染料敏化太阳能电池

1. 二氧化钛的制备₂ 粘贴

1. 称取6 g胶体TiO₂粉末，置于研钵中。
2. 小心向TiO₂中加入2–3 mL醋，用研杵开始研磨悬浮液，直至形成均匀的糊状物。研磨的目的是打散粉末中的团聚颗粒。
3. 在研磨过程中，以约1 mL为增量继续添加醋，总添加量至约9 mL。每次添加前，应确保糊状物质地均匀且无颗粒。最终的糊状物应较为浓稠，但不能过于黏稠而无法从滴瓶中挤出。
4. 将1滴洗洁精加入1 mL蒸馏水中，轻轻混合。
5. 将洗洁精溶液加入TiO₂悬浮液中，轻轻搅拌，注意避免产生气泡。
6. 让悬浮液静置平衡15分钟。洗洁精作为表面活性剂，有助于使悬浮液更易在玻璃表面铺展成均匀的薄膜。

2. 在玻璃上沉积 TiO₂

1. 清洁两片导电玻璃片。用乙醇浸湿一张无尘纸，擦拭两片导电玻璃片以清洁表面。将清洁后的玻璃片放置在一张新的无尘纸上。
2. 确定玻璃片的导电面。将万用表调至欧姆档，用两个探针同时接触玻璃片的一侧表面。若读数在 10 至 30 Ω 之间，则该侧为导电面；若读数为 0 Ω，则为非导电面。
3. 对玻璃片进行遮蔽。将一片玻璃的导电面朝上放置，另一片的导电面朝下放置。小心保持两片玻璃相互接触，并用胶带将其固定在实验台面上。在玻璃片四边中的三边贴上胶带，确保每边约有 5–8 mm 的区域被胶带覆盖（图 4）。用力按压胶带，确保无气泡产生。
4. 涂覆 TiO₂ 浆料。使用玻璃棒，在玻璃片被胶带遮蔽的上边缘处涂上一条薄薄的浆料线。用玻璃棒小心地将浆料沿玻璃片长度方向向下滚动，再向上滚回。重复此操作 2–3 次，过程中不抬起玻璃棒，直至形成均匀的薄膜。
   1. 若薄膜不均匀，只需用无尘纸将其擦除，用乙醇清洁玻璃片表面，待干燥后重新操作。
5. 让薄膜稍作干燥，然后小心地从玻璃片上移除胶带。带有 TiO₂ 薄膜的一侧应位于导电面上。另一片玻璃片可清洁后留待后续使用。
6. 退火处理 TiO₂ 薄膜。小心地将玻璃片（TiO₂ 面朝上）放置于设定为 450 °C 的加热板上。观察 TiO₂ 薄膜颜色逐渐变深至紫褐色，随后恢复为白色。此时关闭加热板，让薄膜缓慢冷却。若冷却过快，玻璃片可能发生开裂或破碎。
7. 使用直尺测量薄膜覆盖的表面积，并记录该数值。

图 4. 在玻璃上沉积 TiO₂。

3. 用染料对TiO₂薄膜进行染色

1. 取少量黑莓、树莓或樱桃放入研钵中，用研杵将其研碎。
2. 将溶液通过咖啡滤纸过滤至培养皿中。必要时可向果汁中加入几毫升水。
3. 将冷却后的TiO₂薄膜正面朝下放入培养皿中。注意不要刮掉任何TiO₂。让染料吸附在薄膜上，此过程可能需要数分钟。
4. 当薄膜完全被覆盖后（应呈深红色或紫色，无白色斑点），用镊子夹起载玻片（注意仅接触玻璃部分，避免触碰薄膜），先用水冲洗，再用乙醇冲洗。用无尘纸轻轻吸干薄膜表面，并立即使用。
   1. 若不立即使用，应将薄膜存放在含有pH为3-5的乙酸的培养皿中，盖上皿盖并用铝箔包裹。

4. 制备对电极

1. 使用另一块导电玻璃片，重复步骤 2.1–2.2。
2. 将碳催化剂涂覆在导电面。用镊子夹住载玻片，使导电面朝下，置于本生灯火焰尖端上方。移动载玻片，使烟灰均匀沉积在整个表面，但时间不超过 30 秒。待载玻片冷却后，用棉签擦拭载玻片一侧边缘的烟灰。
   1. 或者，使用 HB 铅笔在整个导电表面均匀涂上石墨。这种方法可得到更坚固的电极，但性能较差。

5. 组装太阳能电池

1. 将染色后的薄膜晾干。用乙醇冲洗，并将其放置在无尘纸上。用另一张无尘纸轻轻吸干薄膜表面。薄膜必须完全干燥，以免影响电解质溶液。
2. 将电极膜面朝上，轻轻将碳涂层电极置于其上（碳面朝下）。确保两片玻璃片错开一定距离，以便两个电极的暴露部分均可连接导线。在错开的玻璃片两侧各夹上一个文件夹夹子。
3. 沿玻璃片的一侧边缘滴加数滴电解质溶液，通过交替开合夹子，小心地打开/闭合电池的两侧。确保所有染色区域均与电解质溶液接触，如有必要，重复步骤5.2。
4. 用无尘纸和乙醇擦去暴露区域多余的电解质。
5. 将鳄鱼夹固定在太阳能电池的两个暴露电极端。

6. 测定细胞性能

注意：理想情况下，这些测量应在室外进行。但如果天气条件不允许，也可在室内使用卤素灯进行。所有测量过程中均不得移动细胞，以确保在完全相同的条件下完成测量。

1. 确保将电池的方向调整为二氧化钛（TiO₂）薄膜朝上，面向太阳，并在电池上方放置聚碳酸酯盖板，以保护电池免受紫外线损伤。
2. 将负极（涂有TiO₂的玻璃）连接到万用表的负极导线，将正极（C）连接到万用表的正极导线（图5）。
3. 将万用表调至电压档，测量电压。此值为开路电位（零电流时的最大电压）。用手指或不透明物体遮盖电池，以确认电压下降。
4. 将万用表调至毫安档（mA），测量最大电流。此值为短路电流（零电压时的最大电流）。用手指遮盖电池，以确认电流下降。
5. 使用500-Ω电位器作为可变负载，记录完整的电流-电压曲线。
   1. 确定电位器上的哪个引线是中心抽头。该引线可实现电阻的调节。为此，将万用表（调至欧姆档）连接到电位器的两个引线上，并调节电位器的电阻，观察电阻是否发生变化。对另外两组引线组合重复此操作。在三组组合中，应有两组显示出电阻变化。在两组产生变化的组合中均被使用的引线即为中心抽头，其余两个引线在功能上是相同的。
   2. 按照 图5（右图）所示连接电路。
   3. 将电位器调至最大（或最小）电阻，记录此时的电流和电压。
   4. 以小幅度逐步改变电位器的电阻，记录对应的电流和电压，以获取覆盖电位器整个调节范围的多个数据点。测量过程中务必不要移动电池。当电流开始变化时，应采集较多的数据点；在电流保持稳定时，可采集较少的数据点。

图 5。 用于测量开路电位和短路电流（左，步骤 6.3 和 6.4）以及记录 I-V 曲线（右）的电路图。