紫甘蓝天然染料敏化三氧化二铋太阳能电池研究*

周国华，王春燕，梅光军，刘红

（1.湖北工业大学化学与环境工程学院，湖北武汉430064；2.武汉理工大学资源与环境工程学院，湖北武汉4300701）

紫甘蓝天然染料敏化三氧化二铋太阳能电池研究*

周国华1，王春燕1，梅光军2，刘红2

（1.湖北工业大学化学与环境工程学院，湖北武汉430064；2.武汉理工大学资源与环境工程学院，湖北武汉4300701）

对紫甘蓝天然染料敏化Bi2O3太阳能电池进行了研究。考察了Bi2O3薄膜的制备温度、染料吸附对Bi2O3太阳能电池性能的影响。结果表明，紫甘蓝天然染料作为敏化剂明显改善Bi2O3太阳能电池的光电性能。Bi2O3薄膜在500℃煅烧4h，在染料中吸附12h的太阳能电池的开路电压为0.250V，短路电流为0.063mA· cm-2。

太阳能电池；天然染料；三氧化二铋

随着人类经济的快速发展，矿物资源逐步枯竭，新能源的开发显得非常重要。太阳能具有取之不尽、用之不竭、高效清洁等优点，愈来愈受到广泛重视。将太阳能转换为电能的太阳能电池是太阳能利用的有效方式之一。1991年，Gratzel研究小组在Nature杂志上报道了新型太阳能电池——染料敏化多孔半导体薄膜太阳能电池（简称为DSSC）[1]。它采用高比表面积的纳米晶多孔TiO2薄膜作光电极，吸收染料后，电池的光电转化效率大大提高。这类太阳能电池具有制备简单、成本低廉和对环境无污染等优点，具有广泛的应用前景。此后，染料敏化太阳能电池受到广泛重视。目前，染料敏化太阳能电池大多利用TiO2薄膜或ZnO薄膜作光电极[2-8]。Bi2O3是P-型半导体，禁带宽度为2.7eV。目前，尚未有应用于染料敏化太阳能电池的报道。

本研究探讨以Bi2O3制备太阳能电池，考察了Bi2O3薄膜的制备温度、紫甘蓝天然染料吸附时间对Bi2O3太阳能电池的开路电压和短路电流的影响并研究该电池的伏安特性曲线。

1 实验部分

1.1 仪器及试剂

高温电阻炉（SX-4-13武汉亚华电炉有限公司）；透明导电玻璃（日本NSG公司FTO导电玻璃，厚度2.2mm，电阻小于14Ω·cm－2，透光率大于90%）；HLJ5451嵌入式70W金卤灯（佛山市南海区罗村迥龙灯饰电器有限公司）；Philips照明电源；BX7-11滑线式变阻器（上海艾镇电器厂制造）；UV1800-PC紫外分光光度计（美谱达仪器）。

Bi（NO3）3（A.R.国药集团化学试剂有限公司）；OP乳化剂（C.P.天津市光复精细化工研究所）；冰乙酸（A.R.国药集团化学试剂有限公司）；I2（A.R.国药集团化学试剂有限公司）；KI（A.R.国药集团化学试剂有限公司）。

1.2 实验方法

1.2.1 制备Bi2O3粉末称取NaOH 8.8g溶解于100mL蒸馏水中，Bi（NO3）3·5H2O 4.0g溶解于含有0.4mL浓HNO3的20mL蒸馏水中。在搅拌下将Bi（NO3）3溶液滴入NaOH溶液中，然后过滤并洗涤沉淀至中性。将过滤后的沉淀物置于105℃烘箱中烘干，然后分别在400、500、600℃煅烧4h。

1.2.2 Bi2O3薄膜电极制备导电玻璃用蒸馏水冲洗并浸泡在丙酮中用超声波清洗30min，然后密封保存备用。称取所制备的0.4gBi2O3于研钵中，边研磨边滴加数滴稀HAc，直到形成粘稠的胶体悬浮液，加入几滴OP乳化剂继续研磨。将导电面向上，用同样厚度的胶带固定两边。取适量Bi2O3浆液于导电面上，用玻璃棒迅速涂平，掀开胶带。将薄膜在500℃的马弗炉中煅烧4h。

1.2.3 紫甘蓝天然染料的制备及Bi2O3薄膜着色称取少量紫甘蓝洗净，切碎，加入20mL蒸馏水研磨，过滤，得到紫甘蓝染料溶液。将Bi2O3膜片在紫甘蓝染料溶液中吸附一定时间后取出，用蒸馏水冲洗膜片，再用无水乙醇冲洗。

1.2.4 紫甘蓝天然染料敏化Bi2O3太阳能电池组装将已经吸附染料的Bi2O3电极的着色面向上放在桌面上，把涂有碳膜的反电极放在上面，让两片玻璃略微错开，用两个夹子夹住电池，从一端滴入两滴I2/KI溶液，使两电极间隙充满电解质。用两根导线分别连接Bi2O3电极和反电极（电极的有效受光面积为1.0cm2）。

