馬艷子，馬鍇果，賈莉，王海葒，李維紅

北京大學(xué)化學(xué)與分子工程學(xué)院，化學(xué)國家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心，北京 100871

普通化學(xué)實(shí)驗(yàn)是北京大學(xué)為化學(xué)學(xué)院本科一年級(jí)新生開設(shè)的核心課程，是化學(xué)類實(shí)驗(yàn)實(shí)踐教學(xué)體系中最為基礎(chǔ)的課程。該門課程通過經(jīng)典實(shí)驗(yàn)引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)實(shí)驗(yàn)相關(guān)理論知識(shí)、基本實(shí)驗(yàn)技能、實(shí)驗(yàn)室規(guī)范和統(tǒng)籌安排時(shí)間的方法，進(jìn)而培養(yǎng)學(xué)生觀察、思考和實(shí)踐的能力[1]。如何在基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)課中更好地激發(fā)學(xué)生興趣，拓展學(xué)生視野，將普通化學(xué)理論課中的原理及配套的經(jīng)典實(shí)驗(yàn)與前沿研究領(lǐng)域相關(guān)聯(lián)，一直是我們在開發(fā)教學(xué)實(shí)驗(yàn)時(shí)關(guān)注的重點(diǎn)。光伏電池的概念雖然在19世紀(jì)就已提出，但在目前能源危機(jī)日益加重的形勢下，光伏電池仍舊是一個(gè)非?；钴S的研究領(lǐng)域。有關(guān)光伏電池制作的教學(xué)實(shí)驗(yàn)在國內(nèi)外已有介紹和開設(shè)，涉及的電池類型包括：固態(tài)p-n結(jié)光伏電池[2]、染料/半導(dǎo)體敏化光伏電池[3-8]、量子點(diǎn)光伏電池[9]、鈣鈦礦光伏電池[10,11]，有機(jī)光伏電池[12]等等，后四種電池屬于新型光伏電池，其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)類似。雖然電池制作通常涉及多個(gè)環(huán)節(jié)及多學(xué)科技術(shù)，通常在高年級(jí)本科生的綜合實(shí)驗(yàn)中開設(shè)，但近年來已有一部分經(jīng)過簡化設(shè)計(jì)的專門為低年級(jí)學(xué)生開設(shè)的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，這類實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)流程和實(shí)驗(yàn)操作相對簡單，實(shí)驗(yàn)時(shí)間短，目的是讓學(xué)生能夠通過實(shí)驗(yàn)結(jié)合半導(dǎo)體基本概念理解某一光伏電池的工作原理。

借鑒文獻(xiàn)經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合本校普通化學(xué)實(shí)驗(yàn)課實(shí)際情況，我們對光伏電池制作的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容進(jìn)行了重新設(shè)計(jì)與整合，在普通化學(xué)實(shí)驗(yàn)課程中開設(shè)了一個(gè)“簡易光伏電池制作”的項(xiàng)目。實(shí)驗(yàn)包含兩種類型電池的制作，一種為傳統(tǒng)的基于p-n結(jié)結(jié)構(gòu)的硫化銅/硅光伏電池，另一種為模仿光合作用原理的染料敏化光伏電池。前一種電池的重點(diǎn)是將半導(dǎo)體材料CuS鍍在硅片上，這一過程與普通化學(xué)實(shí)驗(yàn)中“酸堿和沉淀溶解平衡”實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目中的內(nèi)容有關(guān)[13]，學(xué)生在制作光伏電池中不僅要運(yùn)用到前面實(shí)驗(yàn)所掌握的知識(shí)和技能，還需要考慮實(shí)驗(yàn)條件的控制使鍍層更加致密，實(shí)驗(yàn)中也涉及了半導(dǎo)體能級(jí)和吸收光譜等內(nèi)容，能加深學(xué)生對普通化學(xué)原理中所講授內(nèi)容[14]的理解。同時(shí)，染料敏化光伏電池內(nèi)在的工作機(jī)制涉及了許多氧化還原反應(yīng)，也是普通化學(xué)原理的重要內(nèi)容。我們希望通過該實(shí)驗(yàn)的教學(xué)，實(shí)現(xiàn)如下教學(xué)目的：

