敏化太陽能電池TiO2納米薄膜光陽極綜合實驗設計

南 輝, 林 紅,2, 王 剛, 陳慧媛, 楊桂軍, 韋浩民

(1. 青海大學 機械工程學院, 青海 西寧 810016;2. 清華大學 材料科學與工程系新型陶瓷與精細工藝國家重點實驗室, 北京 100084)

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敏化太陽能電池TiO2納米薄膜光陽極綜合實驗設計

南 輝1, 林 紅1,2, 王 剛1, 陳慧媛1, 楊桂軍1, 韋浩民1

(1. 青海大學 機械工程學院, 青海 西寧 810016;2. 清華大學 材料科學與工程系新型陶瓷與精細工藝國家重點實驗室, 北京 100084)

為了讓新能源專業(yè)本科生了解和掌握光電轉換原理和光電材料的制備,在大量研究工作的基礎上,設計了關于TiO2納米薄膜光陽極的制備及其性能研究綜合實驗,包括溶膠-凝膠法制備納米TiO2光陽極、松油醇對光電性能的影響等實驗內容。該實驗路線簡單易行,涵蓋知識點多,有利于培養(yǎng)學生綜合運用知識進行科學研究的能力,可以作為新能源專業(yè)的綜合性實驗項目。

綜合型實驗; 敏化電池; 光電轉換; TiO2納米薄膜

隨著西部大開發(fā)戰(zhàn)略和西部高校綜合提升計劃的深入,促使西部高校進一步加強科學研究和實驗教學的結合,推動實驗教學內容、方法、手段及人才培養(yǎng)模式的改革和創(chuàng)新,以彌補對學生創(chuàng)新和綜合能力培養(yǎng)的欠缺,使學生在研究型實驗的過程中,養(yǎng)成良好的創(chuàng)新思維習慣,提高學生分析與解決問題的能力,進而為學生以后從事獨立的科研工作等實際工作打下堅實的基礎[1-7]。

青海大學新能源專業(yè)的學生通過對材料合成與制備等理論課程的學習,具備了一定的理論知識,但實踐動手能力相對薄弱。為此,通過與教師的科研項目相結合,開設“納米材料的合成與表征”等與科研項目相關的綜合性實驗,使學生更好地了解材料制備技術的新進展,為學生將來進入社會儲備一定的實踐技能。

TiO2納米薄膜材料是重要的光電轉換材料和催化材料,其制備技術一直是材料和化學領域的前沿課題[8-9]。為了讓新能源材料專業(yè)本科生盡早了解和掌握光電轉換原理,熟悉光電轉換過程中關鍵材料的制備技術，在大量研究工作的基礎上,我們設計了一個涉及TiO2納米薄膜材料的制備、納米材料的簡單表征和光電性能評價的綜合型實驗。目的是讓學生對光電轉換技術具有較好的了解。該實驗可以應用于光催化、固體電子、材料和化學化工等專業(yè)的學生實驗,具有廣泛適用性。

1 實驗試劑與儀器

試劑:鈦酸四異丙酯、染料N-719、4-特丁基吡啶、乙基纖維素、松油醇等為分析純。電解液主要成分為0.05 mol/L的碘、0.5 mol/L的碘化鋰和0.5 mol/L的4-特丁基吡啶,溶劑為乙腈。

儀器:磁力攪拌器,真空干燥箱,離心機,馬弗爐,X射線衍射儀(XD-3A),SEM(S-450),TG-DTG(HCCR-3000)等。

2 實驗方法

(1) 樣品制備:以鈦酸四異丙酯為前驅體,采用水熱法和溶膠-凝膠法制備出質量分數(shù)為40%的TiO2乙醇溶液[10-12](記為溶液1)。選用既有黏結性又具有造孔性的兩種分子量不同的乙基纖維素N50和N10,按質量比為9∶7制備出質量分數(shù)為10%乙基纖維素的乙醇溶液(記為溶液2);按照一定質量比制備出松油醇的乙醇溶液(記為溶液3)。將3種溶液混合并經過超聲分散、旋轉蒸發(fā)掉乙醇溶劑后制備出TiO2漿料，工藝流程如圖1所示。用絲網印刷工藝將TiO2漿料均勻涂覆在FTO導電玻璃表面上,置于馬弗爐中500 ℃燒結30 min，得到均勻的TiO2納米薄膜電極。

