TiO2浆料对染料敏化太阳电池性能的影响

董 淼，陈泽祥，张铁军，冯 晓，方 亮

（1.电子科技大学光电信息学院，四川 成都 610054;2中国科学院成都光电所，四川 成都 610209）

TiO2浆料对染料敏化太阳电池性能的影响

董 淼1，陈泽祥1，张铁军2，冯 晓2，方 亮2

（1.电子科技大学光电信息学院，四川 成都 610054;2中国科学院成都光电所，四川 成都 610209）

研究了不同浆料配方制备TiO2薄膜对染料敏化电池（DSS C）光电性能的影响。通过对TiO2颗粒进行预处理，对处理好的TiO2浆料添加各种表面活性剂，制得分散均匀的适合丝网印刷的TiO2浆料，并组装成染料敏化太阳电池。通过S E M，U V-Vi s对纳米晶TiO2薄膜进行表征，并对DSS C进行光电流-光电压（I-V）测试。结果表明：加入表面活性剂能够提高DSS C的光电性能，而通过预处理TiO2，DSS C性能进一步提高。通过优化工艺参数，DSS C的开路电压为0.74 V，短路电流为8m A，其光电转换效率为3.34%。

染料敏化太阳电池；TiO2浆料；表面活性剂

1991年，由瑞士科学家Grätzel教授等人采用纳米晶多孔TiO2作为染料载体，制作了染料敏化太阳电池，其光电转化效率达到7%，继而引起了世界各国科学家的极大兴趣。

由于DSSC具有成本低廉理论转化效率高，制备工艺简单，对环境友好等优点成为了新一代太阳电池的研究热点与重点[1-2]，目前其光电转化效率已达到12%[3]。

DSSC主要由纳米晶TiO2薄膜光阳极、电解质和对电极三个部分组成[4]。多孔纳米晶TiO2薄膜是DSSC的重要组成部分，多孔纳米晶TiO2颗粒能够极大地提高电极的染料吸附量，同时增加光线在薄膜电率极中的散射性能，提高了光的吸收率，同时能够把光生电子传送到光阳极，这为光生电子、空穴进行界面的氧化和还原反应提供了有利的环境[5]，其TiO2性能好坏直接关系到DSSC的光电效率。由于纳米TiO2颗粒粒径小，表面活性大，热力学不稳定，具有自发团聚的趋势[6-9]，这种性质会大大影响TiO2薄膜，要制备出光电性能较高的DSSC，关键在于制备出性能优异的TiO2浆料，得到分散均匀性好的TiO2薄膜[10]。

本文研究在TiO2粉体中加入一定量的添加剂，通过预分散步骤，使TiO2粉体均匀的分散开，通过添加其他溶剂，制备出适合丝网印刷的TiO2浆料。其中OP乳化剂，司班-85都能起到增强表面活性的作用，在提高浆料均匀性的同时提高薄膜的孔隙率，通过研究不同配方对电池性能的影响，设计出更有利于光吸收、电子注入的TiO2结构，提高DSSC的光电转换效率。

1 实验

1.1 实验原料与仪器

P25的粉末(德国Degussa)，乙基纤维素，冰乙酸，松油醇，司班-85，乙酰丙酮，OP乳化剂 (TritionX-100)，染料N719 (Dyesol Industries Pty Ltd)，Scotch Magic Tape，导电玻璃基片(FTO，15Ω/cm2)，玛瑙研磨钵，可控温磁力搅拌器(SH21-2恒温磁力搅拌器)，马弗炉，模拟光源100W氙灯（北京卓汉有限公司），高精度数字源表（4 200,美国Keithley公司），甩胶机(CHEMAT TECHNOLOGY SPIN-COATER FW-4A)等。

1.2 TiO2胶体的制备

将1 g TiO2粉体（P25，d=20 nm，德国Degussa）与一定浓度的稀醋酸溶液均匀搅拌，让其充分水解，搅拌完成后得到乳白色溶液，将一定量的乙基纤维素溶液（浓度10%，溶剂为乙醇），4m L松油醇以及各种表面活性剂按照不同的质量比添加到该溶液中（如表1），混合至溶液成为白色均匀胶状物，形成粘度适中、分散均匀的TiO2胶体。

