青藏高原格?；ㄖ参锷孛艋柲茈姵匮芯?/h1>
2018-04-29 00:00:00李勇李子璇
河南科技 2018年10期
摘 要：本文從西藏特有的天然植物，龍膽花、格?；ㄖ刑崛∩?，對比色素紫外-可見吸收光譜，發(fā)現(xiàn)兩種色素吸收光譜形狀極為類似，但格?；ㄝ^龍膽花有較強的吸光性能。利用格?；ㄉ刂苽淞巳玖厦艋柲茈姵兀﹄姵匦阅軈?shù)進行了測試，得到電池的短路電流密度為0.360mA/cm2，開路電壓為470mV，光電轉(zhuǎn)化效率為0.121。
關(guān)鍵詞：格?；?；龍膽花；染料敏化太陽能電池
中圖分類號：TM914.4 文獻標識碼：A 文章編號：1003-5168（2018）10-0148-02
Tibet Ge Sanghua plant pigment Sensitized Solar Cell
LI Yong1 LI Zixuan2
（1. School of Since， Tibet University，Lhasa Tibet 850000；2. Medical School， Tibet University，Lhasa Tibet 850000）
Abstract： In this study， we extracted pigment from natural plants of Tibet， Gentiana and Ge Sanghua， and compared the UV Vis absorption spectra of pigments. It was found that the absorption spectra of two kinds of pigments were very similar， but Ge Sanghua had stronger absorbance than Gentiana flowers. Dye-sensitized solar cells were prepared by Ge Sanghua pigments. The performance parameters of the dye-sensitized solar cells were tested. The short circuit current density of the solar cells was 0.360 mA/cm2， the open circuit voltage was 470 mV， and the photoelectric conversion efficiency was 0.121
Keywords： Ge Sanghua；Gentiana；dye-sensitized solar cell
太陽能是取之不盡，用之不竭的，對環(huán)境污染小，開發(fā)成本低，不受地域限制，是當前最具有發(fā)展前景的能源之一。染料敏化太陽能電池作為一種新型的太陽能電池，具有制作工藝簡單，生產(chǎn)成本低的天然優(yōu)勢，而且其理論光電轉(zhuǎn)化效率高，是當前最具有開發(fā)潛力的太陽能電池之一。但是，與硅太陽能電池、薄膜太陽能電池相比，染料敏化太陽能電池的光電轉(zhuǎn)化效率依然不高，因此，需要著力提升染料敏化太陽能電池的光電轉(zhuǎn)化效率，而發(fā)展新型、高效的敏化劑是提高該種電池光電轉(zhuǎn)化效率的關(guān)鍵[1]。本研究擬從西藏特有的天然植物——龍膽花、格桑花中提取色素，對比色素紫外-可見吸收光譜，選出吸收效果好的色素，并將色素用作染料敏化太陽能電池的敏化劑，制備燃料敏化太陽能電池，以期發(fā)現(xiàn)高效的敏化劑，大幅提升染料敏化太陽能電池光電轉(zhuǎn)化效率。
1 實驗準備及實驗方法
實驗中所用到的龍膽花采自米拉山口，格?；ú勺岳_市周邊。將所采摘植物陰干后搗碎，各稱取3.00g，分別投入裝有30ml甲醇容器中，超聲60min，然后加入30ml二氯甲烷，浸泡48h，分別取提取液進行實驗。
2 實驗結(jié)果及分析
2.1 天然染料的紫外-可見吸收光譜
