6.28: 染料敏化太阳能电池

1. 准备₂粘贴

1. 大量出6克的胶体的₂粉末, 并将其放置在砂浆中。
2. 小心地将2-3 毫升的醋添加到₂, 并开始研磨与杵的悬浮, 直到得到一个均匀的糊。研磨的作用是粉碎聚集在粉末中的团簇。
3. 继续添加醋, 在〜1毫升增量, 而研磨, 高达〜9毫升总体积。在加入之前, 浆料的稠度应均匀, 无结块。最后的糊状物应厚, 但不要太厚, 不能挤出一个滴管瓶。
4. 加入1滴肥皂到1毫升蒸馏水, 轻轻混合。
5. 将碟状肥皂液添加到₂悬浮液中, 轻轻搅拌, 小心不要产生气泡。
6. 允许悬挂平衡15分钟。该碟肥皂作为表面活性剂, 以帮助使悬挂更容易蔓延到一个统一的电影在玻璃上。

2. 在玻璃上沉积的₂

1. 清洁两个导电玻璃滑板。用乙醇浸泡 kimwipe, 用它擦干净两片导电玻璃。将干净的幻灯片放在新的 kimwipe 上。
2. 确定玻璃的哪一面是导电的。使用万用表设置为欧姆, 触摸两个导致玻璃的一面。如果观察到10和30Ω之间的读数, 它是导电的一面。读数为0Ω表示不导电的一面。
3. 屏蔽幻灯片。将一个玻璃滑板与导电侧向上, 另一玻片的导电侧向下。小心地保持幻灯片的感人, 将玻璃滑梯贴在长凳上。将磁带放在幻灯片的四边的三处, 确保 5-8 mm 的幻灯片在三边 (图 4) 中的每一侧都有磁带覆盖。用力按压胶带, 确保没有气泡。
4. 应用₂粘贴。使用玻璃棒, 在幻灯片的蒙版上边缘应用一条薄薄的粘贴线。用玻璃棒小心地把粘贴下来的幻灯片的长度, 并备份。重复这项运动2-3x 不抬杆, 或直到一个统一的电影获得。
   1. 如果胶片不均匀, 只需用 kimwipe 擦拭, 用乙醇清洁玻璃, 再干一次, 再试一次。
5. 让胶片干一点, 然后小心地从玻璃上取下胶带。带有₂胶片的幻灯片应该在导电面上。另一张幻灯片可以在以后进行清理和使用。
6. 退火₂胶片。小心地将幻灯片 (₂侧上) 放在设置为450° c 的热板上。观看, 当₂的颜色变暗为紫色/褐色, 并恢复其白色颜色。此时, 将板关闭, 让胶片慢慢冷却。如果幻灯片冷却得太快, 它可能会开裂或碎裂。
7. 用尺子测量覆膜的表面积, 并记下这个值。

图 4.在玻璃上沉积的₂ 。

3. 用染料沾上₂胶片

1. 把一些黑莓, 覆盆子, 或樱桃在一个迫击炮和粉碎他们与杵。
2. 通过咖啡过滤器和培养皿过滤解决方案。可能需要在果汁里加几毫升水。
3. 将冷却的₂胶片放置在培养皿中, 将其朝下。小心不要刮掉任何₂。允许染料被吸附在胶片上。这可能需要几分钟的时间。
4. 一旦影片完全涂布 (它应该是深红色或紫色, 并没有白色斑点), 举起的幻灯片与钳子 (小心, 只硬的玻璃, 而不是电影), 并用清水冲洗幻灯片, 然后乙醇。用 kimwipe 涂抹干膜, 立即使用。
   1. 如果不立即使用, 然后存储在一个培养皿中含有醋酸在 pH 值 3-5, 并覆盖的菜盖和铝箔包装。

4. 准备计数器电极

1. 使用另一种导电玻璃滑动, 按照步骤 2.1-2.2。
2. 在导电面上应用碳催化剂。使用镊子, 保持幻灯片, 导电侧向下, 在本生燃烧器的尖端。移动幻灯片周围, 使煤烟收集在整个表面, 但不超过三十年代。让滑动冷却, 用棉签擦拭幻灯片一侧的烟灰。
   1. 另外, 使用 HB 铅笔, 用石墨覆盖整个导电表面。这给出了一个更健壮的电极, 但它的性能较差。

