基于染料敏化太阳能电池光电性能影响因素的研究设计性实验设计

杨广武

(中国石油大学(华东) 理学院, 山东 青岛 266580)

随着新能源在我国国民经济中的地位日益攀升,新能源行业的人才需求日趋增长[1-4]。2010年教育部首次批准浙江大学、华北电力大学等11所大学开设“新能源科学与工程”专业和“新能源材料与器件”专业,截至2018年,全国开设新能源专业的高校已经达到80所[5]。新能源相关专业立足于国家“十二五”发展规划,根据能源领域的发展趋势和国民经济发展需要,培养在风能、太阳能、地热、生物质能等新能源领域从事相关工程技术领域的开发研究、工程设计、优化运行及生产管理工作的跨学科复合型高级工程技术人才,以满足国家战略性新兴产业发展对新能源领域教学、科研、技术开发、工程应用、经营管理等方面的专业人才需求[6-7]。然而,由于开设时间较晚,我国的新能源专业建设还处于起步阶段,需要不断研究与探索[8-10]。针对新能源专业的实验教学的改革势在必行。研究型设计性实验需要学生灵活地、创造性地运用所学的基础知识和基本技能,去寻找和探索解决问题的最佳途径,能够充分调动学生学习的兴趣和积极性,培养学生的动手能力、创新能力及综合运用知识的能力,缩短理论知识与实践应用的距离,引导学生由知识学习向科学研究的初步转变[11-13]。基于此,在大量教学和科研的基础上,以新能源专业的重要教学内容之一“太阳能电池”为例,开发了研究型设计性实验项目“染料敏化太阳能电池光电性能影响因素”,并从教学理念、教学方法、实验内容、训练目标、教学环节等多个方面不断优化改革,取得了显著的教学效果。

1 实验内容与训练目标的设计原则

首先,遵循系统性原则,在实验环节的选择和安排上形成一个体系,使实验内容环环相扣,既不脱离理论教学要求,又能培养基本实验技术；其次,坚持协调性原则。理论与实验教学相互协调、相互促进和补充。最后,突出实践性原则。实验结果、方式和手段尽可能接近科研实际。因此,在“染料敏化太阳能电池光电性能影响因素”实验的内容和训练目标的设计上,融入了材料制备方法、材料表征手段、器件组装技术、性能测试方法等多种实验方法,并合理地安排各训练环节,以全方位、系统地训练和强化学生的各项能力(见图1)。

图1 实验内容与训练目标设计示意图

2 实验的教学组织过程

以“研究性教学”为理念,构建“探究性实验教学模式”(见图2)。从学生的已有知识、经验出发,设置动态的、开放的实验内容和问题,要求学生通过自主探究了解现象、掌握规律并重视合作学习,通过团队协作共同参与并体验知识的获得过程,构建对事物的新认识。

图2 研究型设计性实验的教学组织过程

2.1 创设问题情境

通过创设情境,介绍实验的主题、背景等,使教学信息具有新奇性,从而使学生产生好奇心和求知欲,激发其探究动机和兴趣。

教学实例：教师介绍当前存在的能源和环境问题,以说明新能源发展的迫切性和必要性；介绍各种新能源技术,引出实验的主题“染料敏化太阳能电池”。

2.2 提出存在问题

教师预先设计问题,逐步引导学生认识问题、提出问题。在设计问题时充分考虑学生的现有水平,与学生已有的知识经验相联系。学生先了解一些,但仅凭已有知识又不能完全解决,在这个结合点上产生问题,最能激发学生的认识冲突,最能有效地驱使其有目的地去探究。

教学实例：教师引导学生考虑：“染料敏化太阳能电池从本质上作为一种电源器件,其最重要的性能参数包括哪些？”学生基于已有知识,总结出电流、电压等参数,并在教师的引导下,修正为光电流、光电压、光电转化效率等。此时教师进一步引导学生思考影响这些参数(光电性能)的因素都包括哪些？从而引出实验内容“染料敏化太阳能电池光电性能影响因素”。

2.3 商讨解决方案

学生围绕实验内容进行讨论,并在教师的引导下形成一致的思想和意见,自发组建4人左右的实验团队,确定要研究的课题,然后进行研究计划和实验实施方案的制订。要求学生根据自己对具体问题的理解,充分利用已有知识和经验,结合有关的知识,独立地、创造性地进行分析、判断和探索解决方案。