表1 不同桨料的质量比

1.3 染料敏化纳米晶多孔TiO2电极的制备

采用丝网印刷法在FTO导电玻璃基底上印刷多孔薄膜，在室温下静置、烘干后，按照上述方法重复涂覆多次，得到厚度适中的TiO2薄膜，最后将薄膜放到马弗炉中进行烧结，烧结温度为500℃，保温30min。冷却下来后即得到纳米晶TiO2膜。随即将薄膜浸泡于一定浓度的N719染料溶液中24 h，染料将充分牢固地吸附在TiO2薄膜上，取出后用乙醇冲洗去掉多余染料，自然晾干，即得到染料敏化纳米晶TiO2薄膜光阳极。

1.4 DSS C的组装与测试

以镀铂的FTO导电玻璃为对电极，将制作好的染料敏化纳米晶TiO2薄膜为光阳极，按照“三明治”的方式组装成DSSC太阳电池，用注射器注入电解质溶液，并将其放置在标准太阳光模拟器(AM 1.5)下测试，通过高精度数字源表(4 200，美国Keithley公司)测试其I-V曲线。

2 结果与讨论

2.1 微观结构分析

图1 多孔TiO2薄膜的S E M图

图1为不同浆料印刷制备的多孔TiO2薄膜在500℃烧结后的SEM图。图1（a）为没有添加任何活性剂的样品SEM图像，图1（b）为添加司班－85活性剂的样品SEM图像，图1（c）为增加预分散及添加TritionX-100活性剂的样品SEM图像，图1（d）为经过工艺优化后，表面分布均匀的TiO2颗粒SEM图。

将图1（a）与图1（b）、1（c）进行比较可以观察到，图1（a）中的TiO2颗粒致密，孔隙率低，不利于TiO2薄膜吸附染料。染料的吸附实验证明，此种薄膜吸收染料最少，成淡紫色。图1（b）具有在颗粒大小不变的情况下，有比较好的孔隙率，其原因是，加入分散剂之后，使得有机物能够很好地将TiO2颗粒分散，在500℃烧结后，有机物挥发变得多孔，但是从图中可以看出，颗粒之间有明显的团聚现象，并且表面不均匀。图1（c）具有较高的空隙率，同时颗粒之间团聚明显减少，表面呈均匀状。其原因是，由于对TiO2颗粒进行预处理，对TiO2颗粒表面处于负极性，颗粒与颗粒之间相互排斥，阻止团聚现象发生。文献[11]报道纳米晶TiO2薄膜的孔隙率对电解质在电极中的扩散有较大影响。一方面，薄膜多孔，分散性好，可以加快I3－和I－在电极中的扩散速度；另一方面，分散性好，孔隙多会使太阳光在薄膜内部形成多次反射，增加了光线在TiO2薄膜中的传播路径，增加了对光的吸收，进而提高了光子光电转换效率[12]。图1（d）与图1（c）对比可以发现，对浆料的配方进一步优化，能够得到孔隙大小合适，TiO2颗粒分散均匀的薄膜。

通过观察对比不同浆料烧结后的光阳极，可以发现，未添加分散剂的薄膜表面形貌不均匀。分析其原因，TiO2属于极性氧化物，表面能很大，极易发生团聚现象。添加表面活性剂后，能够降低TiO2浆料和玻璃基底的润湿角，使得浆料很好地铺开，溶剂整体挥发，保证了烧结后薄膜和基底接触结合较好。通过进一步优化工艺参数，能够得到光学性能良好的TiO2薄膜。

2.2 薄膜光学性质分析

图2为各种浆料纳米晶TiO2薄膜的透过谱、吸收谱曲线图。

图2 TiO2薄膜光谱性质

由图2（a）可知，曲线A为没有添加分散剂的薄膜，整体的透过率比较高，对光的利用较少，在300 nm左右出现吸收峰，其原因为TiO2的禁带宽度为3.2 eV，只能吸收波长很小的紫外光。曲线B、C、D吸收值依次减少，实验结果表明，对TiO2浆料进行预处理，并加入TritionX-100分散剂，吸光度最好要比没有预分散的更好，分别采用司班-85分散剂，TritionX-100分散剂，以及经过预处理，加入TritionX-100分散剂，对比来看，加入分散剂使得TiO2薄膜对光的利用率增加，其原因为，分散性使得TiO2与有机溶剂之间分散更好，经过烧结后，孔隙分散均匀，使太阳光在薄膜内部形成多次反射，增加了光线在TiO2薄膜中的传播路径，增加了对光的吸收，进而提高了光子光电转换效率。

