基于染料敏化太陽能電池光電性能影響因素的研究設計性實驗設計

楊廣武

(中國石油大學(華東) 理學院, 山東 青島 266580)

隨著新能源在我國國民經(jīng)濟中的地位日益攀升,新能源行業(yè)的人才需求日趨增長[1-4]。2010年教育部首次批準浙江大學、華北電力大學等11所大學開設“新能源科學與工程”專業(yè)和“新能源材料與器件”專業(yè),截至2018年,全國開設新能源專業(yè)的高校已經(jīng)達到80所[5]。新能源相關專業(yè)立足于國家“十二五”發(fā)展規(guī)劃,根據(jù)能源領域的發(fā)展趨勢和國民經(jīng)濟發(fā)展需要,培養(yǎng)在風能、太陽能、地熱、生物質(zhì)能等新能源領域從事相關工程技術領域的開發(fā)研究、工程設計、優(yōu)化運行及生產(chǎn)管理工作的跨學科復合型高級工程技術人才,以滿足國家戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展對新能源領域教學、科研、技術開發(fā)、工程應用、經(jīng)營管理等方面的專業(yè)人才需求[6-7]。然而,由于開設時間較晚,我國的新能源專業(yè)建設還處于起步階段,需要不斷研究與探索[8-10]。針對新能源專業(yè)的實驗教學的改革勢在必行。研究型設計性實驗需要學生靈活地、創(chuàng)造性地運用所學的基礎知識和基本技能,去尋找和探索解決問題的最佳途徑,能夠充分調(diào)動學生學習的興趣和積極性,培養(yǎng)學生的動手能力、創(chuàng)新能力及綜合運用知識的能力,縮短理論知識與實踐應用的距離,引導學生由知識學習向科學研究的初步轉(zhuǎn)變[11-13]?；诖?在大量教學和科研的基礎上,以新能源專業(yè)的重要教學內(nèi)容之一“太陽能電池”為例,開發(fā)了研究型設計性實驗項目“染料敏化太陽能電池光電性能影響因素”,并從教學理念、教學方法、實驗內(nèi)容、訓練目標、教學環(huán)節(jié)等多個方面不斷優(yōu)化改革,取得了顯著的教學效果。

1 實驗內(nèi)容與訓練目標的設計原則

首先,遵循系統(tǒng)性原則,在實驗環(huán)節(jié)的選擇和安排上形成一個體系,使實驗內(nèi)容環(huán)環(huán)相扣,既不脫離理論教學要求,又能培養(yǎng)基本實驗技術；其次,堅持協(xié)調(diào)性原則。理論與實驗教學相互協(xié)調(diào)、相互促進和補充。最后,突出實踐性原則。實驗結(jié)果、方式和手段盡可能接近科研實際。因此,在“染料敏化太陽能電池光電性能影響因素”實驗的內(nèi)容和訓練目標的設計上,融入了材料制備方法、材料表征手段、器件組裝技術、性能測試方法等多種實驗方法,并合理地安排各訓練環(huán)節(jié),以全方位、系統(tǒng)地訓練和強化學生的各項能力(見圖1)。

圖1 實驗內(nèi)容與訓練目標設計示意圖

2 實驗的教學組織過程

以“研究性教學”為理念,構(gòu)建“探究性實驗教學模式”(見圖2)。從學生的已有知識、經(jīng)驗出發(fā),設置動態(tài)的、開放的實驗內(nèi)容和問題,要求學生通過自主探究了解現(xiàn)象、掌握規(guī)律并重視合作學習,通過團隊協(xié)作共同參與并體驗知識的獲得過程,構(gòu)建對事物的新認識。