5. 组装太阳能电池

1. 将染色胶片烘干。用乙醇冲洗, 把它放在 kimwipe 上。用第二个 kimwipe 轻轻地涂抹这部电影。薄膜必须是干燥的, 以不影响电解质溶液。
2. 与电极膜侧向上, 轻轻地将碳涂层电极放在上面 (碳面向下)。一定要抵消幻灯片, 使两个电极的裸露侧面可以被裁剪成电线。将两个装订夹放在相邻的偏置玻璃的两侧。
3. 将几滴电解质溶液沿滑块边缘放置, 并通过交替打开/关闭活页夹剪辑, 仔细地打开/关闭单元格的每一侧。确保所有染色区域与电解质溶液接触, 必要时重复步骤5.2。
4. 用 kimwipes 和乙醇擦拭暴露区域的多余电解质。
5. 将鳄鱼夹子固定在太阳电池的两个侧面。

6. 测量电池性能

注意: 理想情况下, 这些测量将在外面进行。然而, 如果天气不允许, 他们可以做内使用卤素灯。所有的测量都应在不移动的情况下进行, 以便在相同的条件下进行。

1. 一定要使该单元格的方向朝向太阳, 并将聚碳酸酯覆盖在电池上.这可以保护细胞免受紫外线的伤害。
2. 将负电极 (₂镀膜玻璃) 连接到万用表的负极线, 将正极 (C) 与万用表的正极 (图 5) 相连。
3. 将万用表设置为伏特, 并测量电压。这是开路电位 (在零电流下的最大电压)。将电池 (用手或固体物体) 盖住, 以确保电压降低。
4. 将万用表设置为毫安 (mA), 并测量最大电流。这是短路电流 (最大电流在零电压)。用 (手) 盖住电池以确保电流减小。
5. 记录一个全电流电压曲线使用500Ω电位器作为一个变量负载。
   1. 确定电位器上的引线是中央分路器。这种铅可以使阻力变化。为此, 请将万用表 (设置为欧姆) 连接到电位器上的两个引线, 并改变电位器的电阻。注意电阻是否发生变化。重复这两个组合的潜在顾客。在三组合中的两个中, 应观察电阻的变化。在两个组合中使用的带变化的引线是中心分路器, 而另外两个在功能上是相同的。
   2. 组装电路, 如图 5 (右) 所示。
   3. 将电位器设置为完全 (或零) 电阻, 并注意电流和电压。
   4. 改变电位器的阻力小增量, 并注意电流和电压, 使有几个点, 跨越的整个范围的电位器。在这些测量过程中, 一定不要移动单元格。一旦电流开始改变, 一定要收集许多数据点;当数据点不变时, 可以获得更少的点数。

图 5.电路图测量开路电位和短路电流 (左, 步骤6.3 和 6.4), 并记录 i-v 曲线 (右)。

染料敏化太阳能电池是传统半导体光伏的一种很有前途的替代品，近年来已具有商业可行性。

染料敏化电池通过在高温和高光子入射角下以独特的方式产生一致的功率来补偿其较低的效率，在弱光下产生的功率比硅太阳能电池高出近 50%。它们更容易制造，并且可以使用天然、丰富的植物性色素作为染料。本视频演示了染料敏化太阳能电池的作，演示了在实验室中使用植物色素创建测试样品的基本程序，并讨论了一些应用。

所有太阳能电池都依靠光向电子提供能量以产生电流的能力。

在单个原子中，电子被限制在离散能级。然而，当它们吸收光子时，电子会暂时上升到更高的能级，在较低的能级上留下一个空洞。

当两个原子靠近时，它们会扰动彼此的电子。这创造了电子可以占据的新能级。随着额外原子的添加，会形成更多的能级，最终聚结成致密的能带。

在半导体中，未占据的能级形成高能导带，而占据能级形成低能量价带。能量差异称为"带隙能量"。如果具有带隙能量的光子撞击电子，电子将被促进，留下一个空穴。电子和空穴都可以在原子之间传导，直到它们重新结合。

现在我们已经了解了半导体如何吸收光能，让我们看看如何在染料敏化太阳能电池中利用这种现象。

与硅太阳能电池不同，染料敏化太阳能电池将光吸收过程与电流传输过程分开，以降低复合速率。

该电池包含一个敏化剂染料、一个半导体层、一个电解质和两个电极。半导体是一种稳定的电介质，例如锐钛矿 TiO2。电解质通常是有机碘化物，而对电极是耐腐蚀和耐热材料，通常是铂或碳。

半导体是介孔的，包含单层吸附染料。当染料电子被光子激发时，它会立即注入半导体的导带。

半导体将电子传送到光电电极，进而传送到电路。电子通过对电极返回，在那里用过的电解质被还原，完成循环。

有效的染料对整个可见光谱有反应。早期染料包括有机钌络合物。这些器件可高地转换为红外线，但成本高昂且难以生产。植物性光敏色素，如类胡萝卜素和花青素，更丰富、更实用，尽管效率较低。

