Overview
资料来源: 德克萨斯州 & m 大学化学系, 塔玛拉。
今天的现代世界需要使用大量的能源。虽然我们利用煤和石油等化石燃料的能源, 这些来源是再生, 因此供应是有限的。为了保持我们的全球生活方式, 我们必须从可再生资源中提取能量。就丰度而言, 最有希望的可再生资源是太阳, 它为我们提供了足够多的太阳能, 足以使我们的地球多次得到充分的燃料。
那么我们如何从太阳中提取能量呢？自然是最先发现的: 光合作用是植物将水和二氧化碳转化为碳水化合物和氧气的过程。这一过程发生在植物的叶子, 并依赖于叶绿素色素, 颜色的叶子绿色。正是这些有色分子吸收了来自阳光的能量, 这吸收了能推动化学反应的能量。
1839年, 19 岁的法国物理学家爱德蒙？贝克勒尔在他父亲的实验室里做了实验, 创造了第一个光伏电池。他照亮了一个酸性溶液氯化银, 这是连接到铂电极产生电压和电流。1在19后期的th和前半部分 20th世纪中取得了许多发现和进展, 只有在 1954年, 贝尔实验室才建成了第一个实用太阳能电池。从二十世纪五十年代开始, 太阳能电池被用来为太空中的卫星供电。2
太阳能电池是利用光创造电流的电子设备。该视频演示了一种这种类型的细胞, 染料敏化太阳能电池 (DSSC) 的准备和测试。第一次发明在加州大学伯克利分校由布赖恩 O ' 里根和迈克尔 tzel, tzel 追求这项工作在高等理工é de 洛桑在瑞士, 高潮在第一高效率 DSSC 在1991年。3这些太阳能电池和植物一样, 使用染料来帮助利用来自太阳的能量。
Principles
乐队理论:
当两个原子聚集在一起形成分子轨道时, 就形成了两个轨道, 一个是键合, 另一个是反对称。4这些用一定量的能量隔开。当n原子聚集在一起形成分子轨道, 如在一个固体, n分子轨道形式。当n很大时, 在能量中间距很大的轨道的数目也同样多。结果是一个类似能量的轨道带 (图 1)。原子中的电子位于这些波段。布带是用电子填充的最高能量带。它类似于分子的最高被占领分子轨道 (智人)。传导带是不被电子填充的最低波段, 类似于分子的最低未被占用的分子轨道 (LUMO)。带隙是这两个波段之间的能量差。
当带隙较大时, 固体材料为绝缘体: 电子不能在材料中自由流动 (图 1)。相比之下, 导体是那些挂布-传导带隙是模糊的。在导体中, 如金属, 施加电压会使价带中的一些电子产生导电带。这些兴奋的电子可以自由移动。电子留下正面孔, 也自由地移动。在现实中, 空穴不移动, 而是电子移动来填满正孔。在导体中, 随着温度的升高, 分子振动增加, 从而阻碍了电子的流动, 降低了电导率。
半导体是在0开尔文中充当绝缘体的材料, 但随着温度的升高而成为导体 (图 1)。这是因为带隙-在价和传导带之间的能量-是小的, 因此热能足够足够激发电子入传导带。典型的内在半导体包括硅和锗。
图 1.绝缘子、半导体和导体的带图。阴影带充满了电子, 而白色带是空的。离散电子由一个红色球体表示, 而离散孔则由一个白色球体表示。
光伏效应:
当光线照射到半导体时, 它可以激发电子从价带到传导带。这个电子可以再与它留下的空穴重新组合, 导致电子流不净。或者, 它可以在电路的周围通过半导体, 并在电路的另一端与一个孔进行重组。从暴露在阳光下产生的电子流动被称为光伏效应。这后一种情况是想要产生电能, 因此系统必须设计成有利于这种过度重组。
一种有利于这一点的方法是设计具有 p-n 结点的单元格,即, 在 n 和 p 掺杂半导体之间的连接。这是半导体, 其中一些原子被替换为相邻的原子周期表。在掺 n-掺杂的半导体中, 这些被电子所取代的原子, 在 p 掺杂的半导体中, 这些被原子所取代, 它们的电子较少。"传统的" 硅基太阳能电池利用这种方法。
然而, 一种新型的太阳能电池是 DSSC 的, 通常被称为 tzel 细胞。5这些都是有希望的, 因为它们是半透明的, 而且它们的成本大大减少。这些太阳能电池仍然利用半导体, 但它是一种染料, 是用来吸收从太阳的光。
DSSC 的组件:
DSSC 中有许多组件, 如图 2所示。
染料
