创新型实验II-材料化学实验 创新型实验II-材料化学实验 实验一 染料敏化太阳电池的制作与性能测试 实验二 反相乳液聚合制备聚丙烯酰胺絮凝剂 实验三 BaTiO3系PTC陶瓷材料的制备与测试 实验四 微波辅助水热合成微孔聚合物MOF-5 实验五 BaTiO3纳米粉的溶胶-凝胶法制备及表征
创新型实验II-材料化学实验 制作人 ：刘 斌 实验一 染料敏化太阳电池的制作与性能测试 实验五 染料敏化太阳电池的制作与性能测试 实验一 染料敏化太阳电池的制作与性能测试 实验五 染料敏化太阳电池的制作与性能测试 制作人 ：刘 斌 太阳能草坪灯 卫星电池板
实验目的 1 了解光电转化材料的应用及其发展； 2 掌握染料敏化TiO2太阳电池的光电转化机理； 3 掌握TiO2纳晶多孔膜的制备技术； 4 学习光伏电池的测试技术及其原理。
染料敏化纳米晶太阳能电池的结构及工作原理： 实验原理 染料敏化纳米晶太阳能电池的结构及工作原理： 染料 染料 TiO2 TiO2
光合成 染料敏化电池 传统电池 光阳极 电解液 对电极 CO2 e e Sugar H2O O2 导 电 玻 璃 二 氧 化 钛 光 敏 染 Pt H2O 光阳极 电解液 对电极 O2
工作原理： DSSC电池三部分： 工作电极：在导电玻璃上制备一层多孔半导体膜，然后再将染料分子吸附在多孔膜中, 构成工作电极。 电解质： I-/I3-乙腈溶液，液态也/准固态/全固态的。 对电极： 镀有一层铂的导电玻璃。 工作原理： ① 染料(S)受光激发由基态跃迁到激发态(S*)： S + hv → S* ② 激发态染料分子将电子注入到半导体的导带中: S* → S+ + e- (CB) ③ I-离子还原氧化态染料可以使染料再生： 3I- + 2S+ → I3- + S ④ 导带中的电子与氧化态染料之间的复合： S+ + e- (CB) → S
⑤ 导带(CB)中的电子在纳米晶网络中传输到后接触面: e-(CB) → e-(BC) ，之后而流入到外电路中。 ⑥ 纳米晶膜中传输的电子与进入二氧化钛膜孔中的I3-离子复合： I3- + 2e- (CB) → 3I- ⑦ I3-离子扩散到对电极(CE)上得到电子再生： I3- + 2e- (CE) → 3I-
实验过程 1. 电解质配制：称取一定量的KI、I2及丙烯碳酸酯(PC)，使KI和I2的浓度分别为0.5 mo1·L-1和0.05 mol·L-1，再加入等体积的叔丁基吡啶。 2. TiCl4冰水溶液：强烈搅拌下滴加适量TiCl4至冰水溶液中配制50 mmol L-1的溶液 。 3. FTO（1.8×2.5 cm2）导电玻璃分别用去污粉、丙酮、酒精超声清洗30分钟三次，烘干。将上述处理过的导电玻璃在50 mmol L-1的TiO2水溶液中70℃处理30 min，以增加TiO2层与导电玻璃的机械强度。
4. TiO2多孔膜的制备： 取P25粉体6. 0 g、6. 7%的硝酸10 mL和聚乙二醇(PEG-20000) 3 4. TiO2多孔膜的制备： 取P25粉体6.0 g、6.7%的硝酸10 mL和聚乙二醇(PEG-20000) 3.0 g混合，研钵研磨2小时后用500W细胞粉碎机超声分散4小时，得到的TiO2水溶胶在处理过的导电玻璃上涂布，用胶带的厚度控制膜厚。 5. 烧结: 将上述作TiO2膜60℃烘干30分钟, 10℃/分的速度升温至450℃恒温30分钟煅烧。将烧结的TiO2膜再次在50 mM TiCl4中70℃处理30 min ，用水和乙醇清洗并烘干，再次10℃/分的速度升温至450℃恒温30分钟煅烧。
6. TiO2膜着色：当炉温冷却到70-80℃时，将二氧化钛多孔膜电极 取出浸泡在制备好的染料溶液中，浸泡24小时，使多孔膜电极充分吸附染料分子。 7. 制作铂黑对电极：将同样大小的导电玻璃用蒸馏水、无水乙醇洗涤并吹干，旋涂3×10-3 mol·L-1 H2PtCl6的乙丙醇溶液至导电面，快速升温至390℃烧结15分钟。
8. 电池组装：小心的把浸在染料中24小时的二氧化钛多孔膜电极用镊子取出，用无水乙醇清洗晾干。把晾干或烘干后的二氧化钛多孔膜电极膜面朝上放在干净的实验台上，再将碳对电极面朝下放在着色膜上，两片玻璃微微错开，留出约4mm宽的导电部分作为电池测试用。用两个夹子把电池夹住。将整个电池倾斜放置，从一端的缝中滴入电解质。由于毛细管原理，电解质很快在两个电极间均匀扩散，直至充满整个电池。然后在其四周小心的涂上氰基丙烯酸盐粘合剂，待晾干后测试其性能。
Jsc=14.6 mA/cm2 Voc=700 mV ff=0.735 h=7.5%
注意事项 1、纳晶多孔膜的好坏决定效率, 为了能够得到好的多孔膜电极, 在胶体制备, 刮涂以及烧结等过重中要严格按照操作步骤进行, 否则很可能功亏一篑. 2、导电玻璃切割及清洗过程要小心谨慎, 一方面， 不可划伤玻璃的导电面，以及油物污染导电玻璃； 另一方面，要带手套，保护手不被划伤. 分析讨论 1. 查阅相关文献, 比较染料敏化太阳电池的光电转化机理与传统的硅电池光电转化机理有什么不同? 染料和TiO2各起什么作用? 2. 染料敏化太阳电池中TiO2半导体膜必须是纳米晶多孔膜, 这里的纳米和多孔怎么理解, 用商用的固体TiO2制作的致密膜能否用于敏化电池? 3. 参考背景知识, 谈一谈化学工作者在该领域可作出哪些贡献, 或者说在提高染料敏化太阳电池的效率方面, 哪些工作需要我们学化学的去完成?
谢谢大家