图2（b）是纳米晶TiO2薄膜的吸收谱。从图中可以看到，在相同吸收峰波长下，从B、C曲线表明有添加分散剂的薄膜对光的吸收较好，其原因为：纳米尺度的TiO2表面能很大，TiO2颗粒之间极易发生团聚效应，在TiO2中加入稀醋酸后，使得TiO2颗粒表面成电负性，颗粒之间相互排斥，有利于颗粒之间的分散，增加了光在在薄膜里的相互反射，提高了光的吸收率。

2.3 电池性能测试

图3表明：对TiO2进行预处理及在浆料中加入分散剂能够显著增加电池的光电性能，电池的开路电压从0.58 V增加至0.71 V，短路电流从1.2mA增加到4.7mA。原因归结为：预处理的过程使得TiO2之前彼此排斥，减少了团聚效应，而分散剂的添加，使得溶剂应力减少，保证了TiO2颗粒与有机溶剂充分，均匀的分散。通过烧结，薄膜呈现均匀多孔结构，这样保证了电解质溶液的充分扩散和染料分子的再生。大小适中，均匀的孔隙保证了TiO2纳米颗粒之间的链接，构成了网状通道。这种结构增加了光的吸收，提高了转化效率，达到2.02%。经过一系列的优化工艺，我们得到了各种溶剂的最佳配比，目前测得实验短路电流为8mA，开路电压为0.74 V，与之前的样品相比较转换效率提高了100%。表2为DSSC的光电性能对比。

图3 不同表面活性剂下DSS C的光电压-光电流关系曲线

表2 DSSC的光电性能对比

3 总结

研究了不同类型的表面活性剂和添加剂对TiO2薄膜形貌及DSSC光电性能的影响。实验表明，添加OP乳化剂（TritionX-100），司班-85能够提高薄膜的孔隙率，相应地提高DSSC的光电性能；对TiO2颗粒进行预分散作用，能够减少团聚作用，在分散剂的作用下，能够提高电子的传输效率，其开路电压为0.71 V，短路电流为4.7 mA，光电转换效率为2.02%，经过进一步优化工艺参数,效率提高到3.34%。

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Effects of TiO2paste componentson properties of dye-sensitized solar cells

DONGM iao1,CHEN Ze-xiang1,ZHANG Tie-jun2,FENG Xiao2,FANG Liang2
(1.Department of Optoelectronic Information,University of Electronic Science and Technology of China,Chengdu Sichuan 610054,China; 2.Institute of Opticsand Electronics,Chinese Acadmey of Sciences,Chengdu Sichuan 610209,China)

The effects of different paste formulation for TiO2thin films on the photoelectric performance of dye-sensitized cells were studied.Firstly,TiO2nano particles were pretreated.Secondly,several surfactants were added in the pretreated TiO2paste.Then a well-dispersed TiO2paste was obtained,which was proper for silk-screen printing. The nano-crystal TiO2films covered with dye N719 were assembled with electrolyte and the counter electrode to form dye-sensitized solar cell.SEM,UV-Vis were used to characterize the nano-crystal TiO2film,as well as the photoelectric properties of the DSSC were investigated. The results show that the photoelectric performance of DSSC is improved greatly by adding surfactants, and it presents further improvement after pretreatment.A photoelectric conversion efficiency of 3.34%is obtained when open voltage and short current is 0.74 V and 8 mA respectively with optimization of process parameters.

DSSC;TiO2pastes;surfactant

T M 914

A

1002-087 X(2013)11-1962-03

2013-04-16

国家自然科学基金项目(61071027)；中央高校基本科研业务费(23801008)；新世纪优秀人才支持计划(NCET-09-0260)

董淼(1989—),男，陕西省人，硕士，主要研究方向为染料敏化太阳电池。