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        浸染料時間對DSSC性能的影響

        2016-09-05 12:35:38王傳嶺
        山東化工 2016年8期
        關(guān)鍵詞:功率密度光生染料

        于 敏,王傳嶺

        (嘉應(yīng)學(xué)院醫(yī)學(xué)院,廣東 梅州 514000)

        浸染料時間對DSSC性能的影響

        于 敏,王傳嶺

        (嘉應(yīng)學(xué)院醫(yī)學(xué)院,廣東 梅州 514000)

        染料是染料敏化太陽能電池的重要組成部分,其中浸染料時間會直接影響染料的吸附量與光陽極的微觀結(jié)構(gòu),本文重點考察了浸染料時間對電池性能的影響,研究發(fā)現(xiàn),當(dāng)浸染料時間為為3h時,DSSC的性能較好。

        染料敏化太陽能電池;染料;TiO2膜

        隨著能源危機(jī)的日益嚴(yán)峻,太陽能作為一種取之不盡、用之不竭的綠色能源而引起了人們的更多關(guān)注。而利用電池將光能轉(zhuǎn)換成電能,成為人們研究的熱點。其中,染料敏化太陽能電池因具有生產(chǎn)成本相對較低、制備工藝簡單及對環(huán)境友好等優(yōu)點,吸引了國內(nèi)外科研工作者的研究興趣。

        自1991年Gr?tzel制備出光電轉(zhuǎn)換效率為7.1%的DSSC[1]以來,科學(xué)家對它進(jìn)行了深入的研究并取得較大的進(jìn)展。DSSC是由光陽極、電解質(zhì)和光陰極三部分組成的,其中光陽極是由吸附有染料的半導(dǎo)體薄膜構(gòu)成,染料吸附量的多少會直接影響電流密度,進(jìn)而影響電池性能。在半導(dǎo)體薄膜與染料相同的情況下,影響染料吸附量的關(guān)鍵之一就是浸染料的時間,本文對此做了如下的研究。

        1 實驗

        1.1 電池的制備流程

        將松油醇、聚乙烯醇縮丁醛溶膠、TiO2按6.02:0.18:1的質(zhì)量配比采用刮刀法制備TiO2薄膜,并分別將制得的TiO2薄膜浸染料1h,2h,3h和4h,,選用Pt電極作為DSSC的對電極。組裝電池并對其進(jìn)行性能測試。

        1.2 實驗結(jié)果分析

        (1) 染料吸附量的分析

        圖1 染料吸附量(Q)隨浸染料時間的變化

        由圖1可看出,當(dāng)浸染料時間為3h時,染料吸附量(Q)較大。浸染料時間小于等于3h時,染料吸附量隨浸染料時間的增大而增大。這是因為染料被TiO2膜吸附的過程是一個化學(xué)吸附過程,當(dāng)染料吸附到TiO2膜的表面后,染料分子的最低未占軌道與TiO2的導(dǎo)帶電子云發(fā)生重疊,形成類酯鍵[2]。

        隨著浸染料時間的增加,染料吸附量增大。在浸染料時間為3h左右到達(dá)最高,之后,染料吸附量開始減小,其原因可能有:隨之浸泡時間的增加,空氣中的水分越來越多的溶解在染料溶液中,由于TiO2的Ti-O鍵更易于與H2O中的羥基成鍵,使得與TiO2因形成類酯鍵而被吸附的N719有一部分發(fā)生解析,值得注意的是,由于N719和TiO2之間的電子轉(zhuǎn)移通道是由這個酯鍵來提供的,這個解析效應(yīng)會使得激發(fā)態(tài)染料不能及時有效地將光生電子注入TiO2導(dǎo)帶中,從而導(dǎo)致DSSC的電流密度減小,降低電池的光電轉(zhuǎn)換效率。另外,隨著TiO2膜浸染料時間的增長,TiO2膜的微觀結(jié)構(gòu)會發(fā)生一定的變化,孔徑可能會變大,導(dǎo)致染料吸附量變小。因為有研究表明TiO2膜表面孔徑超過4nm的比例越多,染料吸附量越大[3]。