教学实例：影响染料敏化太阳能电池光电性能的主要因素包括二氧化钛晶型、染料敏化剂种类、染料与太阳光谱的匹配程度、染料的吸附量、电解液浓度、电解液电位等。学生基于对染料敏化太阳能电池的理解以及所掌握的基础知识,都能够讨论得出大部分影响因素。学生基于对研究某一影响因素的兴趣,自发组队并确立研究课题。例如,A小组研究“二氧化钛晶型对光电性能的影响规律”,B小组研究“染料敏化剂种类对光电性能的影响规律”等。小组成员根据所立课题的目的要求、预期结果,结合专业知识、实验能力以及实验条件,制定出详细的实验内容、方法和计划,并与指导教师讨论,确定最终的实验方案。以B小组的研究课题为例,学生最终修改制定的内容模板参考如下：

研究课题：染料敏化剂种类对光电性能的影响规律。

实验目的：获得N719与Z907两种不同染料对太阳能电池光电性能的影响规律。

仪器试剂：N719染料、Z907染料、FTO导电玻璃,以及其他制备染料敏化太阳能电池所需关键材料(TiO2浆料、电解液、氯铂酸等)、丝网印刷机、紫外可见分光光度计、太阳能电池I-V特性测试系统、太阳能电池IPCE测试系统等。

技术路线：

(1) 切割、清洗FTO导电玻璃。刻字笔做编号标记后,用万用表辨别FTO的导电面,从导电面切割FTO导电玻璃(建议尺寸为2 cm×3 cm)4片。首先用洗衣粉轻轻搓洗FTO,然后分别在去离子水、无水乙醇中超声清洗3～5 min,用聚四氟乙烯镊子夹住吹干,备用。

(2) TiO2膜电极的制备。采用丝网印刷技术在FTO表面印刷TiO2浆料,静置除去表面缺陷,125 ℃干燥后,测量TiO2薄膜的厚度。通过重复上述“印刷—静置—干燥”步骤,控制TiO2薄膜厚度。将TiO2薄膜进行125～500 ℃的分段升温热处理。冷却至室温后,即得到多孔TiO2膜电极。

(3) 染料敏化剂溶液的配制。分别配制N719染料、Z907染料的乙醇溶液待用。

(4) 染料敏化剂的吸附。经过煅烧后的多孔TiO2膜电极冷却到80 ℃左右,浸入上述染料敏化剂溶液中,浸泡12 h后取出,在乙醇中浸泡20 min左右,取出冲洗后晾干,即获得染料敏化的TiO2电极。

(5) Pt对电极制备。采用热解法制备Pt对电极。在导电玻璃上滴一滴氯铂酸的乙醇溶液,待其扩散均匀并挥发掉乙醇后,450 ℃下热解30 min。为了方便电池封装时电解液的填充,预先用钻孔机在对电极上钻孔。

(6) 电池组装。电池在进行光电性能测试之前均封装。将量子点敏化的TiO2膜电极和Pt对电极用热熔化Surlyn树脂薄膜黏结起来,然后将电解液从Pt对电极预留的小孔中注入,再用Surlyn树脂薄膜将小孔密封,即得到染料敏化太阳能电池器件。

(7) 电池检测。采用太阳能电池I-V特性测试系统测试器件的短路电流、开路电压、填充因子以及能量转换效率等；采用太阳能电池IPCE测试系统测试器件的量子效率。

(8) 不同染料对染料敏化太阳能电池光电性能的影响规律。分别测定N719、Z907两种不同染料溶液的紫外可见光吸收光谱,确定其吸光特性；分别测定基于2种不同染料所组装的太阳能电池的光电性能。分析染料结构、吸光特性对太阳能电池光电性能的影响规律。

2.4 进行实验验证

各个实验小组按照制定的实验方案、实验方法、实验步骤进行,小组成员之间合理分工,实施实验,随时记录实验的现象、结果、数据等。指导教师随时观察各个小组的实验情况,进行必要的指导、纠正、引导,以保证实验顺利有序进行。