(1)了解沉淀溶解平衡、元素性質(zhì)等基本化學(xué)原理在制作光伏電池這類實(shí)際的功能器件上的具體應(yīng)用，使學(xué)生體會(huì)普化實(shí)驗(yàn)所涉及的內(nèi)容與化學(xué)前沿間的相關(guān)性。

(2)通過親手組裝簡易光伏電池，使學(xué)生對半導(dǎo)體、能帶理論、光伏效應(yīng)等抽象概念有一定的感性認(rèn)識(shí)，使學(xué)生了解化學(xué)過程與光、電現(xiàn)象之間的本質(zhì)聯(lián)系。

1 實(shí)驗(yàn)背景與原理簡述

在能源短缺、環(huán)境污染日益嚴(yán)重的現(xiàn)代社會(huì)，太陽能的利用一直是人們研究的熱點(diǎn)。光伏電池是一類將光能直接轉(zhuǎn)化為電能的裝置，經(jīng)過數(shù)十年的研發(fā)，已有很多種類的光伏電池用于實(shí)際生活和生產(chǎn)中。本實(shí)驗(yàn)中將制作兩種結(jié)構(gòu)具有代表性的光伏電池，硫化銅/硅光伏電池和N719染料敏化的光伏電池。

光照下，光伏電池中的光敏材料吸收光能產(chǎn)生光生電子-光生空穴對，隨后，光生電子和光生空穴被分離，并分別遷移到光伏電池的負(fù)極和正極上。在硫化銅/硅光伏電池中，硫化銅是p型半導(dǎo)體，硅(摻磷)是n型半導(dǎo)體，兩者接觸處形成p-n結(jié)(圖1a)。光敏材料吸收光子產(chǎn)生光生電子-光生空穴對，在電池內(nèi)建電場的作用下，光生電子和光生空穴在p-n結(jié)處分離，之后光生電子由硅導(dǎo)出至負(fù)極，光生空穴由硫化銅導(dǎo)出至正極。在以N719染料(二-四丁基銨-雙(異硫氰基)雙(2,2’-聯(lián)吡啶-4,4’-二羧酸)釕(II))為敏化劑的光伏電池中，N719染料分子吸附在TiO2光陽極上(電池負(fù)極)，光陽極和涂有石墨的對電極(電池正極)間填充電解液(圖1b)。光照下，敏化劑吸收光能產(chǎn)生光生電子和光生空穴對，光生電子由TiO2光陽極導(dǎo)出，光生空穴(處于氧化態(tài)的染料正離子)則被由對電極導(dǎo)入、電解液傳輸?shù)碾娮舆€原，即染料正離子得到電子而被再生。

圖1 (a)硫化銅/硅光伏電池結(jié)構(gòu)圖(上)及工作原理圖(下)；(b)染料敏化光伏電池的結(jié)構(gòu)圖(上)及工作原理圖(下)

2 實(shí)驗(yàn)部分

2.1 材料、試劑與儀器

試劑：硫酸銅(0.2 mol·L-1)，硫代乙酰胺(0.5 mol·L-1)，硫代硫酸鈉(0.5 mol·L-1)，N719染料乙醇溶液(5 × 10-4mol·L-1)，二氧化鈦漿料(1 g/4 mL)，碘系電解液(70 mol·L-1)，氟化鈉-鹽酸清洗液，中性鍍膜玻璃清洗液。其中二氧化鈦漿料配制方法為：用4 mL去離子水、0.40 g PEG-20000、0.4 mL乙酰丙酮及1滴Triton-100配成混合液，取P25粉體1.00 g，在攪拌下，緩慢倒入上述混合液中，超聲，至混合物成為粘稠的漿狀[15]，亦可直接購買商品漿料。碘系電解液：AN-I，奧匹維特，成分為碘、無水碘化鋰、1-丙基-3-甲基瞇唑碘鹽(PMII)、異硫氰酸胍、磷酸三丁酯(TBP)、乙腈。氟化鈉清洗液配制方法為每百毫升水溶解1.05 g氟化鈉，隨后加入濃鹽酸1.5 mL，相當(dāng)于氟化氫含量為1%。中性鍍膜清洗液：OPV-FCL，奧匹維特，為固體鹽類和聚氧乙烯醚等非離子表面活性劑復(fù)配而成，稀釋為2%溶液使用。

