敏化太阳能电池TiO2纳米薄膜光阳极综合实验设计

南 辉, 林 红,2, 王 刚, 陈慧媛, 杨桂军, 韦浩民

(1. 青海大学 机械工程学院, 青海 西宁 810016;2. 清华大学 材料科学与工程系新型陶瓷与精细工艺国家重点实验室, 北京 100084)



敏化太阳能电池TiO2纳米薄膜光阳极综合实验设计

南 辉1, 林 红1,2, 王 刚1, 陈慧媛1, 杨桂军1, 韦浩民1

(1. 青海大学 机械工程学院, 青海 西宁 810016;2. 清华大学 材料科学与工程系新型陶瓷与精细工艺国家重点实验室, 北京 100084)

为了让新能源专业本科生了解和掌握光电转换原理和光电材料的制备,在大量研究工作的基础上,设计了关于TiO2纳米薄膜光阳极的制备及其性能研究综合实验,包括溶胶-凝胶法制备纳米TiO2光阳极、松油醇对光电性能的影响等实验内容。该实验路线简单易行,涵盖知识点多,有利于培养学生综合运用知识进行科学研究的能力,可以作为新能源专业的综合性实验项目。

综合型实验; 敏化电池; 光电转换; TiO2纳米薄膜

随着西部大开发战略和西部高校综合提升计划的深入,促使西部高校进一步加强科学研究和实验教学的结合,推动实验教学内容、方法、手段及人才培养模式的改革和创新,以弥补对学生创新和综合能力培养的欠缺,使学生在研究型实验的过程中,养成良好的创新思维习惯,提高学生分析与解决问题的能力,进而为学生以后从事独立的科研工作等实际工作打下坚实的基础[1-7]。

青海大学新能源专业的学生通过对材料合成与制备等理论课程的学习,具备了一定的理论知识,但实践动手能力相对薄弱。为此,通过与教师的科研项目相结合,开设“纳米材料的合成与表征”等与科研项目相关的综合性实验,使学生更好地了解材料制备技术的新进展,为学生将来进入社会储备一定的实践技能。

TiO2纳米薄膜材料是重要的光电转换材料和催化材料,其制备技术一直是材料和化学领域的前沿课题[8-9]。为了让新能源材料专业本科生尽早了解和掌握光电转换原理,熟悉光电转换过程中关键材料的制备技术，在大量研究工作的基础上,我们设计了一个涉及TiO2纳米薄膜材料的制备、纳米材料的简单表征和光电性能评价的综合型实验。目的是让学生对光电转换技术具有较好的了解。该实验可以应用于光催化、固体电子、材料和化学化工等专业的学生实验,具有广泛适用性。

1 实验试剂与仪器

试剂:钛酸四异丙酯、染料N-719、4-特丁基吡啶、乙基纤维素、松油醇等为分析纯。电解液主要成分为0.05 mol/L的碘、0.5 mol/L的碘化锂和0.5 mol/L的4-特丁基吡啶,溶剂为乙腈。

仪器:磁力搅拌器,真空干燥箱,离心机,马弗炉,X射线衍射仪(XD-3A),SEM(S-450),TG-DTG(HCCR-3000)等。

2 实验方法

(1) 样品制备:以钛酸四异丙酯为前驱体,采用水热法和溶胶-凝胶法制备出质量分数为40%的TiO2乙醇溶液[10-12](记为溶液1)。选用既有黏结性又具有造孔性的两种分子量不同的乙基纤维素N50和N10,按质量比为9∶7制备出质量分数为10%乙基纤维素的乙醇溶液(记为溶液2);按照一定质量比制备出松油醇的乙醇溶液(记为溶液3)。将3种溶液混合并经过超声分散、旋转蒸发掉乙醇溶剂后制备出TiO2浆料，工艺流程如图1所示。用丝网印刷工艺将TiO2浆料均匀涂覆在FTO导电玻璃表面上,置于马弗炉中500 ℃烧结30 min，得到均匀的TiO2纳米薄膜电极。

图1 纳米TiO2浆料制备工艺流程

(2) 样品表征:采用TG-DTG分析仪对薄膜中有机物进行差热分析;采用X射线衍射仪测定相结构;采用扫描电镜观测样品颗粒尺寸及形貌。

(3) 电池的组装:将烧结后的TiO2薄膜电极冷却到80 ℃并浸泡于配制好的染料N-719的乙醇溶液里,20 h后取出并用乙醇进行清洗；将敏化TiO2电极与Pt电极组对,在电极侧面滴加电解液,使电解液填充于TiO2电极与Pt电极之间,组装成敏化太阳能电池(DSC)。

(4) 光电性能测试:光电转换效率测试中采用的光源为450 W的氙灯(Oriel 91192,USA),光强为AM G1.5,使用吉士利2400源表(Keithley,USA)进行偏压的控制和电流的测量,电池的测试面积为0.16 cm2。

3 结果与讨论

3.1 差热分析

研究DSC电池的关键问题之一是有机物物的残留问题,有机物的残存会导致电池电阻的增大,从而影响电池的光电效率。因此在纳米薄膜的烧结过程中,要尽量使有机物挥发完全。图2为TiO2纳米薄膜的差热分析曲线。从图2中可以得到，随着烧结温度的逐渐升高,有机物的挥发也随之减少；当烧结温度达到550 ℃的时候,有机物的挥发已经达到极致,TiO2纳米薄膜的质量不再发生变化。因此,将纳米薄膜的烧结温度确定为3个挥发阶段,即350、470、550 ℃,并分别在各自的烧结温度上保温30 min,然后随炉冷却,以确保有机物的完全挥发。

