1．实验目的

1)掌握合成和表征纳米材料实验技能。

2）掌握组装电池的基本技能。

3）掌握光电流一电压和单色光转换效率仪器的使用技能。

4）了解电流产生的原理。

2．实验原理

染料敏化纳米晶TiO2太阳能电池的原理图如图2-5-1所示。

1)基态的染料光敏剂（D）受光激发，由基态跃迁到激发态（D*）：

D⁰（TiO2）——→D^*（TiO2）（1）

2)激发态染料分子将电子注入半导体氧化物（TiO2)的导带中：

D*（TiO2）——→D+（TiO2）＋e-（2)

3)氧化态的染料（D+）被电解质溶液中的电子给体I-还原，使基态的染料再生：

D+（TiO2)+3/2I——→D（TiO2)＋1/2 I3-(3)

4）注入半导体导带中的电子，在TiO2纳米晶网络中传输到导电玻璃的后接触面，经外电路运输到对电极，在对电极上，I-可以由I3-还原再生，完成整个电路循环：

I3-+2e-——→3I-（4)

在入射光的照射下，染料分子从基态跃迁到激发态1)；光生电子可以从激发态的染料分子注入半导体的导带中2)，激发态的寿命越长越利于电子的注入，反之，激发态的寿命越短，激发态的分子有可能来不及将电子注入半导体的导带中，就会通过非辐射衰减而跃迁到基态；溶液中的I-可以还原氧化态的染料从而使染料再生，这样就可以使电子不断地注入半导体的导带中3)；反应3)生成的I3-离子扩散到对电极上得到电子，使I-再生，这样就完成了电流的循环过程。

3．仪器和药品

(1）仪器

三口烧瓶；烘箱；水热釜；马弗炉；磁力搅拌器；旋转蒸发仪；DSC热封仪；电热板；超音波焊接机；丝网印刷机（手动）；小型台钻（打孔机）；J-V测试仪器；IPCE测试仪器、Keithley2400多功能电源电表等。

(2）药品

碘化锂；碘；高碘酸锂；四丁基吡啶；乙腈；偏氟乙烯-全氟丙烯共聚物；1-甲基-丙基咪唑碘；四氯化钛；钛酸四正丁酯；无水乙醇；二氧化钛浆料；导电玻璃(FTO);N719染料；surly胶；氯铂酸；铟粒。

4．实验步骤

(1)TiO2膜电极的制备

纳米晶多孔TiO2膜采用典型的“刮涂法”制备，有以下两种制备方法。

方法1：把清洗干净的导电玻璃FTO(14Ω/aq,NipponSheetGlass,Japan,2.2mm）置于40mmol/L的Ticl4的水溶液中于70℃加热30min，以增加TiO2和导电玻璃之间的黏附性。再将导电面向上（万用表可以测定导电面），用胶带固定两边使中间形成一个槽。滴两滴合成的TiO2溶胶，然后用干净的玻璃棒迅速沿胶带平行滑动，把多余的TiO2溶胶刮去，使TiO2溶胶在导电玻璃上均匀地展开。TiO2膜自然晾干或用红外灯烤干，变为透明的凝胶。干后，撤去胶带，导电玻璃背面沽有的TiO2凝胶用乙醇洗去。电极先在100℃烘箱中干燥30min，然后再于500℃的马弗炉中烧结30min，自然冷却。这种烧结可以除去合成胶体时加入的硝酸和有机物，也可以使纳米粒子之间较好地缩在一起，从而有利于电子在纳米晶膜中的传输。

方法2：利用丝网印刷机刷出TiO2膜，然后在500℃的马弗炉中烧结lh，保温30min烧结有一层TiO2凝胶的导电玻璃，再置于40mmol/L的TiC14的水溶液中于70℃加热30min，分别用水和无水乙醇冲洗干净，再于450℃的马弗炉中烧结30min，这种处理可以使纳米粒子之间更好地劲缩在一起，有利于电子在粒子之间的传输，从而改善电池的短路光电流。

(2)TiO2膜电极的着色

经过上述方法处理后的电极，在着色前，先在100℃的烘箱中加热30min，然后趁热浸入到浓度为（2-3)×10-4mol/L钉染料的乙醇溶液中（溶解样品时，加入1mlDMF溶剂，以增加溶解性），放置16-18h后，可以明显地看到膜电极上染料的颜色（钉染料通常为紫红色）。敏化结束后，取出膜电极用无水乙醇冲洗5-6次，洗去表面物理吸附的染料，吹干后，于80℃真空干燥3h，置于保干器中待用。

(3)对电极的制备

将10mmol/L氯铂酸的乙醇溶液滴加在已清洗干净的FTO导电玻璃上，用玻璃板刮涂至均匀，自然晾干。然后于400℃的马弗炉中烧结1h，保温30min。

(4）电池的组装

染料敏化太阳能电池的光电性能测试采用的是两电极法，即工作电极为着色后TiO2膜电极，对电极为镀有若干分子层的Pt镜。在染料敏化的TiO2膜电极上滴加一滴氧化还原电解质（0.5mol/L的Lil、0.05mol/L的I2和0.5mol/L的4-叔丁基吡啶溶解在50％的乙腈和50％的PC中），然后将对电极放在敏化的TiO2膜电极上，用夹子夹紧，即构成三明治式的“Gratzel电池”。

(5）光电流工作谱和电流一电压特性曲线的测定

光电流工作谱图利用两电极法在Keithley2400多功能电源电表上测定，如图2-5-2所示。500W氛灯光源产生的光通过紫外滤光片和单色仪后获得可见区的单色光，测定不同单色光照射在工作电极（有效面积为0.04cm2）上的短路光电流，然后根据公式算出各个波长下的IPCE，可得到IPCE与波长的关系曲线。将图2-5-2中的单色仪移去，用紫外滤光片滤掉小于300nm的紫外光，测定光强度为l00mW/cm2（模拟AMl.5的太阳光）白光照射下电池的I-V曲线。

5．数据处理及结果分析

结合图2-5-3分析染料敏化太阳能电池的光电性能。

6．注意事项

1)TiO2膜的制备中应该注意TiO2在FTO上丝网印刷时不易过厚，否则烧结后易脱落，膜在着色时，控制温度在100-140℃即可。

2）电池的封装中应注意surly中不能有气泡，否则会造成电解质泄露。