材料：n型單晶硅片(晶向＜100>，2-4 Ω·cm-1，20 × 12 mm，單面拋光)，ITO (氧化銦錫)玻璃(20 × 12 mm，其中導(dǎo)電部分為縱向居中6 × 18 mm，方阻≤ 15 Ω·cm-1，透過光率≥ 86%)，F(xiàn)TO (氟摻雜氧化錫)玻璃(6-8 Ω·cm-1，20 × 25 mm)，長尾夾，棉簽，光面紙，膠帶，濾紙，2B鉛筆，鑷子，尺子，工具刀，剪刀，帶蓋小塑料盒，鋁箔，雙頭鱷魚夾導(dǎo)線等。

儀器：電磁力加熱攪拌器(IKA，RH Basic 1)，萬用表(UT61B)，強(qiáng)光手電筒(10 W)。拓展實(shí)驗(yàn)選用儀器有：X射線粉末衍射儀(Malvern Panalytical，x’pert3 powder)，掃描電鏡(JEOL，JSM-IT300)。

2.2 硫化銅/硅光伏電池的制作

(1)清洗硅片(此步驟由實(shí)驗(yàn)室完成)：將n型單晶硅片批量置于清洗架上，浸于丙酮中超聲15 min，去離子水洗凈后，再浸于NaF/HCl清洗液在75 °C超聲10 min。取出后去離子水洗凈，并浸于去離子水中備用。

(2)配制CuS前驅(qū)物溶液：有兩種方案可供選擇。

方案一：在合適的容器中依次加入0.2 mol·L-1硫酸銅溶液1 mL，去離子水2 mL，0.5 mol·L-1硫代乙酰胺溶液3 mL，攪拌均勻。

方案二：在合適的容器中依次加入0.2 mol·L-1硫酸銅溶液1 mL，去離子水1 mL，0.5 mol·L-1硫代硫酸鈉溶液4 mL，攪拌均勻。

(3)制備CuS薄膜：將硅片光面朝上置于50 mL燒杯底部，緩慢倒入一種前驅(qū)物溶液，燒杯蓋上表面皿后置于85-90 °C水浴中。觀察CuS薄膜在燒杯壁上沉積的現(xiàn)象。經(jīng)過一段時(shí)間(約10 min)后，取出燒杯，用滴管小心吸除反應(yīng)液后取出硅片，分別用去離子水和乙醇小心沖洗，按圖2a用棉簽擦出CuS鍍層圖案(注意其寬度略大于ITO玻璃導(dǎo)電部分寬度)，晾干。

(4)組裝硫化銅/硅光伏電池：小心拿取一片ITO導(dǎo)電玻璃(拿取時(shí)勿用手大面積接觸，以免污染)，用萬用表測出ITO玻璃的導(dǎo)電部分(圖2b)，將硅片的CuS鍍層覆蓋于ITO的導(dǎo)電部分之上，保證硅片的無CuS鍍層部分與ITO玻璃導(dǎo)電部分沒有接觸，用長尾夾固定。

圖2 硫化銅/硅光伏電池的p-n結(jié)Si片(a)和ITO導(dǎo)電玻璃(b)；染料敏化光伏電池的光陽極(c)和對電極(d)

2.3 染料敏化光伏電池的制作

(1)清洗FTO導(dǎo)電玻璃(此步驟由實(shí)驗(yàn)室完成)：將FTO導(dǎo)電玻璃置于中性鍍膜清洗液中在50 °C超聲10 min，再用去離子水超聲10 min，烘干備用。

