周國華，王春燕，梅光軍，劉紅

（1.湖北工業(yè)大學(xué)化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，湖北武漢430064；2.武漢理工大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院，湖北武漢4300701）

紫甘藍(lán)天然染料敏化三氧化二鉍太陽能電池研究*

周國華1，王春燕1，梅光軍2，劉紅2

（1.湖北工業(yè)大學(xué)化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，湖北武漢430064；2.武漢理工大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院，湖北武漢4300701）

對(duì)紫甘藍(lán)天然染料敏化Bi2O3太陽能電池進(jìn)行了研究。考察了Bi2O3薄膜的制備溫度、染料吸附對(duì)Bi2O3太陽能電池性能的影響。結(jié)果表明，紫甘藍(lán)天然染料作為敏化劑明顯改善Bi2O3太陽能電池的光電性能。Bi2O3薄膜在500℃煅燒4h，在染料中吸附12h的太陽能電池的開路電壓為0.250V，短路電流為0.063mA· cm-2。

太陽能電池；天然染料；三氧化二鉍

隨著人類經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，礦物資源逐步枯竭，新能源的開發(fā)顯得非常重要。太陽能具有取之不盡、用之不竭、高效清潔等優(yōu)點(diǎn)，愈來愈受到廣泛重視。將太陽能轉(zhuǎn)換為電能的太陽能電池是太陽能利用的有效方式之一。1991年，Gratzel研究小組在Nature雜志上報(bào)道了新型太陽能電池——染料敏化多孔半導(dǎo)體薄膜太陽能電池（簡稱為DSSC）[1]。它采用高比表面積的納米晶多孔TiO2薄膜作光電極，吸收染料后，電池的光電轉(zhuǎn)化效率大大提高。這類太陽能電池具有制備簡單、成本低廉和對(duì)環(huán)境無污染等優(yōu)點(diǎn)，具有廣泛的應(yīng)用前景。此后，染料敏化太陽能電池受到廣泛重視。目前，染料敏化太陽能電池大多利用TiO2薄膜或ZnO薄膜作光電極[2-8]。Bi2O3是P-型半導(dǎo)體，禁帶寬度為2.7eV。目前，尚未有應(yīng)用于染料敏化太陽能電池的報(bào)道。

本研究探討以Bi2O3制備太陽能電池，考察了Bi2O3薄膜的制備溫度、紫甘藍(lán)天然染料吸附時(shí)間對(duì)Bi2O3太陽能電池的開路電壓和短路電流的影響并研究該電池的伏安特性曲線。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 儀器及試劑

高溫電阻爐（SX-4-13武漢亞華電爐有限公司）；透明導(dǎo)電玻璃（日本NSG公司FTO導(dǎo)電玻璃，厚度2.2mm，電阻小于14Ω·cm－2，透光率大于90%）；HLJ5451嵌入式70W金鹵燈（佛山市南海區(qū)羅村迥龍燈飾電器有限公司）；Philips照明電源；BX7-11滑線式變阻器（上海艾鎮(zhèn)電器廠制造）；UV1800-PC紫外分光光度計(jì)（美譜達(dá)儀器）。

Bi（NO3）3（A.R.國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司）；OP乳化劑（C.P.天津市光復(fù)精細(xì)化工研究所）；冰乙酸（A.R.國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司）；I2（A.R.國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司）；KI（A.R.國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司）。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 制備Bi2O3粉末稱取NaOH 8.8g溶解于100mL蒸餾水中，Bi（NO3）3·5H2O 4.0g溶解于含有0.4mL濃HNO3的20mL蒸餾水中。在攪拌下將Bi（NO3）3溶液滴入NaOH溶液中，然后過濾并洗滌沉淀至中性。將過濾后的沉淀物置于105℃烘箱中烘干，然后分別在400、500、600℃煅燒4h。

1.2.2 Bi2O3薄膜電極制備導(dǎo)電玻璃用蒸餾水沖洗并浸泡在丙酮中用超聲波清洗30min，然后密封保存?zhèn)溆?。稱取所制備的0.4gBi2O3于研缽中，邊研磨邊滴加數(shù)滴稀HAc，直到形成粘稠的膠體懸浮液，加入幾滴OP乳化劑繼續(xù)研磨。將導(dǎo)電面向上，用同樣厚度的膠帶固定兩邊。取適量Bi2O3漿液于導(dǎo)電面上，用玻璃棒迅速涂平，掀開膠帶。將薄膜在500℃的馬弗爐中煅燒4h。