2.5 结果与讨论

对实验获得的原始数据进行分析与处理,总结数据,得出结论,分析规律或原因；同时对实验中出现的问题或发生的现象做出理论解释、说明。结论内容要求严谨、精练、准确。

主要数据及分析过程如下：

(1) 分子结构分析。学生通过资料检索,获得N719染料、Z907染料的分子结构,并分析其结构特点及对太阳光吸收和光电性能的影响。从图3中可以看出，N719和Z907均为钌配合物,该结构类型的分子在可见区具有强而宽的金属中心到配体的电荷跃迁,适于作光敏化剂。2种染料的分子结构中都具有2, 2′-联吡啶单元,该结构单元上的羧酸基团可以与二氧化钛表面的羟基键合,使染料吸附到二氧化钛的表面上。其作用原理是：染料吸收可见光后,能够从基态跃迁到最低激发态,即电子由金属中心的d轨道跃迁到配体4, 4′-二羧酸-2, 2′-联吡啶的π轨道,紧接着电子就会以飞秒到皮秒级的速度注入到二氧化钛的导带,并传输到外电路,形成光电流。N719染料与Z907染料分子结构的主要不同点在于：N719染料中,2个联吡啶单元上各有一个质子被四丁基胺(TBA)取代,而Z907染料中,其中一个联吡啶单元上的2个羧基被长链烷烃取代。

图3 N719染料(a)、Z907染料(b)的分子结构

(2) 吸光特性分析。学生对N719染料、Z907染料的紫外可见吸收光谱曲线做出分析,对比分析2种染料的吸光范围、吸收峰位置、吸收强度等。从图4中可以看出，N719染料与Z907染料均能够在可见光范围内产生明显的吸收,吸光范围和吸光区域基本相同。N719染料的吸光强度更高,吸收峰位置也Z907染料蓝移10 nm左右。

(3) 量子效率分析。由电池的IPCE曲线可以看出染料对太阳光不同波段的转化情况。学生对N719染料、Z907染料的IPCE曲线做出分析,对比两种染料在主要吸光范围内的入射单色光子-电子转化效率,从图5中可以看出，N719染料与Z907染料均在可见光范围内具有较高的单色光转化效率。N719染料的高单色光转化效率的范围更宽,大约在450～650 nm,而Z907染料的高单色光转化效率的范围要窄一些,大约在500～600 nm之间。

图4 N719染料、Z907染料的紫外可见吸收光谱曲线

图5 N719染料、Z907染料的IPCE曲线

(4) 光电性能分析。由I-V曲线可以获得太阳能电池的光电性能参数,如开路电压(VOC)、短路电流(JSC),填充因子(FF)以及光电转换效率(η),学生据此分析N719染料、Z907染料对光电性能的影响。从图6及表1中可以看出，N719染料与Z907染料均具有较高的光电转化效率,基于2种染料所组装的太阳能电池具有相近的光电性能参数。N719染料的光电转化效率更高,主要是因为采用N719染料的太阳能电池具有较高的光电流。

图6 N719染料、Z907染料的I-V曲线

CellJSC/(mA·cm-2)VOC /VFF /%η/%N71914.720.72687.46Z90712.650.68696.09

2.6 质疑与评定

不同小组之间分享成果,相互进行质疑、评定。

以上主要以“染料敏化剂种类对光电性能的影响规律”课题为例示意了研究型设计性实验的基本程序、设计方法和教学过程。由于影响染料敏化太阳能电池的因素很多,因此学生可以有充分的思考空间,从TiO2纳米颗粒的制备方法、晶型结构、TiO2膜电极的厚度、染料吸附量、电池面积以及环境温度等各个方面确立课题,实施实验。

3 结语

太阳能开发与利用技术是当今新能源研究的热点和重要领域,“染料敏化太阳能电池光电性能影响因素”实验有利于激发学生的学习热情和科研兴趣。将其设计为研究型设计性实验项目,使学生经历文献调研、团队组建、实验设计、实验操作、数据分析、结论总结、报告撰写、实验答辩等一整套科研训练过程,有效提高了学生综合运用知识的能力和科研能力,尤其是以学生为主体确立实验课题及实验方案的“探究性实验教学模式”,极大提高了学生的独立思考能力和创新意识。近年来,依托各类研究型设计性实验项目的建设和教学,中国石油大学(华东)新能源方向的实验教学和人才培养质量得到了极大的提高。