(2)制備光陽極：染料敏化光伏電池中的TiO2光陽極需要非常均勻地涂敷在FTO導(dǎo)電玻璃上。制作方法如下：小心取出一片F(xiàn)TO導(dǎo)電玻璃，在其導(dǎo)電面的居中靠上位置(圖2c)，用膠帶(可用雙層)做出一個(gè)約1 × 1 cm的方形凹槽，盡量將膠帶與玻璃貼緊以保證凹槽四周密實(shí)不漏液。向方形凹槽內(nèi)滴半滴左右TiO2漿料，使液面恰好與膠帶邊沿相平，切勿加得過多，以免干燥過程中TiO2層開裂。靜置約20 min，待溶劑完全自然揮發(fā)干后，小心揭掉膠帶，涂有TiO2的一面向上將其置于坩堝中，用天然氣燈加熱坩堝，當(dāng)漿料由白色變?yōu)樽睾谏僮優(yōu)榘咨珪r(shí)停止加熱?；?qū)③釄逯糜?00 °C馬弗爐內(nèi)加熱10 min。待坩堝完全冷至室溫后，取出FTO玻璃，即得光陽極。

(3)制作N719染料敏化光陽極：取帶蓋塑料小盒，使涂有TiO2的一面向上，將光陽極平放于其中，小心加入5 × 10-4mol·L-1N719染料的乙醇溶液至光陽極全部浸入其中，蓋好盒蓋，用鋁箔包好，避光放置30 min以上。用專用鑷子取出光陽極，用乙醇小心沖洗，置于濾紙上自然晾干，得到N719敏化的光陽極。

(4)制作對電極：再取一塊FTO導(dǎo)電玻璃，在導(dǎo)電面上用2B鉛筆將2/3部分涂黑，如圖2d所示，即為對電極。

(5)制作N719染料敏化光伏電池：將濾紙剪成約1 × 1 cm大小，置于光陽極的TiO2層上，向?yàn)V紙上滴加1滴碘系電解液，按照圖1b組裝光伏電池。注意，要將對電極涂有石墨的導(dǎo)電層與光陽極涂有TiO2的導(dǎo)電層(TiO2)相對，用長尾夾固定。

2.4 光伏電池的電學(xué)測試

將光伏電池、電壓表(萬用表毫伏檔)、電流表(萬用表毫安檔)及開關(guān)用導(dǎo)線按圖3a連接。將電池吸光層面朝上置于強(qiáng)光手電下，電池距手電約1 cm，如圖3b固定。斷開開關(guān)，打開手電，調(diào)節(jié)光源強(qiáng)度，觀察電壓表示數(shù)正負(fù)值與絕對值變化。手電置于強(qiáng)光檔，記錄當(dāng)前光照強(qiáng)度下電池的開路電壓Voc，合上開關(guān)，記錄當(dāng)前光照強(qiáng)度下電池的短路電流Isc。

圖3 光伏電池測試電路(a)及電池與光源的固定方式(b)

3 安全提示

實(shí)驗(yàn)要求學(xué)生全程穿著實(shí)驗(yàn)服，佩戴護(hù)目鏡，加熱操作佩戴隔熱手套。加熱后的坩堝、鐵圈及FTO玻璃溫度都很高，要求學(xué)生一定等它們完全冷卻至室溫后再進(jìn)行其他操作。使用天然氣燈前確保周圍無可燃液體。硫代乙酰胺為2B類致癌物，涉及該試劑的實(shí)驗(yàn)操作務(wù)必在通風(fēng)櫥進(jìn)行。含銅及硫的混合廢液需倒入非濃酸環(huán)境的重金屬離子廢液桶，以避免硫化氫的釋放。實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備時(shí)，二氧化鈦漿料的配制注意佩戴防塵口罩防止吸入肺部，含氟洗液清洗硅片需小心操作，避免洗液濺出。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與定性解釋

