天然染料敏化TiO2太阳能电池的制备及光电性能测试
一、实验目的1了解染料敏化纳米TiO2太阳能电池的工作原理及性能特点。2掌握合成纳米TiO2溶胶的方法、染料敏化太阳能电池光阳极的制备方法以及电池的组装方法。3掌握评价染料敏化太阳能电池性能的方法。
二、实验原理
一、DSSC结构和工作原理
DSSC结构：染料敏化太阳能电池的结构是一种“三明治”结构如图1所示，主要由以
下几个部分组成导电玻璃、染料光敏化剂、多孔结构的TiO2半导体纳米晶薄膜、电解质和铂电极。其中吸附了染料的半导体纳米晶薄膜称为光阳极，铂电极叫做对电极或光阴极。
DSSC电池的工作原理：电池中的TiO2禁带宽度为32eV，只能吸收紫外区域的太阳光，可见光不能将它激发，于是在TiO2膜表面覆盖一层染料光敏剂来吸收更宽的可见光，当太阳光照射在染料上，染料分子中的电子受激发跃迁至激发态，由于激发态不稳定，并且
染料与TiO2薄膜接触，电子于是注入到TiO2导带中，此时染料分子自身变为氧化态。注入到TiO2导带中的电子进入导带底，最终通过外电路流向对电极，形成光电流。处于氧化态的染料分子在阳极被电解质溶液中的I还原为基态，电解质中的I3被从阴极进入的电子还原成I，这样就完成一个光电化学反应循环。但是反应过程中，若电解质溶液中的I在光阳
极上被TiO2导带中的电子还原，则外电路中的电子将减少，这就是类似硅电池中的“暗电流”。整个反应过程可用如下表示
l染料D受激发由基态跃迁到激发态D：
DhvD
2激发态染料分子将电子注入到半导体导带中：DDe
3I还原氧化态染料分子：4I3扩散到对电极上得到电子使I再生：5氧化态染料与导带中的电子复合：
3I2DI32DI32e3IDeD
6半导体多孔膜中的电子与进入多孔膜中I3复合：I32e3I其中，反应5的反应速率越小，电子复合的机会越小，电子注入的效率就越高；反应6是
造成电流损失的主要原因。
光阳极
目前，DSSC常用的光阳极是纳米TiO2。TiO2是一种价格便宜，应用广泛，无污染，稳定且抗腐蚀性能良好的半导体材料。TiO2有锐钛矿型A
atase和金红石型Rutile两种不同晶型，其中锐钛矿型的TiO2带隙32eV略大于金红石型的能带隙3leV，且比表面积略大于金红石，对染料的吸附能力较好，因而光
f图1DSSC结构与工作原理图
电转换性能较好。因此目前使用的都是锐钛矿型的TiO2。研究发现，锐钛矿在低温稳定，高温则转化为金红石，为了得到纯锐钛矿型的TiO2，退火温度为450oC。
染料敏化r