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染料敏化太阳能电池

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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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