圖1 納米TiO2漿料制備工藝流程

(2) 樣品表征:采用TG-DTG分析儀對薄膜中有機物進行差熱分析;采用X射線衍射儀測定相結構;采用掃描電鏡觀測樣品顆粒尺寸及形貌。

(3) 電池的組裝:將燒結后的TiO2薄膜電極冷卻到80 ℃并浸泡于配制好的染料N-719的乙醇溶液里,20 h后取出并用乙醇進行清洗；將敏化TiO2電極與Pt電極組對,在電極側面滴加電解液,使電解液填充于TiO2電極與Pt電極之間,組裝成敏化太陽能電池(DSC)。

(4) 光電性能測試:光電轉換效率測試中采用的光源為450 W的氙燈(Oriel 91192,USA),光強為AM G1.5,使用吉士利2400源表(Keithley,USA)進行偏壓的控制和電流的測量,電池的測試面積為0.16 cm2。

3 結果與討論

3.1 差熱分析

研究DSC電池的關鍵問題之一是有機物物的殘留問題,有機物的殘存會導致電池電阻的增大,從而影響電池的光電效率。因此在納米薄膜的燒結過程中,要盡量使有機物揮發(fā)完全。圖2為TiO2納米薄膜的差熱分析曲線。從圖2中可以得到，隨著燒結溫度的逐漸升高,有機物的揮發(fā)也隨之減少；當燒結溫度達到550 ℃的時候,有機物的揮發(fā)已經達到極致,TiO2納米薄膜的質量不再發(fā)生變化。因此,將納米薄膜的燒結溫度確定為3個揮發(fā)階段,即350、470、550 ℃,并分別在各自的燒結溫度上保溫30 min,然后隨爐冷卻,以確保有機物的完全揮發(fā)。

圖2 TiO2納米薄膜的差熱分析曲線

3.2 XRD表征

圖3為TiO2納米薄膜的XRD圖譜。從XRD譜可知,出現(xiàn)了銳鈦礦型TiO2的特征峰(2θ=25.3°),說明燒結出的TiO2納米薄膜的晶相為銳鈦礦型;各峰存在較明顯的寬化現(xiàn)象,這可能由于在燒結過程中,有機物的殘留導致結晶尚不完善。

圖3 TiO2納米薄膜的XRD譜圖

3.3 SEM表征

在絲網印刷過程中,漿料濃度決定了納米薄膜的膜厚,膜厚越大,其吸附的染料也就越多,從而使電池的光電效率越高。松油醇是一種稀釋劑,在絲網印刷漿料中起著調節(jié)黏度的作用。因此,松油醇的用量影響著TiO2納米薄膜光陽極的性能,進而影響電池效率。我們制備了65%、70%、75%和80%含有4種不同質量分數(shù)松油醇的TiO2漿料,采用絲網印刷并燒結成納米薄膜。

圖4為不同松油醇含量制備的TiO2納米薄膜的SEM。從圖4中看到，當松油醇的含量為75%時,燒結出的TiO2薄膜無明顯的裂紋,結構致密平整,不會導致電解質中氧化還原電對與光陽極導電基底直接接觸而造成電池短路。因此適合做薄膜電極。

圖4 不同松油醇含量制備的TiO2納米薄膜的SEM

3.4 電池的光電性能表征

以所得TiO2納米薄膜電極為光陽極,考察松油醇用量對電池光電性能的影響，結果見圖5(圖中η為光電效率)。由圖5可看出:隨著松油醇的含量增加,電池的短路電流Isc、開路電壓Voc和前沖因子FF的變化趨勢大體一致。但松油醇的含量為75%時,電池的光電轉換效率最優(yōu)。說明適當?shù)乃捎痛加昧?有利于提高電池的光電效率;松油醇用量過少,會使薄膜的黏度過低,不利于成膜(見圖4(a)、圖4(b));過多容易團聚,在燒結的過程中,松油醇會分解,造成薄膜開裂(見圖4(d)),松油醇用量過多或過少都會造成電子傳輸過程中短路,從而影響電池性能。因此,本實驗結合圖4與圖5的分析,選用松油醇最佳用量為75%。