1.2.3 紫甘藍(lán)天然染料的制備及Bi2O3薄膜著色稱取少量紫甘藍(lán)洗凈，切碎，加入20mL蒸餾水研磨，過濾，得到紫甘藍(lán)染料溶液。將Bi2O3膜片在紫甘藍(lán)染料溶液中吸附一定時(shí)間后取出，用蒸餾水沖洗膜片，再用無水乙醇沖洗。

1.2.4 紫甘藍(lán)天然染料敏化Bi2O3太陽能電池組裝將已經(jīng)吸附染料的Bi2O3電極的著色面向上放在桌面上，把涂有碳膜的反電極放在上面，讓兩片玻璃略微錯(cuò)開，用兩個(gè)夾子夾住電池，從一端滴入兩滴I2/KI溶液，使兩電極間隙充滿電解質(zhì)。用兩根導(dǎo)線分別連接Bi2O3電極和反電極（電極的有效受光面積為1.0cm2）。

1.2.5 Bi2O3敏化太陽能電池性能測(cè)試以70W金鹵燈為光源（光強(qiáng)30mV·cm－2）。在距離光源40cm處，采用萬用表測(cè)量電池的短路電流Isc和開路電壓Voc。通過改變500Ω可調(diào)電阻值，逐點(diǎn)測(cè)量電流電壓值，即可獲得電池的伏安特性曲線。

2 結(jié)果與討論

2.1 Bi2O3粉末表征

圖1為分別在400、500和600℃煅燒4h制備的Bi2O3XRD圖。

將圖1和Bi2O3的XRD標(biāo)準(zhǔn)卡片比較后發(fā)現(xiàn)，在400℃和500℃煅燒得到的Bi2O3為β-Bi2O3（（JCPDS No.71-2274），在600℃所煅燒所得的Bi2O3為α-Bi2O3（JCPDSNo.27-0050）。

圖1Bi2O3粉末的XRD圖Fig.1X-ray diffraction patterns of Bi2O3powders obtained by calcination at 400，500 and 600℃

2.2 紫甘藍(lán)天然染料紫外-可見吸收光譜

紫甘藍(lán)紫外-可見吸收光譜見圖2。

圖2 紫甘藍(lán)天然染料紫外-可見吸收光譜Fig.2UV-Visible absorption spectra of natural dye extracted from red cabbage

從圖2可知，紫甘藍(lán)天然染料在可見光550nm附近有較強(qiáng)的吸收。因此，選擇紫甘藍(lán)作為敏化Bi2O3的色素。

2.3 Bi2O3薄膜制備溫度對(duì)太陽能電池影響

Bi2O3膜片分別在400、450、500、550和600℃煅燒4h，吸附紫甘藍(lán)染料時(shí)間為8h所制備的電池的開路電壓和短路電流見圖3。

圖3Bi2O3薄膜煅燒溫度對(duì)太陽能電池性能影響Fig.3Effect of Bi2O3films calcining at different temperature on dye-sensitized Bi2O3solar cells

從圖3中可知，在所研究溫度范圍內(nèi)，500℃煅燒獲得的Bi2O3薄膜的開路電壓和短路電流值最大。其開路電壓為0.19V，短路電流為0.053mA·cm－2。

2.4 紫甘藍(lán)天然染料吸附時(shí)間對(duì)太陽能電池影響

圖4為染料吸附時(shí)間對(duì)在500℃下煅燒4h的Bi2O3膜片的電池的開路電壓和短路電流影響。

圖4 紫甘藍(lán)染料吸附時(shí)間對(duì)太陽能電池性能影響Fig.4Effect of adsorption time of red cabbage dye on dyesensitized Bi2O3solar cells

從圖4中可知，在12h內(nèi)，隨著紫甘藍(lán)天然染料吸附時(shí)間的增加，Bi2O3的開路電壓增大；吸附時(shí)間超過12h后，Bi2O3的開路電壓減小。吸附染料12h的Bi2O3太陽能電池性能最好。其開路電壓為0.246V，短路電流為0.060mA·cm-2。對(duì)比實(shí)驗(yàn)表明，在未進(jìn)行染料敏化的Bi2O3太陽能電池的開路電壓非常低，僅為0～10mV，短路電流為0。因此，紫甘藍(lán)天然染料作為敏化劑能明顯提高Bi2O3太陽能電池的開路電壓及短路電流。