將龍膽花、格?；ǖ奶崛∫悍謩e稀釋100倍，然后進行紫外-可見吸收光譜實驗，實驗結(jié)果表明，兩種植物色素吸收光譜非常相似，吸收峰值均出現(xiàn)在[λ]=330nm處。龍膽花的吸收峰值為1.6A，格桑花的吸收峰值為2.0A，所以，格?；ê妄埬懟ㄖ饕獙梢姽庥休^強吸收，其中格?；ㄉ貙庥休^強的吸收能力。因格?；ㄓ休^強吸收，考慮選這種色素作為敏化劑組裝DSC。
染料敏化太陽能電池主要由導(dǎo)電基板、附著有敏化劑的TiO2多孔納米晶薄膜、電解質(zhì)溶液和電極組成。染料敏化太陽能電池的基本原理是：太陽光被敏化劑吸收，敏化劑受光激發(fā)產(chǎn)生電子注入TiO2的傳導(dǎo)導(dǎo)帶中，經(jīng)傳導(dǎo)在導(dǎo)電玻璃上富集，經(jīng)外電路傳導(dǎo)到對電極；在對電極上，電子與電解質(zhì)的電子受體反應(yīng)，轉(zhuǎn)化為電子供體；電子供體與氧化鈦的敏化劑反應(yīng)，使染料得以再生，從而完成一個光電化學(xué)循環(huán)。其中，染料敏化劑起著吸收光子激發(fā)電子的作用，其性能的優(yōu)劣直接影響染料敏化太陽能電池的性能，因此，選擇光吸收性能好的敏化劑所組裝的染料敏化太陽能電池是其獲得良好性能的必要條件之一。
2.2 格?；ㄉ孛艋柲茈姵匦阅軠y試
根據(jù)諾桑和韓榮榮[2，3]的研究組裝染料敏化太陽能電池，采用絲網(wǎng)印刷法在導(dǎo)電玻璃上制備負極，并充分吸附染料色素，采用電鍍法在導(dǎo)電玻璃上制備鉑對電極，電解液的主要成分為0.05mol/L的碘和0.5mol/L的碘化鋰，溶劑為乙腈。使制備好的格?；ㄉ孛艋柲茈姵剡M行光電性能測試，結(jié)果如表1。
該結(jié)果表明，格?；ㄉ孛艋柲茈姵剞D(zhuǎn)化效率較低，轉(zhuǎn)化效率除了和色素對光的吸收有關(guān)外，同時還受TiO2對色素的吸附方式的影響，具體的影響原理有待進一步研究。但是，由于格桑花色素敏化太陽能電池效率較低，有待進一步發(fā)現(xiàn)其他高轉(zhuǎn)化效率色素，并進行深入研究。染料在染料敏化太陽能電池中具有非常重要的作用，但其重要作用的發(fā)揮同時受其他因素的制約，大量研究表明：性能良好的敏化劑需要滿足以下條件[4-5]。①對可見光和紅外光應(yīng)具有較強的吸收。②染料分子應(yīng)能較好地吸附在納米晶TiO2表面；染料的LUMO能級應(yīng)與半導(dǎo)體的導(dǎo)帶相匹配；染料的LUMO能級應(yīng)高于TiO2導(dǎo)帶邊緣的能量，且需要有良好的軌道重疊以利于電子注入。
3 結(jié)論
實驗提取了西藏龍膽花和格?；ㄖ参锷?，對比了龍膽花和格桑花色素的紫外-可見光吸收光譜，發(fā)現(xiàn)兩種色素吸收光譜形狀極為類似，但格?；ㄝ^龍膽花有較強的吸光性能。利用格?；ㄉ刂苽淞巳玖厦艋柲茈姵?，并對電池性能參數(shù)進行了測試，得到電池的短路電流密度為0.360mA/cm2，開路電壓為470mV，光電轉(zhuǎn)化效率為0.121，轉(zhuǎn)化效率較低。
參考文獻：
[1]肖旭東，楊春雷.薄膜太陽能電池[M].北京：科學(xué)出版社，2014.
[2]諾桑，措加旺姆，次仁，等.天然色素染料敏化太陽能電池的制備[J].材料導(dǎo)報，2013（S2）：120-122.
[3]韓榮榮，楊桂軍，王剛，等.用于染料敏化太陽能電池的4種高原植物染料性能研究[J].材料導(dǎo)報，2014（18）：37-40.
[4] Ardo S，Meyer G J. Photodriven heterogeneous charge transfer with transition-metal compounds anchored to TiO2 semiconductor surfaces[J]. Chemical Society Reviews， 2009（1）：115-64.
[5]Cherian S，WamserCC.Adsorption and photoactivity of Tetra（4-car boxyphenyl）porphyrin（TCPP）on Nanoparticalate Tio2[J].The Journal of physical Chemistry B，2000（15）：3624-3629.