按上述實(shí)驗(yàn)流程制作的兩種光伏電池在光照下均可產(chǎn)生光伏效應(yīng)。表1為實(shí)驗(yàn)室教師按本實(shí)驗(yàn)條件測試所得不同光伏電池的開路電壓Voc及短路電流Isc，它們是反映光伏電池性能的重要參量。在測量兩種電池的過程中，學(xué)生可觀察到，電壓表顯示的正負(fù)值與光伏電池工作原理中闡述的電子流向一致，并可發(fā)現(xiàn)，光照強(qiáng)度越大，電池的開路電壓和短路電流越大。根據(jù)能帶填充模型[13]，價(jià)帶頂部的電子受光激發(fā)先填充到導(dǎo)帶的底部，當(dāng)這些能級(jí)占滿后，對于價(jià)帶剩下的電子，其有效帶隙增大，光照增強(qiáng)或光照時(shí)間增加都會(huì)使得開路電壓增大；同時(shí)，光照越強(qiáng)，光生載流子越多，光電流越大。因此學(xué)生可以觀察到，打開光源一段時(shí)間內(nèi)，電壓表與電流表示數(shù)不穩(wěn)定，且呈下降趨勢，這主要是由于手電光源強(qiáng)度不穩(wěn)定造成的。隨著電池被光源照射的時(shí)間延長(此時(shí)光源已趨于穩(wěn)定)，開路電壓仍會(huì)稍有下降，這可能是由于持續(xù)光照導(dǎo)致電池表面溫度升高，進(jìn)而使得半導(dǎo)體材料費(fèi)米能級(jí)下降，帶隙減小。從表1中可以看出，在相同測試條件下，硫化銅/硅和染料敏化兩類光伏電池的開路電壓和短路電流都存在明顯差別，染料敏化電池比硫化銅/硅電池的開路電壓高60%以上，反映出兩類電池光敏材料的禁帶寬度有明顯差別；硫化銅/硅電池的短路電流明顯低于染料敏化光伏電池的短路電流，可能是由于CuS鍍膜工藝造成電池內(nèi)阻較大。從已有數(shù)據(jù)來看，固態(tài)光伏電池的兩種制備方案對其開路電壓和短路電流造成的影響不大。

表1 兩種方案制備的硫化銅/硅光伏電池及染料敏化光伏電池的性能參數(shù)

5 教學(xué)組織與討論

本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)為4學(xué)時(shí)的單元教學(xué)實(shí)驗(yàn)，教學(xué)過程包括原理講解、操作演示、學(xué)生實(shí)驗(yàn)、課堂討論四部分，要求學(xué)生在3.5 h完成。學(xué)生兩人一組進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，每組同學(xué)完成硫化銅/硅光伏電池和N719染料敏化光伏電池的制作，并進(jìn)行簡單的電池電學(xué)測試。由于每塊電池在制作過程中都需要等待一定時(shí)間，因此需向?qū)W生強(qiáng)調(diào)實(shí)驗(yàn)過程的統(tǒng)籌安排。

對于面向一年級(jí)本科生的普通化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)，講解兩類電池工作原理時(shí)，只需做到讓學(xué)生簡單了解到光伏電池的光電轉(zhuǎn)換過程即可，推薦從它們的共性出發(fā)，即如何通過一定材料和相應(yīng)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)光生電子-光生空穴對的產(chǎn)生與分離，明確隨后產(chǎn)生的光生電子均為從高能級(jí)至低能級(jí)的躍遷路徑，并經(jīng)由外電路回到電池內(nèi)部與處于氧化態(tài)的物質(zhì)結(jié)合，形成電池回路。重點(diǎn)是通過實(shí)驗(yàn)引發(fā)學(xué)生思考電池制作和工作過程中所涉及的基本化學(xué)問題，使學(xué)生對普通化學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)應(yīng)用于實(shí)際有一定的認(rèn)識(shí)。具體可有如下方面：

(1)硫化銅/硅光伏電池的原理。這類半導(dǎo)體光伏電池的關(guān)鍵是p-n結(jié)的形成。本實(shí)驗(yàn)采用的是化學(xué)沉積法將p型半導(dǎo)體硫化銅以納米晶的形式生長在n型半導(dǎo)體單晶硅上。其中摻磷的n型硅片為現(xiàn)成的商品，通過提拉法得到，學(xué)生直接在硅片上制備的CuS薄膜為p型半導(dǎo)體。在本征半導(dǎo)體中摻雜雜原子使其價(jià)帶缺失電子形成空穴即是p型半導(dǎo)體，p型半導(dǎo)體也常見于低價(jià)的d區(qū)金屬硫化物或鹵化物[16]。對于CuS而言，雖然分子式看起來很簡單，但通過分析可知其結(jié)構(gòu)中含過硫鍵，實(shí)際上是一種混合價(jià)態(tài)的化合物，其中的一價(jià)銅原子易失去電子，形成空穴，顯示出p型半導(dǎo)體的特征[17]。CuS作為半導(dǎo)體，可以應(yīng)用于光伏電池的制作中，打破學(xué)生認(rèn)為的“硫化銅僅為一種溶解度很低的黑色沉淀”這種固有觀念。