        (2) J-V曲線分析

        圖2 不同浸染料時間的DSSC的J-V曲線

        圖2是制備的TiO2膜分別于染料中浸泡1h,2h,3h和4h所制得的DSSC的J-V曲線圖。從該圖可看出,隨浸染料時間的增加,Jsc先增大后減小,當(dāng)浸染料時間為3h時,DSSC的Jsc較大,為4.46mA/cm2。這是因為染料吸附量是隨著浸染料時間的增加,而先增大后減小,導(dǎo)致光生電子數(shù)先增多后減少,且當(dāng)浸染料時間為3h時,染料吸附量較大,光生電子數(shù)就較多;當(dāng)浸染料時間大于3h時,Jsc減小,可能有兩個原因:一是由于染料吸附量的減少,使得光生電子數(shù)減小,從而使得Jsc減?。涣硪粋€原因是隨著TiO2膜在染料溶液中浸泡時間的增長,TiO2膜的骨架不再那么牢固,使得膜的電阻增大,從而導(dǎo)致Jsc減小。

        (3) 光電轉(zhuǎn)化效率η和最大功率密度Pm的分析

        圖3表明了電池的光電轉(zhuǎn)換效率η和最大功率密度Pm隨著浸染料時間的變化。當(dāng)浸染料時間小于等于3h時,η隨浸染料時間的增大而增大,直到浸染料時間為3h時,η較大,分別為η=2.014%和Pm= 2.014mW/cm2。然后隨浸染料時間的增加,電池的光電轉(zhuǎn)換效率和最大功率密度減小。光電轉(zhuǎn)換效率和最大功率密度之所以發(fā)生這種變化,是因為隨著浸染料時間的變化,膜的微觀結(jié)構(gòu)發(fā)生了變化,不但改變了染料吸附量,而且還改變了TiO2膜的電阻。染料吸附量的變化直接導(dǎo)致光生電子數(shù)的變化,從而改變電流,進(jìn)一步改變了光電轉(zhuǎn)換效率和最大功率密度;TiO2膜電阻的改變導(dǎo)致在相同電壓下,電池的電流不同,從而導(dǎo)致光電轉(zhuǎn)換效率和最大功率密度的變化。當(dāng)浸染料時間為3h時做成的電池,光電轉(zhuǎn)換性能較好。

        圖3 光電轉(zhuǎn)化效率(η)和最大功率密度(Pm)與浸染料時間的關(guān)系曲線

        2 結(jié)論

        本節(jié)采用刮刀法制備TiO2膜,通過改變浸染料的時間觀察其對DSSC性能的影響,發(fā)現(xiàn)隨著浸染料時間的增加,染料吸附量先增大后減小,當(dāng)浸染料時間為3h時,染料吸附量較大。通過比較四種電池的J-V曲線發(fā)現(xiàn),隨著浸染料時間的增加,短路電流密度、最大功率密度和光電轉(zhuǎn)換效率都是先增大后減小,在浸染料時間為3h時,獲得較大光電轉(zhuǎn)換效率為2.014%,說明了浸染料時間為3h時,DSSC的性能較好。

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

        [2] Meyer T J,Meyer G J,Pfennig B Wetal. Moleeular-levelelectrontrans ferand exeitedstateassembliesonsurfaeesonmetaloxidesandglass[J].Inorg Chem,1994,33(18):3952一3964.

        [3] Hwang Kyung Jun, Shim Wang Geun, Jung Sung Hoon, et al. Analysis of adsorption properties of N719 dye molecules on nanoporous TiO2surface for dye-sensitized solar cell[J].Applied Surface Science, 2010, 256: 5428- 5433.

        (本文文獻(xiàn)格式:于 敏,王傳嶺.浸染料時間對DSSC性能的影響[J].山東化工,2016,45(08):85-87.)

        2016-02-26

        于 敏(1985—),女,山東泰安人,助教,從事電池研究。

        TM914.4

        B

        1008-021X(2016)08-0085-02

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