浸染料时间对DSSC性能的影响

于 敏，王传岭

(嘉应学院医学院，广东 梅州 514000)

浸染料时间对DSSC性能的影响

于 敏，王传岭

(嘉应学院医学院，广东 梅州 514000)

染料是染料敏化太阳能电池的重要组成部分，其中浸染料时间会直接影响染料的吸附量与光阳极的微观结构，本文重点考察了浸染料时间对电池性能的影响，研究发现，当浸染料时间为为3h时，DSSC的性能较好。

染料敏化太阳能电池；染料；TiO2膜

随着能源危机的日益严峻，太阳能作为一种取之不尽、用之不竭的绿色能源而引起了人们的更多关注。而利用电池将光能转换成电能，成为人们研究的热点。其中，染料敏化太阳能电池因具有生产成本相对较低、制备工艺简单及对环境友好等优点，吸引了国内外科研工作者的研究兴趣。

自1991年Grätzel制备出光电转换效率为7.1%的DSSC[1]以来，科学家对它进行了深入的研究并取得较大的进展。DSSC是由光阳极、电解质和光阴极三部分组成的，其中光阳极是由吸附有染料的半导体薄膜构成，染料吸附量的多少会直接影响电流密度，进而影响电池性能。在半导体薄膜与染料相同的情况下，影响染料吸附量的关键之一就是浸染料的时间，本文对此做了如下的研究。

1 实验

1.1 电池的制备流程

将松油醇、聚乙烯醇缩丁醛溶胶、TiO2按6.02：0.18：1的质量配比采用刮刀法制备TiO2薄膜，并分别将制得的TiO2薄膜浸染料1h，2h，3h和4h，，选用Pt电极作为DSSC的对电极。组装电池并对其进行性能测试。

1.2 实验结果分析

(1) 染料吸附量的分析

图1 染料吸附量(Q)随浸染料时间的变化

由图1可看出，当浸染料时间为3h时，染料吸附量(Q)较大。浸染料时间小于等于3h时，染料吸附量随浸染料时间的增大而增大。这是因为染料被TiO2膜吸附的过程是一个化学吸附过程，当染料吸附到TiO2膜的表面后，染料分子的最低未占轨道与TiO2的导带电子云发生重叠，形成类酯键[2]。

随着浸染料时间的增加，染料吸附量增大。在浸染料时间为3h左右到达最高，之后，染料吸附量开始减小，其原因可能有：随之浸泡时间的增加，空气中的水分越来越多的溶解在染料溶液中，由于TiO2的Ti-O键更易于与H2O中的羟基成键，使得与TiO2因形成类酯键而被吸附的N719有一部分发生解析，值得注意的是，由于N719和TiO2之间的电子转移通道是由这个酯键来提供的，这个解析效应会使得激发态染料不能及时有效地将光生电子注入TiO2导带中，从而导致DSSC的电流密度减小，降低电池的光电转换效率。另外，随着TiO2膜浸染料时间的增长，TiO2膜的微观结构会发生一定的变化，孔径可能会变大，导致染料吸附量变小。因为有研究表明TiO2膜表面孔径超过4nm的比例越多，染料吸附量越大[3]。

(2) J-V曲线分析

图2 不同浸染料时间的DSSC的J-V曲线

图2是制备的TiO2膜分别于染料中浸泡1h，2h，3h和4h所制得的DSSC的J-V曲线图。从该图可看出，随浸染料时间的增加，Jsc先增大后减小，当浸染料时间为3h时，DSSC的Jsc较大，为4.46mA/cm2。这是因为染料吸附量是随着浸染料时间的增加，而先增大后减小，导致光生电子数先增多后减少，且当浸染料时间为3h时，染料吸附量较大，光生电子数就较多；当浸染料时间大于3h时，Jsc减小，可能有两个原因：一是由于染料吸附量的减少，使得光生电子数减小，从而使得Jsc减小；另一个原因是随着TiO2膜在染料溶液中浸泡时间的增长，TiO2膜的骨架不再那么牢固，使得膜的电阻增大，从而导致Jsc减小。

(3) 光电转化效率η和最大功率密度Pm的分析

图3表明了电池的光电转换效率η和最大功率密度Pm随着浸染料时间的变化。当浸染料时间小于等于3h时，η随浸染料时间的增大而增大，直到浸染料时间为3h时，η较大，分别为η=2.014%和Pm= 2.014mW/cm2。然后随浸染料时间的增加，电池的光电转换效率和最大功率密度减小。光电转换效率和最大功率密度之所以发生这种变化，是因为随着浸染料时间的变化，膜的微观结构发生了变化，不但改变了染料吸附量，而且还改变了TiO2膜的电阻。染料吸附量的变化直接导致光生电子数的变化，从而改变电流，进一步改变了光电转换效率和最大功率密度；TiO2膜电阻的改变导致在相同电压下，电池的电流不同，从而导致光电转换效率和最大功率密度的变化。当浸染料时间为3h时做成的电池，光电转换性能较好。

图3 光电转化效率(η)和最大功率密度(Pm)与浸染料时间的关系曲线

2 结论

本节采用刮刀法制备TiO2膜，通过改变浸染料的时间观察其对DSSC性能的影响，发现随着浸染料时间的增加，染料吸附量先增大后减小，当浸染料时间为3h时，染料吸附量较大。通过比较四种电池的J-V曲线发现，随着浸染料时间的增加，短路电流密度、最大功率密度和光电转换效率都是先增大后减小，在浸染料时间为3h时，获得较大光电转换效率为2.014%，说明了浸染料时间为3h时，DSSC的性能较好。

[1] Regan O. Grätzel M. A low cost and high efficiency solar cell based on dye-sensitized colloidal TiO2films[J] .Nature, 1991, 353: 737- 740.

[2] Meyer T J，Meyer G J，Pfennig B Wetal. Moleeular-levelelectrontrans ferand exeitedstateassembliesonsurfaeesonmetaloxidesandglass[J].Inorg Chem，1994，33(18):3952一3964.

[3] Hwang Kyung Jun, Shim Wang Geun, Jung Sung Hoon, et al. Analysis of adsorption properties of N719 dye molecules on nanoporous TiO2surface for dye-sensitized solar cell[J].Applied Surface Science, 2010, 256: 5428- 5433.

(本文文献格式：于 敏，王传岭.浸染料时间对DSSC性能的影响[J].山东化工，2016，45(08)：85-87.)

2016-02-26

于 敏(1985—)，女，山东泰安人，助教，从事电池研究。

TM914.4

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1008-021X(2016)08-0085-02