(2)硫化銅前驅(qū)體溶液的配制比例基本參照《普通化學(xué)實(shí)驗(yàn)(第3版)》[2]實(shí)驗(yàn)“沉淀溶解平衡”中4.3節(jié)內(nèi)容。在“沉淀溶解平衡”的這部分實(shí)驗(yàn)內(nèi)容中，pH 4.8的醋酸緩沖體系下，CuS生成速度很快，以黑色無定型顆粒沉淀下來；而非緩沖條件下則會(huì)在器壁上生長出藍(lán)色金屬光澤的鍍層，即硫化銅的納米晶“銅藍(lán)”。學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過程中總會(huì)對此現(xiàn)象充滿好奇，但上述實(shí)驗(yàn)主要討論的是不同條件下硫化物是否能沉淀完全的問題，“銅藍(lán)”的出現(xiàn)并不會(huì)影響該實(shí)驗(yàn)的結(jié)論。在光伏電池的制作實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生則可以仔細(xì)考慮上一個(gè)實(shí)驗(yàn)的“異?，F(xiàn)象”，根據(jù)沉淀溶解平衡的原理，通過選擇不同硫源，調(diào)控銅源和硫源的比例，是否加入其他配體如EDTA，控制溫度和pH等條件，從而得到厚度不同、均勻度不同的銅的硫化物(CuxS)納米晶層，進(jìn)而影響到電池性能[18]。這可以使學(xué)生明白，普通化學(xué)實(shí)驗(yàn)中看似簡單的化學(xué)原理和不斷強(qiáng)調(diào)的實(shí)驗(yàn)條件控制，在前沿的研究領(lǐng)域中也是很重要的。圖4為本教學(xué)實(shí)驗(yàn)條件下在硅片上制備的硫化銅薄膜的微觀結(jié)構(gòu)，顯示采用不同硫源制備的硫化銅均呈六方納米片垂直堆積的花瓣?duì)罱诲e(cuò)結(jié)構(gòu)。采用S2O32-離子作為硫源生長出的納米片較硫代乙酰胺作為硫源的納米片更厚且更長。經(jīng)X射線粉末衍射(PXRD)測定，兩種方案制備出的銅的硫化物均為銅藍(lán)相(Covellite)，即CuS。

圖4 方案一(a)及方案二(b)制備條件下硫化銅薄膜表面的SEM圖

(3)相比于硫化銅/硅光伏電池，敏化光伏電池的結(jié)構(gòu)組成較為復(fù)雜。其中關(guān)鍵的一部分在于半導(dǎo)體TiO2層與敏化劑的能級(jí)匹配，即敏化劑的激發(fā)態(tài)能級(jí)要高于TiO2的導(dǎo)帶能級(jí)，這樣才可以實(shí)現(xiàn)光生電子注入于TiO2的導(dǎo)帶。在實(shí)驗(yàn)中的敏化劑N719染料溶液顏色為深紫紅色，摩爾消光系數(shù)非常大，對可見光幾乎能夠做到全譜吸收，在條件允許的情況下，學(xué)生也可以使用不同色光照射N719染料敏化的光伏電池，觀察其開路電壓的響應(yīng)。

(4)為了確保光生電子有效地注入TiO2的導(dǎo)帶，還需要敏化劑以化學(xué)吸附的形式與TiO2結(jié)合，也就是它們之間能夠形成穩(wěn)定的化學(xué)鍵。對于N719染料這種釕基配合物，其配體上的羧基在室溫下能夠與TiO2表面的羥基形成酯鍵[19]。實(shí)驗(yàn)時(shí)，學(xué)生在用乙醇沖洗光陽極時(shí)，可以觀察到乙醇是無法把染料沖掉的，通常需要采用NaOH/EtOH溶液才能將染料脫附[20]。學(xué)生可由此拓展配位化學(xué)的知識(shí)。