摘 要：本文從西藏特有的天然植物，龍膽花、格?；ㄖ刑崛∩?，對比色素紫外-可見吸收光譜，發(fā)現(xiàn)兩種色素吸收光譜形狀極為類似，但格?；ㄝ^龍膽花有較強的吸光性能。利用格?；ㄉ刂苽淞巳玖厦艋柲茈姵兀﹄姵匦阅軈?shù)進行了測試，得到電池的短路電流密度為0.360mA/cm2，開路電壓為470mV，光電轉(zhuǎn)化效率為0.121。
關(guān)鍵詞：格?；?；龍膽花；染料敏化太陽能電池
中圖分類號：TM914.4 文獻標識碼：A 文章編號：1003-5168（2018）10-0148-02
Tibet Ge Sanghua plant pigment Sensitized Solar Cell
LI Yong1 LI Zixuan2
（1. School of Since， Tibet University，Lhasa Tibet 850000；2. Medical School， Tibet University，Lhasa Tibet 850000）
Abstract： In this study， we extracted pigment from natural plants of Tibet， Gentiana and Ge Sanghua， and compared the UV Vis absorption spectra of pigments. It was found that the absorption spectra of two kinds of pigments were very similar， but Ge Sanghua had stronger absorbance than Gentiana flowers. Dye-sensitized solar cells were prepared by Ge Sanghua pigments. The performance parameters of the dye-sensitized solar cells were tested. The short circuit current density of the solar cells was 0.360 mA/cm2， the open circuit voltage was 470 mV， and the photoelectric conversion efficiency was 0.121
Keywords： Ge Sanghua；Gentiana；dye-sensitized solar cell
太陽能是取之不盡，用之不竭的，對環(huán)境污染小，開發(fā)成本低，不受地域限制，是當前最具有發(fā)展前景的能源之一。染料敏化太陽能電池作為一種新型的太陽能電池，具有制作工藝簡單，生產(chǎn)成本低的天然優(yōu)勢，而且其理論光電轉(zhuǎn)化效率高，是當前最具有開發(fā)潛力的太陽能電池之一。但是，與硅太陽能電池、薄膜太陽能電池相比，染料敏化太陽能電池的光電轉(zhuǎn)化效率依然不高，因此，需要著力提升染料敏化太陽能電池的光電轉(zhuǎn)化效率，而發(fā)展新型、高效的敏化劑是提高該種電池光電轉(zhuǎn)化效率的關(guān)鍵[1]。本研究擬從西藏特有的天然植物——龍膽花、格桑花中提取色素，對比色素紫外-可見吸收光譜，選出吸收效果好的色素，并將色素用作染料敏化太陽能電池的敏化劑，制備燃料敏化太陽能電池，以期發(fā)現(xiàn)高效的敏化劑，大幅提升染料敏化太陽能電池光電轉(zhuǎn)化效率。
1 實驗準備及實驗方法
實驗中所用到的龍膽花采自米拉山口，格?；ú勺岳_市周邊。將所采摘植物陰干后搗碎，各稱取3.00g，分別投入裝有30ml甲醇容器中，超聲60min，然后加入30ml二氯甲烷，浸泡48h，分別取提取液進行實驗。
2 實驗結(jié)果及分析
2.1 天然染料的紫外-可見吸收光譜
將龍膽花、格?；ǖ奶崛∫悍謩e稀釋100倍，然后進行紫外-可見吸收光譜實驗，實驗結(jié)果表明，兩種植物色素吸收光譜非常相似，吸收峰值均出現(xiàn)在[λ]=330nm處。龍膽花的吸收峰值為1.6A，格桑花的吸收峰值為2.0A，所以，格?；ê妄埬懟ㄖ饕獙梢姽庥休^強吸收，其中格?；ㄉ貙庥休^強的吸收能力。因格?；ㄓ休^強吸收，考慮選這種色素作為敏化劑組裝DSC。