这些是原则。现在让我们检查一下实验室中的一个基本作程序。

这里演示的程序允许仅使用常见的前驱体和实验室材料快速制造和测试染料敏化太阳能电池。

首先向研钵中加入 6 克锐钛矿 TiO2 粉末。加入 2-3 mL？醋，研磨悬浮液以打碎结块。以 1 mL 的增量迭代加入醋并研磨，直到总共加入 9 mL。糊状物最终应该是均匀的。

接下来，将一滴洗洁精与 1 mL 蒸馏水轻轻混合，制成表面活性剂溶液。将表面活性剂溶液轻轻混合到糊状物中，注意不要产生气泡。让悬浮液平衡

使用浸泡在乙醇中的低绒湿巾清洁两张涂有 SnO2 涂层的导电载玻片。使用万用表找到它们的导电侧。导电侧的电阻应为 10-30 °C。

将载玻片用胶带粘在工作台上，一个导电面朝上，另一个导电面朝下，这样 5-8 mm 被遮盖并且没有气泡。使用玻璃棒，在导电侧的顶部边缘涂抹一条细而均匀的糊状线。让薄膜稍微干燥，然后撕下胶带。

将玻片放在热板上，导电面朝上，使其干燥。胶片会先变暗成紫棕色，然后变白。发生这种情况时，请关闭热板，保持载玻片位于顶部。冷却至室温后，记录薄膜的表面积。

要准备对电极，请清洁第二个导电载玻片。将碳催化剂涂在导电侧。用镊子将导电侧放在较轻的火焰上。让烟灰收集不超过 30 秒。用镊子重新定位载玻片，并以相同的方式用烟灰覆盖剩余的角落，确保覆盖整个载玻片。

现在电极已经准备好了，让我们构建染料敏化太阳能电池。

用抹刀在烧杯中压碎一些覆盆子、黑莓或樱桃。然后使用咖啡过滤器将溶液过滤到培养皿中，必要时加入几滴蒸馏水。

使用镊子将光电极放入培养皿中，导电面朝下，注意不要刮掉薄膜。染色完成后，小心地取出载玻片并检查是否看不到白色斑块。用乙醇冲洗玻片并吸干。

将对电极正面朝下放在薄膜上，保持载玻片之间的偏移。将活页夹连接到载玻片边缘。沿边缘滴几滴电解液，轻轻打开粘合剂夹，让它渗到薄膜上。该单元现在可以运行了。

准备在卤素灯下测量电池性能。调整电池的方向，使光电极面向卤素灯。使用万用表测量开路电位和短路电流。

接下来，将电池连接到 500 ？？potentiometer 来创建文本协议中显示的电路。依次通过电位器增加电阻，用万用表测量电压和电流。

收集的数据用于创建电流-电压曲线，该曲线描述了太阳能电池的太阳能转换及其太阳能效率。

曲线与 x 轴交叉的点称为开路电压，即零电流下的最大电压。0 V 时的最大电流点显示在曲线与 y 轴交叉的图表上。

最大功率点 （MPP） 位于曲线的"拐点"处，为太阳能电池的理想运行提供电压和电流条件。电流-电压曲线的 MPP 提供了一种比较不同太阳能电池性能的方法。本实验中测得的开路电压可以达到 0.5 伏特的值和 1-2 mA/cm2 的短路电位。

染料敏化太阳能电池在利基应用中很有价值，本视频中的方法允许使用新型染料对电池进行快速原型设计。

由于染料敏化太阳能电池在弱光下产生高功率，因此它们可用于"光收集"，即重复使用室内光为传感器、ID 标签、数据发射器等供电。实现这一目标的一种方法是开发在带隙内引入能级的染料，电子可以从该染料上转换到导带。从经验上讲，这通过用两个低能量吸收代替单个高能吸收，使近红外波长中的光子到电子转换增加了一倍。

染料敏化电池用于生产光伏窗，其中 TiO2 空心玻璃微球被添加到电极中，以最大限度地减少污染并保持输出。为此，可以使用静电纺丝等制造技术，将 TiO2 浆料缓慢注入电场中，以生产用于高性能电极的纳米纤维。另一种制造技术是喷墨打印。这已被用于将电极沉积在玻璃基板上，产生效率为 3.5% 的电池。

您刚刚观看了 JoVE 对染料敏化太阳能电池的介绍。您现在应该熟悉染料敏化细胞的作、在实验室中廉价生成染料敏化细胞的程序以及一些应用。一如既往，感谢您的观看！