圖2 研究型設計性實驗的教學組織過程

2.1 創(chuàng)設問題情境

通過創(chuàng)設情境,介紹實驗的主題、背景等,使教學信息具有新奇性,從而使學生產(chǎn)生好奇心和求知欲,激發(fā)其探究動機和興趣。

教學實例：教師介紹當前存在的能源和環(huán)境問題,以說明新能源發(fā)展的迫切性和必要性；介紹各種新能源技術,引出實驗的主題“染料敏化太陽能電池”。

2.2 提出存在問題

教師預先設計問題,逐步引導學生認識問題、提出問題。在設計問題時充分考慮學生的現(xiàn)有水平,與學生已有的知識經(jīng)驗相聯(lián)系。學生先了解一些,但僅憑已有知識又不能完全解決,在這個結(jié)合點上產(chǎn)生問題,最能激發(fā)學生的認識沖突,最能有效地驅(qū)使其有目的地去探究。

教學實例：教師引導學生考慮：“染料敏化太陽能電池從本質(zhì)上作為一種電源器件,其最重要的性能參數(shù)包括哪些？”學生基于已有知識,總結(jié)出電流、電壓等參數(shù),并在教師的引導下,修正為光電流、光電壓、光電轉(zhuǎn)化效率等。此時教師進一步引導學生思考影響這些參數(shù)(光電性能)的因素都包括哪些？從而引出實驗內(nèi)容“染料敏化太陽能電池光電性能影響因素”。

2.3 商討解決方案

學生圍繞實驗內(nèi)容進行討論,并在教師的引導下形成一致的思想和意見,自發(fā)組建4人左右的實驗團隊,確定要研究的課題,然后進行研究計劃和實驗實施方案的制訂。要求學生根據(jù)自己對具體問題的理解,充分利用已有知識和經(jīng)驗,結(jié)合有關的知識,獨立地、創(chuàng)造性地進行分析、判斷和探索解決方案。

教學實例：影響染料敏化太陽能電池光電性能的主要因素包括二氧化鈦晶型、染料敏化劑種類、染料與太陽光譜的匹配程度、染料的吸附量、電解液濃度、電解液電位等。學生基于對染料敏化太陽能電池的理解以及所掌握的基礎知識,都能夠討論得出大部分影響因素。學生基于對研究某一影響因素的興趣,自發(fā)組隊并確立研究課題。例如,A小組研究“二氧化鈦晶型對光電性能的影響規(guī)律”,B小組研究“染料敏化劑種類對光電性能的影響規(guī)律”等。小組成員根據(jù)所立課題的目的要求、預期結(jié)果,結(jié)合專業(yè)知識、實驗能力以及實驗條件,制定出詳細的實驗內(nèi)容、方法和計劃,并與指導教師討論,確定最終的實驗方案。以B小組的研究課題為例,學生最終修改制定的內(nèi)容模板參考如下：

研究課題：染料敏化劑種類對光電性能的影響規(guī)律。

實驗目的：獲得N719與Z907兩種不同染料對太陽能電池光電性能的影響規(guī)律。

儀器試劑：N719染料、Z907染料、FTO導電玻璃,以及其他制備染料敏化太陽能電池所需關鍵材料(TiO2漿料、電解液、氯鉑酸等)、絲網(wǎng)印刷機、紫外可見分光光度計、太陽能電池I-V特性測試系統(tǒng)、太陽能電池IPCE測試系統(tǒng)等。

技術路線：

(1) 切割、清洗FTO導電玻璃?？套止P做編號標記后,用萬用表辨別FTO的導電面,從導電面切割FTO導電玻璃(建議尺寸為2 cm×3 cm)4片。首先用洗衣粉輕輕搓洗FTO,然后分別在去離子水、無水乙醇中超聲清洗3～5 min,用聚四氟乙烯鑷子夾住吹干,備用。

(2) TiO2膜電極的制備。采用絲網(wǎng)印刷技術在FTO表面印刷TiO2漿料,靜置除去表面缺陷,125 ℃干燥后,測量TiO2薄膜的厚度。通過重復上述“印刷—靜置—干燥”步驟,控制TiO2薄膜厚度。將TiO2薄膜進行125～500 ℃的分段升溫熱處理。冷卻至室溫后,即得到多孔TiO2膜電極。

