浸染料時間對DSSC性能的影響

于 敏，王傳嶺

(嘉應學院醫學院，廣東 梅州 514000)

浸染料時間對DSSC性能的影響

于 敏，王傳嶺

(嘉應學院醫學院，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構，本文重點考察了浸染料時間對電池性能的影響，研究發現，當浸染料時間為為3h時，DSSC的性能較好。

染料敏化太陽能電池；染料；TiO2膜

隨著能源危機的日益嚴峻，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注。而利用電池將光能轉換成電能，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成本相對較低、制備工藝簡單及對環境友好等優點，吸引了國內外科研工作者的研究興趣。

自1991年Gr?tzel制備出光電轉換效率為7.1%的DSSC[1]以來，科學家對它進行了深入的研究并取得較大的進展。DSSC是由光陽極、電解質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體薄膜構成，染料吸附量的多少會直接影響電流密度，進而影響電池性能。在半導體薄膜與染料相同的情況下，影響染料吸附量的關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。組裝電池并對其進行性能測試。

1.2 實驗結果分析

(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吸附過程，當染料吸附到TiO2膜的表面后，染料分子的最低未占軌道與TiO2的導帶電子云發生重疊，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有一部分發生解析，值得注意的是，由于N719和TiO2之間的電子轉移通道是由這個酯鍵來提供的，這個解析效應會使得激發態染料不能及時有效地將光生電子注入TiO2導帶中，從而導致DSSC的電流密度減小，降低電池的光電轉換效率。另外，隨著TiO2膜浸染料時間的增長，TiO2膜的微觀結構會發生一定的變化，孔徑可能會變大，導致染料吸附量變小。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，導致光生電子數先增多后減少，且當浸染料時間為3h時，染料吸附量較大，光生電子數就較多；當浸染料時間大于3h時，Jsc減小，可能有兩個原因：一是由于染料吸附量的減少，使得光生電子數減小，從而使得Jsc減小；另一個原因是隨著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，從而導致Jsc減小。

(3) 光電轉化效率η和最大功率密度Pm的分析

圖3表明了電池的光電轉換效率η和最大功率密度Pm隨著浸染料時間的變化。當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，電池的光電轉換效率和最大功率密度減小。光電轉換效率和最大功率密度之所以發生這種變化，是因為隨著浸染料時間的變化，膜的微觀結構發生了變化，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致光生電子數的變化，從而改變電流，進一步改變了光電轉換效率和最大功率密度；TiO2膜電阻的改變導致在相同電壓下，電池的電流不同，從而導致光電轉換效率和最大功率密度的變化。當浸染料時間為3h時做成的電池，光電轉換性能較好。

圖3 光電轉化效率(η)和最大功率密度(Pm)與浸染料時間的關系曲線

2 結論

本節采用刮刀法制備TiO2膜，通過改變浸染料的時間觀察其對DSSC性能的影響，發現隨著浸染料時間的增加，染料吸附量先增大后減小，當浸染料時間為3h時，染料吸附量較大。通過比較四種電池的J-V曲線發現，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

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