为了促进光伏效应, DSSC 利用染料。染料分子吸收光, 促进电子从键合轨道到键轨道。这个激发的电子可以向下回落到键合轨道, 从而导致电子不流动。或者, 它可以被注入一个半导体, 一个 DSSC 的生产通路。这留下一个洞, 必须填补, 以完成电路。对于生产通路, 在染料中激发态电子的能量必须大于半导体的传导带。染料还应吸收大部分的太阳光谱, 以提高细胞的效率。典型的染料是钌 (Ru) 为基础的, 因此限制了 DSSC, 因为这种金属不是很经济。
在这个实验中, 我们将利用在一些浆果中发现的天然染料 (花青素), 如黑莓和覆盆子。花青素染料的结构必须具有几个 = O 或-OH 组, 允许染料绑定到 TiIVO2表面 (图 3)。6
半导体
激发的电子然后流向半导体的传导带。我们将在本实验中使用的半导体是2。
阳极
电子流动从半导体到阳极, 在这种情况下, 是诺2镀膜玻璃。诺2允许玻璃上的导电表面, 否则将是绝缘体。
阴极
通过负载后, 电子来到阴极, 同样在诺的2中被覆盖。在这种情况下, 阴极还被催化剂覆盖, 石墨有助于促进介质的氧化还原反应。
调解
电子从阴极传递到 i3-, 将其还原为 i.这种减少的分子可以将电子捐献给染料分子中留下的空穴, 完成电路。此过程将重新生成3-。3-/i-单元电位和费米电平之间的差异对应于太阳能电池的开路电位, 或可以与电池一起产生的最大电压。
在这个视频中, 一个 DSSC 的准备和它的性能评估。
图 2.DSSC 的示意图阳光被染料吸收, 将电子提升到染料中的键轨道。该电子然后移动到2传导带, 留下一个洞。电子绕过电路并传递负载,用于将 i3-还原为 i, 然后将其氧化回 i3, 因为电子填充染料中的孔。
图 3.在一些浆果中发现的花青素色素将螯合到2表面。
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Procedure
1. 准备2粘贴
- 大量出6克的胶体的2粉末, 并将其放置在砂浆中。
- 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。
- 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。
- 加入1滴肥皂到1毫升蒸馏水, 轻轻混合。
- 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。
- 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
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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
- 把一些黑莓, 覆盆子, 或樱桃在一个迫击炮和粉碎他们与杵。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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
- 使用另一种导电玻璃滑动, 按照步骤 2.1-2.2。
- 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。
- 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
- 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。
- 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。
- 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。
- 用 kimwipes 和乙醇擦拭暴露区域的多余电解质。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 组装电路, 如图 5 (右) 所示。
- 将电位器设置为完全 (或零) 电阻, 并注意电流和电压。
