們的轉(zhuǎn)換效率進(jìn)行分析，為將來利用青藏高原植物天然色素制成轉(zhuǎn)換效率較高的DSSC提供理論依據(jù)。

1 實驗

1.1 實驗儀器設(shè)備和試劑材料

1.1.1 實驗儀器設(shè)備

分光光度計（752（手動）紫外可見分光光度計，上海菁華）、萬用表、數(shù)字電壓表、絲網(wǎng)印刷機(jī)（OPV-DSC-YSI，營口奧匹維特能源科技有限公司，營口）、365 nm燈具、Arduino開發(fā)板、紫外線傳感器和計算機(jī)。

1.1.2 試劑材料

N719染料2 mL（OPV-N719-D，營口奧匹維特能源科技有限公司，營口）、格?；ㄌ烊簧厝玖厦艋瘎? mL、無水乙醇、面積200 mm×150 mm的ITO導(dǎo)電玻璃（OPV-IT011-17，營口奧匹維特能源科技有限公司，營口）、電解質(zhì)2 mL。

1.2 DSSC的制備工藝

1.2.1 TiO2薄膜與N719染料DSSC光陽極的制備

當(dāng)前，制備納米多孔TiO2薄膜的方法主要有絲網(wǎng)印刷法、電泳法、直接涂覆法、高溫溶膠噴射沉積法、化學(xué)沉積法以及等離子噴涂法等，此實驗TiO2薄膜的制備采用絲網(wǎng)印刷法，絲網(wǎng)印刷法是由Kalyana-sundaram等將其引入該領(lǐng)域的[11]。其制備過程是利用絲網(wǎng)印刷技術(shù)制備納米級TiO2膠體膜，使膠體溶液在刮板的作用下通過網(wǎng)孔均勻地沉積在ITO基體上，形成納米級TiO2顆粒制備的薄膜。用10 mL無水乙醇將1 mL N719染料溶解，制成N719染料敏化劑，用分光光度計測量了其吸光度[12]。將涂有TiO2膜的導(dǎo)電玻璃用N719染料敏化劑浸泡30 min，制成DSSC光陽極（負(fù)極），如圖1所示。

1.2.2 格?；ㄌ烊簧谼SSC與N719染料——格?；ㄌ烊簧谼SSC光陽極的制備

提取天然色素的方法常見的有：有機(jī)溶劑提取法、堿液提取法、超臨界提取法、微波萃取法[13]。提取格?；ㄌ烊簧匮芯咳藛T采用有機(jī)溶劑提取法，將紅色的格?；ㄓ名}酸水溶液浸泡1 h除去雜質(zhì)，再用10 mL乙醇水溶液在40 ℃下浸提，經(jīng)過過濾、濃縮得到格?；ㄌ烊簧厝玖厦艋瘎?，將格?；ㄈ玖厦艋瘎┡cN719染料敏化劑1∶1混合，用分光光度計測量其吸光度。然后，分別將涂有TiO2膜的導(dǎo)電玻璃與之浸泡30 min，制成格?；ㄌ烊簧谼SSC光陽極和N719染料——格?；ㄌ烊簧谼SSC光陽極。

1.2.3 DSSC對電極的制備

用鉛筆將導(dǎo)電玻璃的導(dǎo)電面均勻涂黑，確保尺寸略大于TiO2膜的面積，以便完全覆蓋TiO2膜，作為DSSC的對電極（正極），如圖2所示。

1.2.4 組裝電池

將光陽極TiO2膜朝上放置到電池架內(nèi)，用12 mm×12 mm無塵紙覆蓋在光陽極表面，用吸管吸取適當(dāng)?shù)碾娊赓|(zhì)，均勻滴在無塵紙上，無塵紙全部浸透且無溢出（防止電池短路）。將對電極導(dǎo)電面朝下放置到電池架內(nèi)，用鋁膠帶將電池光陽極與電池對電極粘緊，最后用導(dǎo)線將電池串聯(lián)，DSC電池制作完畢。

2 測試結(jié)果

2.1 3種染料的吸光度與紫外線指數(shù)特性分析

為了測量拉薩的自然光下，3種染料的吸光度與紫外線指數(shù)之間的關(guān)系，研究人員利用Arduino開源電子原型平臺，由紫外線強(qiáng)度與紫外線指數(shù)的關(guān)系，編寫了間接測量自然光下紫外線指數(shù)程序。

程序如下：

void setup（）

{

Serial.begin（9600）；// open serial port， set the baud rate to 9600 bps

}

void loop（）

{

int sensorValue；

sensorValue = analogRead（0）；//connect UV sensors to Analog 0

Serial.println（sensorValue）；//print the value to serial

delay（200）；

}

通過計算機(jī)將程序燒錄到Arduino Uno，將紫外線傳感器與Arduino Uno連接，在溫度20 ℃下，進(jìn)行實時監(jiān)測紫外線指數(shù)。得到3種染料的乙醇溶液紫外線指數(shù)（Ultra Violet Index，UVI）-吸光度（absorbace，A）吸收譜，如圖3所示。

根據(jù)吸收譜可以看出，3種染料對紫外光都有一定的吸收，3種染料的乙醇溶液的吸光度總體向UVI增加的方向移動。N719染料——格?；ㄌ烊簧氐腄SSC吸光度在UVI0-6區(qū)間隨UVI增加而增長，在UVI6左右有一個吸收峰值，UVI6-8區(qū)間有一個降落，之后吸光度呈現(xiàn)快速上升的趨勢；N719染料吸光度總體略低于前者，在UVI7左右有一個吸收峰值；相比之下，格?；ㄌ烊簧氐奈舛鹊陀谇皟煞N染料敏化劑。

2.2 3種DSSC的伏安特性曲線特性分析

10月5日9：00～15：00，拉薩市西藏大學(xué)天氣少云、無塵、無雨雪冰霜、大氣透明度佳的情況下，利用電壓表和電流表每隔半小時記錄數(shù)據(jù)，得到了3種DSSC自然光下的伏安特性曲線，如圖4所示。

可以看出，N719染料——格?；ㄌ烊簧谼SSC的伏安特性曲線在其他兩種DSSC上方。N719DSSC最大電壓值能達(dá)到1.62 V，格?；ㄌ烊簧谼SSC最大電壓值能達(dá)到1.05 V，N719染料——格?；ㄌ烊簧谼SSC最大電壓值能達(dá)到2.11 V。表明在相同的條件下，以N719染料——格桑花天然色素DSSC的轉(zhuǎn)換效率為最高，光電轉(zhuǎn)換效率為4.6%。

3 結(jié)語

通過制作3種DSSC，實驗測試結(jié)果表明，N719染料與西藏格?；ㄌ烊簧?∶1混合制成的DSSC的光電轉(zhuǎn)換效率最高，達(dá)到4.6%。為以后進(jìn)一步研究西藏高原植物染料在DSSC光電轉(zhuǎn)換中的效率提供了實驗基礎(chǔ)。

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