1.2.5 Bi2O3敏化太阳能电池性能测试以70W金卤灯为光源（光强30mV·cm－2）。在距离光源40cm处，采用万用表测量电池的短路电流Isc和开路电压Voc。通过改变500Ω可调电阻值，逐点测量电流电压值，即可获得电池的伏安特性曲线。

2 结果与讨论

2.1 Bi2O3粉末表征

图1为分别在400、500和600℃煅烧4h制备的Bi2O3XRD图。

将图1和Bi2O3的XRD标准卡片比较后发现，在400℃和500℃煅烧得到的Bi2O3为β-Bi2O3（（JCPDS No.71-2274），在600℃所煅烧所得的Bi2O3为α-Bi2O3（JCPDSNo.27-0050）。

图1Bi2O3粉末的XRD图Fig.1X-ray diffraction patterns of Bi2O3powders obtained by calcination at 400，500 and 600℃

2.2 紫甘蓝天然染料紫外-可见吸收光谱

紫甘蓝紫外-可见吸收光谱见图2。

图2 紫甘蓝天然染料紫外-可见吸收光谱Fig.2UV-Visible absorption spectra of natural dye extracted from red cabbage

从图2可知，紫甘蓝天然染料在可见光550nm附近有较强的吸收。因此，选择紫甘蓝作为敏化Bi2O3的色素。

2.3 Bi2O3薄膜制备温度对太阳能电池影响

Bi2O3膜片分别在400、450、500、550和600℃煅烧4h，吸附紫甘蓝染料时间为8h所制备的电池的开路电压和短路电流见图3。

图3Bi2O3薄膜煅烧温度对太阳能电池性能影响Fig.3Effect of Bi2O3films calcining at different temperature on dye-sensitized Bi2O3solar cells

从图3中可知，在所研究温度范围内，500℃煅烧获得的Bi2O3薄膜的开路电压和短路电流值最大。其开路电压为0.19V，短路电流为0.053mA·cm－2。

2.4 紫甘蓝天然染料吸附时间对太阳能电池影响

图4为染料吸附时间对在500℃下煅烧4h的Bi2O3膜片的电池的开路电压和短路电流影响。

图4 紫甘蓝染料吸附时间对太阳能电池性能影响Fig.4Effect of adsorption time of red cabbage dye on dyesensitized Bi2O3solar cells

从图4中可知，在12h内，随着紫甘蓝天然染料吸附时间的增加，Bi2O3的开路电压增大；吸附时间超过12h后，Bi2O3的开路电压减小。吸附染料12h的Bi2O3太阳能电池性能最好。其开路电压为0.246V，短路电流为0.060mA·cm-2。对比实验表明，在未进行染料敏化的Bi2O3太阳能电池的开路电压非常低，仅为0～10mV，短路电流为0。因此，紫甘蓝天然染料作为敏化剂能明显提高Bi2O3太阳能电池的开路电压及短路电流。

2.5 伏安特性曲线测定

Bi2O3薄膜在500℃煅烧4h，在紫甘蓝天然染料中吸附12h的太阳能电池的伏安特性曲线见图5。

图5Bi2O3电池的伏安特性曲线Fig.5Current-potential curve for dye-sensitized Bi2O3solar cells with red cabbage dye as sensitizer

该电池的开路电压为0.25V，短路电流为0.063mA·cm-2。用曲线拐点处的最大输出功率Pm（ImVm=8.8×10-3mW）除以光的入射功率Pin（30mW·cm－2），即可获得电池的光电转化效率为0.03%。

3 结论

紫甘蓝天然染料敏化剂能明显提高Bi2O3太阳能电池的开路电压及短路电流。

Bi2O3薄膜在500℃煅烧4h，在紫甘蓝天然染料中吸附12h的太阳能电池的开路电压为0.250V，短路电流为0.063mA·cm-2，其光电转化效率为0.03%。

虽然紫甘蓝天然染料敏化Bi2O3太阳能电池电池的光电转化效率低，但其新颖。可以从提高Bi2O3比表面积，选择具有优异的光电敏化性能的敏化剂等方面进一步研究。

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Dye-sensitized Bi2O3solar cells with natural dye extracted from red cabbage*

ZHOU Guo-hua1，WANG Chun-yan1，MEI Guang-jun2，LIU Hong2
（1.School of Chemical and Environmental Engineering,Hubei University of Technology,Wuhan 430064,China; 2.School of Resources and Environment Engineering,Wuhan University of Technology,Wuhan 430070,China）

Dye-sensitized Bi2O3solar cells was studied with natural dye extracted from red cabbage.The effect of calcination temperature and adsorption of dye on Bi2O3films was investigated.Red cabbage dye as a sensitizer can significantly improves the photovoltaic performance of Bi2O3solar cells.The results indicate that a short circuit photocurrent density(Isc)of 0.063mA·cm-2and an open circuit voltage(Voc)of 0.250V are achieved.

solar cells；natural dyes；Bi2O3

book=2010,ebook=250

TK115.4

A

1002-1124（2010）11-0004-03

2010-09-30

国家高技术研究发展计划（863）项目（2007AA06Z123）

周国华，男，博士，从事环境工程研究。