圖5 不同松油醇含量對電池光電性能的影響

4 實驗運行模式與內容拓展

本綜合實驗實施開放式實驗運行模式,首先將題目發(fā)給學生,學生先閱讀教材、在圖書館查閱相關書籍與文獻資料、觀看動漫,對實驗內容進行預習;然后設計實驗方案,與教師討論,經審核后,進行實驗。多年來沿用的實驗教學模式是按照教學計劃固定做某幾個實驗，而且實驗裝置和儀器調試都由教師事先準備好,教師還要詳細講解實驗目的、原理、操作步驟等。這種方法,致使學生在教學過程中處于被動地位,造成學生的依賴思想。而開放式實驗可很大程度提高學生做實驗的主動性和積極性,且可利用課余時間、假期來進行實驗。

另外,根據(jù)具體實驗條件和課時數(shù),本綜合實驗可拓展以下實驗內容:

(1) 在制備TiO2時,可研究水熱溫度與燒結溫度對其晶型的影響；

(2) 可在研究電池的光電效率過程中,進行TiO2薄膜吸光度的研究；

(3) 可研究TiO2溶膠中黏度的變化對納米薄膜表面物理性能的影響；

(4) 可研究有機物用量、前驅體溶度、pH值等因素對光電效率的影響。

5 結論

(1) TiO2合成條件溫和、工藝過程安全、無有害物質泄漏與排出,是一條安全性與環(huán)保性友好的實驗技術路線。

(2)涵蓋知識點多,將材料合成與制備、無機化學、有機化學、材料現(xiàn)代檢測技術等知識有機結合了起來。

(3) 具有一定的創(chuàng)新性,實驗過程中學生分組進行實驗,方案自主設計,可以進行拓展實驗內容訓練,從而鍛煉學生的文獻查閱能力、科研創(chuàng)新能力、團隊合作能力及多方位思維能力。

(4) 該實驗方案設計合理,易于操作,產物的各項性能易于表征,在激發(fā)學生對化學合成、納米材料研究興趣的同時,能夠有效幫助學生鞏固已學相關課程的知識。

References)

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Exploration of comprehensive experimental design on TiO2nano-film for dye-sensitized solar cells

Nan Hui1, Lin Hong1,2, Wang Gang1, Chen Huiyuan1, Yang Guijun1, Wei Haomin1

(1. School of Mechanical Engineering,Qinghai University,Xining 810016,China; 2. State Key Laboratary of New Ceramics & Fine Processing,Department of Material science and Engineering,Tsinghua University,Beijing 100084,China)

The comprehensive experimental teaching is an important part of teaching reform. In order to make undergraduates majoring in new energy materials to grasp the principle of photoelectric conversion and preparation of photoelectric materials,an experiment was designed,including the preparation of TiO2photoanodes by the sol-gel method and the relationship between photoelectric conversion efficiency and terpineol content.The designing experiment with simple route includes a lot of knowledge and is beneficial to develop students’ability on using knowledge and carrying out scientific research flexibly,thus it can be applied as a comprehensive experiment of the experimental course of the students majored in new energy materials.

comprehensive experiment; dye-sensitized solar cells; light-to-electricity conversion; TiO2nano-film

2014- 06- 13 修改日期：2014- 07- 31

國家自然科學基金項目(51362025)；青海省“昆侖學者”計劃基金項目

南輝(1984—),男,山西運城,碩士,講師,主要從事新能源材料研究

E-mail：865615800@qq.com

王剛 (1963— ),男,青海西寧,博士,教授,主要從事化工材料研究.

G642.0;TB383

A

1002-4956(2015)2- 0050- 04