图2 TiO2纳米薄膜的差热分析曲线

3.2 XRD表征

图3为TiO2纳米薄膜的XRD图谱。从XRD谱可知,出现了锐钛矿型TiO2的特征峰(2θ=25.3°),说明烧结出的TiO2纳米薄膜的晶相为锐钛矿型;各峰存在较明显的宽化现象,这可能由于在烧结过程中,有机物的残留导致结晶尚不完善。

图3 TiO2纳米薄膜的XRD谱图

3.3 SEM表征

在丝网印刷过程中,浆料浓度决定了纳米薄膜的膜厚,膜厚越大,其吸附的染料也就越多,从而使电池的光电效率越高。松油醇是一种稀释剂,在丝网印刷浆料中起着调节黏度的作用。因此,松油醇的用量影响着TiO2纳米薄膜光阳极的性能,进而影响电池效率。我们制备了65%、70%、75%和80%含有4种不同质量分数松油醇的TiO2浆料,采用丝网印刷并烧结成纳米薄膜。

图4为不同松油醇含量制备的TiO2纳米薄膜的SEM。从图4中看到，当松油醇的含量为75%时,烧结出的TiO2薄膜无明显的裂纹,结构致密平整,不会导致电解质中氧化还原电对与光阳极导电基底直接接触而造成电池短路。因此适合做薄膜电极。

图4 不同松油醇含量制备的TiO2纳米薄膜的SEM

3.4 电池的光电性能表征

以所得TiO2纳米薄膜电极为光阳极,考察松油醇用量对电池光电性能的影响，结果见图5(图中η为光电效率)。由图5可看出:随着松油醇的含量增加,电池的短路电流Isc、开路电压Voc和前冲因子FF的变化趋势大体一致。但松油醇的含量为75%时,电池的光电转换效率最优。说明适当的松油醇用量,有利于提高电池的光电效率;松油醇用量过少,会使薄膜的黏度过低,不利于成膜(见图4(a)、图4(b));过多容易团聚,在烧结的过程中,松油醇会分解,造成薄膜开裂(见图4(d)),松油醇用量过多或过少都会造成电子传输过程中短路,从而影响电池性能。因此,本实验结合图4与图5的分析,选用松油醇最佳用量为75%。

图5 不同松油醇含量对电池光电性能的影响

4 实验运行模式与内容拓展

本综合实验实施开放式实验运行模式,首先将题目发给学生,学生先阅读教材、在图书馆查阅相关书籍与文献资料、观看动漫,对实验内容进行预习;然后设计实验方案,与教师讨论,经审核后,进行实验。多年来沿用的实验教学模式是按照教学计划固定做某几个实验，而且实验装置和仪器调试都由教师事先准备好,教师还要详细讲解实验目的、原理、操作步骤等。这种方法,致使学生在教学过程中处于被动地位,造成学生的依赖思想。而开放式实验可很大程度提高学生做实验的主动性和积极性,且可利用课余时间、假期来进行实验。

另外,根据具体实验条件和课时数,本综合实验可拓展以下实验内容:

(1) 在制备TiO2时,可研究水热温度与烧结温度对其晶型的影响；

(2) 可在研究电池的光电效率过程中,进行TiO2薄膜吸光度的研究；

(3) 可研究TiO2溶胶中黏度的变化对纳米薄膜表面物理性能的影响；

(4) 可研究有机物用量、前驱体溶度、pH值等因素对光电效率的影响。

5 结论

(1) TiO2合成条件温和、工艺过程安全、无有害物质泄漏与排出,是一条安全性与环保性友好的实验技术路线。

(2)涵盖知识点多,将材料合成与制备、无机化学、有机化学、材料现代检测技术等知识有机结合了起来。

(3) 具有一定的创新性,实验过程中学生分组进行实验,方案自主设计,可以进行拓展实验内容训练,从而锻炼学生的文献查阅能力、科研创新能力、团队合作能力及多方位思维能力。

(4) 该实验方案设计合理,易于操作,产物的各项性能易于表征,在激发学生对化学合成、纳米材料研究兴趣的同时,能够有效帮助学生巩固已学相关课程的知识。

References)

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Exploration of comprehensive experimental design on TiO2nano-film for dye-sensitized solar cells

Nan Hui1, Lin Hong1,2, Wang Gang1, Chen Huiyuan1, Yang Guijun1, Wei Haomin1

(1. School of Mechanical Engineering,Qinghai University,Xining 810016,China; 2. State Key Laboratary of New Ceramics & Fine Processing,Department of Material science and Engineering,Tsinghua University,Beijing 100084,China)

The comprehensive experimental teaching is an important part of teaching reform. In order to make undergraduates majoring in new energy materials to grasp the principle of photoelectric conversion and preparation of photoelectric materials,an experiment was designed,including the preparation of TiO2photoanodes by the sol-gel method and the relationship between photoelectric conversion efficiency and terpineol content.The designing experiment with simple route includes a lot of knowledge and is beneficial to develop students’ability on using knowledge and carrying out scientific research flexibly,thus it can be applied as a comprehensive experiment of the experimental course of the students majored in new energy materials.

comprehensive experiment; dye-sensitized solar cells; light-to-electricity conversion; TiO2nano-film

2014- 06- 13 修改日期：2014- 07- 31

国家自然科学基金项目(51362025)；青海省“昆仑学者”计划基金项目

南辉(1984—),男,山西运城,硕士,讲师,主要从事新能源材料研究

E-mail：865615800@qq.com

王刚 (1963— ),男,青海西宁,博士,教授,主要从事化工材料研究.

G642.0;TB383

A

1002-4956(2015)2- 0050- 04