(3) 染料敏化劑溶液的配制。分別配制N719染料、Z907染料的乙醇溶液待用。

(4) 染料敏化劑的吸附。經(jīng)過煅燒后的多孔TiO2膜電極冷卻到80 ℃左右,浸入上述染料敏化劑溶液中,浸泡12 h后取出,在乙醇中浸泡20 min左右,取出沖洗后晾干,即獲得染料敏化的TiO2電極。

(5) Pt對電極制備。采用熱解法制備Pt對電極。在導電玻璃上滴一滴氯鉑酸的乙醇溶液,待其擴散均勻并揮發(fā)掉乙醇后,450 ℃下熱解30 min。為了方便電池封裝時電解液的填充,預先用鉆孔機在對電極上鉆孔。

(6) 電池組裝。電池在進行光電性能測試之前均封裝。將量子點敏化的TiO2膜電極和Pt對電極用熱熔化Surlyn樹脂薄膜黏結(jié)起來,然后將電解液從Pt對電極預留的小孔中注入,再用Surlyn樹脂薄膜將小孔密封,即得到染料敏化太陽能電池器件。

(7) 電池檢測。采用太陽能電池I-V特性測試系統(tǒng)測試器件的短路電流、開路電壓、填充因子以及能量轉(zhuǎn)換效率等；采用太陽能電池IPCE測試系統(tǒng)測試器件的量子效率。

(8) 不同染料對染料敏化太陽能電池光電性能的影響規(guī)律。分別測定N719、Z907兩種不同染料溶液的紫外可見光吸收光譜,確定其吸光特性；分別測定基于2種不同染料所組裝的太陽能電池的光電性能。分析染料結(jié)構(gòu)、吸光特性對太陽能電池光電性能的影響規(guī)律。

2.4 進行實驗驗證

各個實驗小組按照制定的實驗方案、實驗方法、實驗步驟進行,小組成員之間合理分工,實施實驗,隨時記錄實驗的現(xiàn)象、結(jié)果、數(shù)據(jù)等。指導教師隨時觀察各個小組的實驗情況,進行必要的指導、糾正、引導,以保證實驗順利有序進行。

2.5 結(jié)果與討論

對實驗獲得的原始數(shù)據(jù)進行分析與處理,總結(jié)數(shù)據(jù),得出結(jié)論,分析規(guī)律或原因；同時對實驗中出現(xiàn)的問題或發(fā)生的現(xiàn)象做出理論解釋、說明。結(jié)論內(nèi)容要求嚴謹、精練、準確。

主要數(shù)據(jù)及分析過程如下：

(1) 分子結(jié)構(gòu)分析。學生通過資料檢索,獲得N719染料、Z907染料的分子結(jié)構(gòu),并分析其結(jié)構(gòu)特點及對太陽光吸收和光電性能的影響。從圖3中可以看出，N719和Z907均為釕配合物,該結(jié)構(gòu)類型的分子在可見區(qū)具有強而寬的金屬中心到配體的電荷躍遷,適于作光敏化劑。2種染料的分子結(jié)構(gòu)中都具有2, 2′-聯(lián)吡啶單元,該結(jié)構(gòu)單元上的羧酸基團可以與二氧化鈦表面的羥基鍵合,使染料吸附到二氧化鈦的表面上。其作用原理是：染料吸收可見光后,能夠從基態(tài)躍遷到最低激發(fā)態(tài),即電子由金屬中心的d軌道躍遷到配體4, 4′-二羧酸-2, 2′-聯(lián)吡啶的π軌道,緊接著電子就會以飛秒到皮秒級的速度注入到二氧化鈦的導帶,并傳輸?shù)酵怆娐?形成光電流。N719染料與Z907染料分子結(jié)構(gòu)的主要不同點在于：N719染料中,2個聯(lián)吡啶單元上各有一個質(zhì)子被四丁基胺(TBA)取代,而Z907染料中,其中一個聯(lián)吡啶單元上的2個羧基被長鏈烷烴取代。