- 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一种有前途的替代传统的半导体光伏, 并已成为商业可行的近年来。
染料敏化细胞通过在高温度和高光子入射角上独特地产生一致的功率来补偿其较低的效率, 在低光照下比硅太阳电池的功率要多出近50%。它们是相当容易制造和可以使用天然的, 丰富的植物性颜料作为染料。这段视频演示了染料敏化太阳能电池的操作, 展示了使用植物色素在实验室中创建测试样品的基本程序, 并讨论了一些应用。
所有的太阳能电池都依靠光的能力, 将能量捐献给电子来产生电流。
在单原子中, 电子仅限于离散能级。然而, 当它们吸收光的光子时, 电子会暂时提升到更高的能级, 在较低的能级上留下一个洞。
当两个原子接近时, 它们扰乱彼此的电子。这就产生了电子能占据的新能级。随着额外的原子增加, 更多的能级形成, 最终凝聚成稠密的能量带。
在半导体中, 未被占用的能级形成高能传导带, 而被占领的能级形成低能量的价带。能量差被称为 "带隙能量"。如果有带隙能量的光子撞击电子, 电子将被提升, 留下一个洞。电子和空穴都可以在原子和原子之间进行, 直到它们重组。
现在我们已经看到了半导体如何吸收光能, 让我们来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分离开来, 从而降低了重组的速度。
该细胞含有光敏染料、半导体层、电解质和两个电极。半导体是一种稳定的电介质, 如锐钛矿2。电解质通常是一种有机碘化物, counter-electrode 是一种耐腐蚀和耐热的材料, 通常是铂或碳。
该半导体为介孔, 包含一单层吸附染料。当染料电子被光子激发时, 它会立即注入半导体的传导带中。
半导体将电子传送到光电, 并反过来向电路。电子返回通过 counter-electrode, 其中废电解质减少, 完成循环。
有效染料对整个可见光谱有反应。早期染料包括有机钌配合物。这些提供高转换入红外线, 但昂贵和困难生产。植物性光敏色素, 如类胡萝卜素和花色苷, 更丰富和实用, 虽然效率较低。
这些都是原则。现在让我们来检查一下实验室的基本操作程序。
在这里演示的程序, 使染料敏化太阳能电池的快速制造和测试, 只使用共同的前体和实验室材料。
开始时, 加入6克锐钛粉末2粉到砂浆。加入 2-3 毫升的醋, 并研磨暂停, 以打破肿块。迭代添加醋在1毫升增量和研磨, 直到总共9毫升已增加。浆糊最终应该是一致的。
接下来, 用1毫升蒸馏水轻轻地搅拌一滴碟皂, 产生表面活性剂溶液。将表面活性剂溶液轻轻地混入糊状物中, 注意不要产生气泡。允许悬挂平衡
清洁两个诺2涂层导电玻璃, 使用低的皮棉擦拭浸泡在乙醇。用万用表找到它们的导电面。导电面应具有10-30 Ω的电阻。
将滑片贴在工作台上, 一导电侧向上, 另一导电侧向下, 这样5-8 毫米被遮罩, 没有气泡。使用一根玻璃棒, 在导电侧的顶边涂上一条薄薄的、均匀的粘贴线。让胶片稍微干燥一点, 然后取下胶带。
将滑块放在热板上, 使其导电。这部电影将先变暗为紫褐色, 然后变白。当发生这种情况时, 关闭热板, 保持幻灯片顶部。在冷却到室温后, 记录胶片的表面积。
准备 counter-electrode, 清洁第二导电玻璃滑板。将碳催化剂应用于导电面。用镊子把导电的一面放在打火机的火焰上。让煤烟收集不超过 30 sec. 用镊子重新定位幻灯片, 并以相同的方式覆盖剩余的边角, 确保覆盖整个幻灯片。
现在, 电极已经准备好了, 让我们构建染料敏化太阳能电池。
用刮刀压碎烧杯中的覆盆子、黑莓或樱桃。然后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, 将光电放在培养皿中, 导电侧向下, 注意不要刮掉胶片。当染色完成后, 小心地撤回幻灯片, 并检查没有白色的补丁是可见的。用乙醇冲洗滑块, 晾干。
将计数器电极面放在胶片上, 保持幻灯片之间的偏移。将活页夹剪辑附加到幻灯片边缘。沿边缘放置几滴电解质, 并让它通过略微打开活页夹剪辑在胶片上渗出。单元格现在可以操作了。