2.5 伏安特性曲線測(cè)定

Bi2O3薄膜在500℃煅燒4h，在紫甘藍(lán)天然染料中吸附12h的太陽能電池的伏安特性曲線見圖5。

圖5Bi2O3電池的伏安特性曲線Fig.5Current-potential curve for dye-sensitized Bi2O3solar cells with red cabbage dye as sensitizer

該電池的開路電壓為0.25V，短路電流為0.063mA·cm-2。用曲線拐點(diǎn)處的最大輸出功率Pm（ImVm=8.8×10-3mW）除以光的入射功率Pin（30mW·cm－2），即可獲得電池的光電轉(zhuǎn)化效率為0.03%。

3 結(jié)論

紫甘藍(lán)天然染料敏化劑能明顯提高Bi2O3太陽能電池的開路電壓及短路電流。

Bi2O3薄膜在500℃煅燒4h，在紫甘藍(lán)天然染料中吸附12h的太陽能電池的開路電壓為0.250V，短路電流為0.063mA·cm-2，其光電轉(zhuǎn)化效率為0.03%。

雖然紫甘藍(lán)天然染料敏化Bi2O3太陽能電池電池的光電轉(zhuǎn)化效率低，但其新穎?？梢詮奶岣連i2O3比表面積，選擇具有優(yōu)異的光電敏化性能的敏化劑等方面進(jìn)一步研究。

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

［2］Premalal EVA，Sirimanne PM.Sensitization process of two organic dyes anchored on titania filmsin photo-voltaic cells［J］.Solar Energy，2009，83:696-699.

［3］Jilian Nei de Freitas，Claudia Longo.Solar module using dye-sensitized solar cells with a polymer electrolyte［J］.Solar EnergyMaterials&Solar Cells，2008，92:1110-1114.

［4］Takahiko Ono，Takeshi Yamaguchi，Hironori Arakawa.Study on dye-sensitized solar cell using novel infrared dye［J］.Solar Energy Materials&Solar Cells，2009，93:831-835.

［5］Athapol Kitiyanan，Susumu Yoshikawa.The use ofZrO2mixed TiO2nanostructures as efficient dye-sensitized solar cells’electrodes［J］. Materials Letters，2005，59:4038-4040.

［6］EijiYamazaki，MasakiMurayama，NaomiNishikawa，et al.Utilization ofnaturalcarotenoidsasphotosensitizersfordye-sensitizedsolarcells［J］.SolarEnergy，2007，81:512-516.

［7］Kashyout AB，Soliman M，El Gamal M，et al.Preparation and characterization ofnanoparticles ZnO films for dye-sensitized solar cells［J］.Materials Chemistryand Physics，2005，90:230-233.

［8］J.Chen，Chen.Li，J.L.Song，X.W.Sun.Bilayer ZnO nanostructure fabricated by chemical bath and its application in quantum dot sensitized solar cell［J］.Applied Surface Science，2009，255: 7508-7511.

Dye-sensitized Bi2O3solar cells with natural dye extracted from red cabbage*

ZHOU Guo-hua1，WANG Chun-yan1，MEI Guang-jun2，LIU Hong2
（1.School of Chemical and Environmental Engineering,Hubei University of Technology,Wuhan 430064,China; 2.School of Resources and Environment Engineering,Wuhan University of Technology,Wuhan 430070,China）

Dye-sensitized Bi2O3solar cells was studied with natural dye extracted from red cabbage.The effect of calcination temperature and adsorption of dye on Bi2O3films was investigated.Red cabbage dye as a sensitizer can significantly improves the photovoltaic performance of Bi2O3solar cells.The results indicate that a short circuit photocurrent density(Isc)of 0.063mA·cm-2and an open circuit voltage(Voc)of 0.250V are achieved.

solar cells；natural dyes；Bi2O3

book=2010,ebook=250

TK115.4

A

1002-1124（2010）11-0004-03

2010-09-30

國家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃（863）項(xiàng)目（2007AA06Z123）

周國華，男，博士，從事環(huán)境工程研究。