圖3 N719染料(a)、Z907染料(b)的分子結(jié)構(gòu)

(2) 吸光特性分析。學生對N719染料、Z907染料的紫外可見吸收光譜曲線做出分析,對比分析2種染料的吸光范圍、吸收峰位置、吸收強度等。從圖4中可以看出，N719染料與Z907染料均能夠在可見光范圍內(nèi)產(chǎn)生明顯的吸收,吸光范圍和吸光區(qū)域基本相同。N719染料的吸光強度更高,吸收峰位置也Z907染料藍移10 nm左右。

(3) 量子效率分析。由電池的IPCE曲線可以看出染料對太陽光不同波段的轉(zhuǎn)化情況。學生對N719染料、Z907染料的IPCE曲線做出分析,對比兩種染料在主要吸光范圍內(nèi)的入射單色光子-電子轉(zhuǎn)化效率,從圖5中可以看出，N719染料與Z907染料均在可見光范圍內(nèi)具有較高的單色光轉(zhuǎn)化效率。N719染料的高單色光轉(zhuǎn)化效率的范圍更寬,大約在450～650 nm,而Z907染料的高單色光轉(zhuǎn)化效率的范圍要窄一些,大約在500～600 nm之間。

圖4 N719染料、Z907染料的紫外可見吸收光譜曲線

圖5 N719染料、Z907染料的IPCE曲線

(4) 光電性能分析。由I-V曲線可以獲得太陽能電池的光電性能參數(shù),如開路電壓(VOC)、短路電流(JSC),填充因子(FF)以及光電轉(zhuǎn)換效率(η),學生據(jù)此分析N719染料、Z907染料對光電性能的影響。從圖6及表1中可以看出，N719染料與Z907染料均具有較高的光電轉(zhuǎn)化效率,基于2種染料所組裝的太陽能電池具有相近的光電性能參數(shù)。N719染料的光電轉(zhuǎn)化效率更高,主要是因為采用N719染料的太陽能電池具有較高的光電流。

圖6 N719染料、Z907染料的I-V曲線

CellJSC/(mA·cm-2)VOC /VFF /%η/%N71914.720.72687.46Z90712.650.68696.09

2.6 質(zhì)疑與評定

不同小組之間分享成果,相互進行質(zhì)疑、評定。

以上主要以“染料敏化劑種類對光電性能的影響規(guī)律”課題為例示意了研究型設計性實驗的基本程序、設計方法和教學過程。由于影響染料敏化太陽能電池的因素很多,因此學生可以有充分的思考空間,從TiO2納米顆粒的制備方法、晶型結(jié)構(gòu)、TiO2膜電極的厚度、染料吸附量、電池面積以及環(huán)境溫度等各個方面確立課題,實施實驗。

3 結(jié)語

太陽能開發(fā)與利用技術是當今新能源研究的熱點和重要領域,“染料敏化太陽能電池光電性能影響因素”實驗有利于激發(fā)學生的學習熱情和科研興趣。將其設計為研究型設計性實驗項目,使學生經(jīng)歷文獻調(diào)研、團隊組建、實驗設計、實驗操作、數(shù)據(jù)分析、結(jié)論總結(jié)、報告撰寫、實驗答辯等一整套科研訓練過程,有效提高了學生綜合運用知識的能力和科研能力,尤其是以學生為主體確立實驗課題及實驗方案的“探究性實驗教學模式”,極大提高了學生的獨立思考能力和創(chuàng)新意識。近年來,依托各類研究型設計性實驗項目的建設和教學,中國石油大學(華東)新能源方向的實驗教學和人才培養(yǎng)質(zhì)量得到了極大的提高。