(5)在同樣的光照強(qiáng)度下，能夠使光陽極上有更多的光生電子產(chǎn)生也是相當(dāng)重要的。實(shí)驗(yàn)中采用比表面很大的TiO2納米晶粉體(比表面積為55 ±15 m2·g-1)，相比于普通的TiO2粉末，載有納米級(jí)TiO2的光陽極對敏化劑的吸附率更大。另一方面，對于實(shí)驗(yàn)中燒結(jié)的步驟，不僅可以使TiO2粉體附著在FTO玻璃上，還能夠借助漿料中的有機(jī)物，使其在煅燒過程中形成介孔，從而進(jìn)一步增大TiO2對敏化劑的吸附。此外，經(jīng)過一段時(shí)間的灼燒，也有助于TiO2表面羥基的活化，使敏化劑能夠更好地與TiO2結(jié)合。這些實(shí)驗(yàn)過程和操作可有助于學(xué)生了解為達(dá)到同一目的，可以采用多種手段協(xié)同作用。

(6)兩種電池的制作均在較短時(shí)間內(nèi)完成，實(shí)驗(yàn)流程縮短了一些關(guān)鍵性步驟的時(shí)間，為非優(yōu)化的實(shí)驗(yàn)條件，如CuS的生成及其在硅片上的沉積，TiO2對染料的吸附等，且電學(xué)測試并無絕對統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，如光源強(qiáng)度、距離、角度、吸光面積等，因此學(xué)生測得的電池?cái)?shù)據(jù)在一定范圍內(nèi)存在差異不作為討論點(diǎn)。然而，有學(xué)生制作的電池測得的開路電壓和短路電流明顯較低，如測得硫化銅/硅光伏電池短路電流小于20 μA，染料敏化光伏電池短路電流在100μA數(shù)量級(jí)。對于硫化銅/硅光伏電池可考慮硅片上附著的CuS太少，通常是由于反應(yīng)溫度不夠或硅片表面處理不得當(dāng)造成的，也可能是電池內(nèi)部局部出現(xiàn)短路造成的；對于染料敏化光伏電池可考慮TiO2層過厚，電池吸光面附近的TiO2未吸附到染料，此外，長期放置其電解液干涸也會(huì)造成電池?zé)o法正常工作。

6 結(jié)語

本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)為面向大學(xué)一年級(jí)學(xué)生的教學(xué)實(shí)驗(yàn)，也是光伏電池領(lǐng)域的一個(gè)入門級(jí)實(shí)驗(yàn)，在普通化學(xué)實(shí)驗(yàn)室的基本配備及設(shè)施下即可完成兩種代表性光伏電池的制作。該教學(xué)實(shí)驗(yàn)已試運(yùn)行三學(xué)期，得到了學(xué)生良好的反饋。在實(shí)驗(yàn)中，將光伏電池與化學(xué)密切相關(guān)的問題引入到課堂，提高了學(xué)生學(xué)習(xí)普通化學(xué)實(shí)驗(yàn)的趣味性，學(xué)生能夠?qū)瘜W(xué)的一些基本原理應(yīng)用于實(shí)際場景有較為綜合的認(rèn)識(shí)，并產(chǎn)生對某一具體化學(xué)問題深入學(xué)習(xí)和探究的動(dòng)力。結(jié)合微控制器編程，學(xué)生還可根據(jù)制備的電池特性將它們用作光敏傳感器組裝感光裝置[5]。此外，在此基礎(chǔ)上，繼續(xù)開發(fā)相關(guān)的高階課程實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，引入進(jìn)階的理論及實(shí)驗(yàn)技術(shù)，如無機(jī)實(shí)驗(yàn)中進(jìn)行可控尺寸、形貌的薄膜或半導(dǎo)體納米晶的制備；儀器分析實(shí)驗(yàn)中對電池材料的成分、結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析；物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)中對電池光電轉(zhuǎn)化性能進(jìn)行測試、簡易恒電位儀的搭建等等，使光伏電池的制作發(fā)展為一個(gè)可以貫通不同實(shí)驗(yàn)課程的綜合創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)。