准备在卤素灯下测量电池的性能。将电池定向到光电, 使其朝向卤素灯。使用万用表测量开路电位和短路电流。
接下来, 将单元格连接到一个500Ω电位器, 以创建在文本协议中显示的电路。通过电位器依次增加电阻, 用万用表测量电压和电流。
所收集的数据用于创建电流电压曲线, 它描述了太阳能电池的太阳能转换及其太阳能效率。
曲线穿过 x 轴的点称为开路电压, 它是零电流的最大电压。在 0 V 上的最大电流点出现在曲线与 y-axis 的相交处。
最大功率点 (边际) 发生在曲线的 "膝" 上, 为太阳能电池的理想运行提供电压和电流条件。电流电压曲线的边际化提供了一种比较不同太阳电池性能的方法。本实验测量的开路电压可以达到0.5 伏特和1-2 毫安/cm2的短路电位值。
染料敏化太阳能电池是有价值的利基应用, 并在这个视频的方法, 使细胞快速原型与新的染料。
由于染料敏化太阳能电池在低光照下能产生高功率, 因此它们对于 "光收获"、室内光对功率传感器、ID 标签、数据传送器等的重用非常有用。实现这一点的一种方法是开发染料, 在带隙内引入能量水平, 电子可以 upconvert 到传导波段。从经验上来说, 这增加了一倍的 photon-to-electron 转换近红外线波长通过取代单一的高能吸收与两个低能量吸收。
染料敏化细胞用于光伏窗口的生产, 在那里, 在电极上加入了2中空玻璃微珠, 以减少污染并保持输出。对于这种可负担得起的制造技术, 如静电纺丝, 可以使用, 在那里, 一个在一个2浆料慢慢注入到一个电场, 以生产纳米纤维的高性能电极。另一种制造技术是喷墨打印。这已被用于在玻璃基板上沉积电极, 产生的效率为3.5% 的细胞。
你刚刚看了朱庇特对染料敏化太阳能电池的介绍。你现在应该熟悉染料敏化细胞的操作, 这是一种在实验室中廉价产生的过程, 以及一些应用。一如既往, 感谢收看!
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Results
对于在步骤 6.5. 3-6. 5.4 中收集的每个数据点, 计算当前密度 (mA/cm2) 和功率密度 (兆瓦/cm2)。要计算电流密度, 请将电流除以在步骤2.7 中确定的胶片的表面面积。计算功率密度, 乘以电流密度的电压。为步骤6.3、6.4 和 6.5. 3-6. 5.4 中收集的数据绘制电流 (mA) 与电压 (mV)。为所有数据绘制当前密度与伏特的图。这应该靠近曲线的 "膝盖"。通过将最大功率 (兆瓦/cm2) 除以传入的太阳能 (被视为 800-1, 000 瓦特/m2), 并乘以100% 来确定阳光对电能转换效率。
在太阳电池文献中, 对数据的分析和制备是标准的, 作为比较细胞性能的一种手段。测量的开路电压应介于0.3 和0.5 伏之间, 并应获得1-2 毫安/cm2的短路电位。
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Applications and Summary
这部影片展示了一个简单的 DSSC 的准备和分析。
太阳能电池越来越普遍, 目前正在进行大量的研究来提高它们的性能。以硅半导体为基础的传统太阳能电池被用来制造在空间和地球上使用的太阳能电池板。丹佛国际机场利用了科罗拉多阳光明媚的气候, 拥有四太阳能阵列, 提供了6% 的机场能源需求。
DSSCs 的运行效率高达 15%,7相比传统的低成本、商业化的硅板效率提高了14-17%。虽然 DSSCs 的运行效率是有竞争力的, 但高成本的材料 (如 Ru 染料) 对于 large-scale 应用来说是有问题的。DSSCs 的最大缺点可能是对温度变化敏感的液态电解质的使用。液态电解质可以在低温下结冰, 从而停止电力生产和/或导致太阳能电池板的结构损坏。在高温下, 液态电解质膨胀, 使得密封板具有挑战性。
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References
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