染料敏化太陽能電池主要由導(dǎo)電基板、附著有敏化劑的TiO2多孔納米晶薄膜、電解質(zhì)溶液和電極組成。染料敏化太陽能電池的基本原理是：太陽光被敏化劑吸收，敏化劑受光激發(fā)產(chǎn)生電子注入TiO2的傳導(dǎo)導(dǎo)帶中，經(jīng)傳導(dǎo)在導(dǎo)電玻璃上富集，經(jīng)外電路傳導(dǎo)到對電極；在對電極上，電子與電解質(zhì)的電子受體反應(yīng)，轉(zhuǎn)化為電子供體；電子供體與氧化鈦的敏化劑反應(yīng)，使染料得以再生，從而完成一個光電化學(xué)循環(huán)。其中，染料敏化劑起著吸收光子激發(fā)電子的作用，其性能的優(yōu)劣直接影響染料敏化太陽能電池的性能，因此，選擇光吸收性能好的敏化劑所組裝的染料敏化太陽能電池是其獲得良好性能的必要條件之一。
2.2 格?；ㄉ孛艋柲茈姵匦阅軠y試
根據(jù)諾桑和韓榮榮[2，3]的研究組裝染料敏化太陽能電池，采用絲網(wǎng)印刷法在導(dǎo)電玻璃上制備負極，并充分吸附染料色素，采用電鍍法在導(dǎo)電玻璃上制備鉑對電極，電解液的主要成分為0.05mol/L的碘和0.5mol/L的碘化鋰，溶劑為乙腈。使制備好的格?；ㄉ孛艋柲茈姵剡M行光電性能測試，結(jié)果如表1。
該結(jié)果表明，格?；ㄉ孛艋柲茈姵剞D(zhuǎn)化效率較低，轉(zhuǎn)化效率除了和色素對光的吸收有關(guān)外，同時還受TiO2對色素的吸附方式的影響，具體的影響原理有待進一步研究。但是，由于格桑花色素敏化太陽能電池效率較低，有待進一步發(fā)現(xiàn)其他高轉(zhuǎn)化效率色素，并進行深入研究。染料在染料敏化太陽能電池中具有非常重要的作用，但其重要作用的發(fā)揮同時受其他因素的制約，大量研究表明：性能良好的敏化劑需要滿足以下條件[4-5]。①對可見光和紅外光應(yīng)具有較強的吸收。②染料分子應(yīng)能較好地吸附在納米晶TiO2表面；染料的LUMO能級應(yīng)與半導(dǎo)體的導(dǎo)帶相匹配；染料的LUMO能級應(yīng)高于TiO2導(dǎo)帶邊緣的能量，且需要有良好的軌道重疊以利于電子注入。
3 結(jié)論
實驗提取了西藏龍膽花和格?；ㄖ参锷?，對比了龍膽花和格桑花色素的紫外-可見光吸收光譜，發(fā)現(xiàn)兩種色素吸收光譜形狀極為類似，但格?；ㄝ^龍膽花有較強的吸光性能。利用格?；ㄉ刂苽淞巳玖厦艋柲茈姵?，并對電池性能參數(shù)進行了測試，得到電池的短路電流密度為0.360mA/cm2，開路電壓為470mV，光電轉(zhuǎn)化效率為0.121，轉(zhuǎn)化效率較低。
參考文獻：
[1]肖旭東，楊春雷.薄膜太陽能電池[M].北京：科學(xué)出版社，2014.
[2]諾桑，措加旺姆，次仁，等.天然色素染料敏化太陽能電池的制備[J].材料導(dǎo)報，2013（S2）：120-122.
[3]韓榮榮，楊桂軍，王剛，等.用于染料敏化太陽能電池的4種高原植物染料性能研究[J].材料導(dǎo)報，2014（18）：37-40.
[4] Ardo S，Meyer G J. Photodriven heterogeneous charge transfer with transition-metal compounds anchored to TiO2 semiconductor surfaces[J]. Chemical Society Reviews， 2009（1）：115-64.
[5]Cherian S，WamserCC.Adsorption and photoactivity of Tetra（4-car boxyphenyl）porphyrin（TCPP）on Nanoparticalate Tio2[J].The Journal of physical Chemistry B，2000（15）：3624-3629.
