JoVE Logo

登录

染料敏化太阳能电池

Overview

资料来源: 德克萨斯州 & m 大学化学系, 塔玛拉。

今天的现代世界需要使用大量的能源。虽然我们利用煤和石油等化石燃料的能源, 这些来源是再生, 因此供应是有限的。为了保持我们的全球生活方式, 我们必须从可再生资源中提取能量。就丰度而言, 最有希望的可再生资源是太阳, 它为我们提供了足够多的太阳能, 足以使我们的地球多次得到充分的燃料。

那么我们如何从太阳中提取能量呢?自然是最先发现的: 光合作用是植物将水和二氧化碳转化为碳水化合物和氧气的过程。这一过程发生在植物的叶子, 并依赖于叶绿素色素, 颜色的叶子绿色。正是这些有色分子吸收了来自阳光的能量, 这吸收了能推动化学反应的能量。

1839年, 19 岁的法国物理学家爱德蒙?贝克勒尔在他父亲的实验室里做了实验, 创造了第一个光伏电池。他照亮了一个酸性溶液氯化银, 这是连接到铂电极产生电压和电流。1在19后期的th和前半部分 20th世纪中取得了许多发现和进展, 只有在 1954年, 贝尔实验室才建成了第一个实用太阳能电池。从二十世纪五十年代开始, 太阳能电池被用来为太空中的卫星供电。2

太阳能电池是利用光创造电流的电子设备。该视频演示了一种这种类型的细胞, 染料敏化太阳能电池 (DSSC) 的准备和测试。第一次发明在加州大学伯克利分校由布赖恩 O ' 里根和迈克尔 tzel, tzel 追求这项工作在高等理工é de 洛桑在瑞士, 高潮在第一高效率 DSSC 在1991年。3这些太阳能电池和植物一样, 使用染料来帮助利用来自太阳的能量。

Principles

乐队理论:

当两个原子聚集在一起形成分子轨道时, 就形成了两个轨道, 一个是键合, 另一个是反对称。4这些用一定量的能量隔开。当n原子聚集在一起形成分子轨道, 如在一个固体, n分子轨道形式。当n很大时, 在能量中间距很大的轨道的数目也同样多。结果是一个类似能量的轨道带 (图 1)。原子中的电子位于这些波段。布带是用电子填充的最高能量带。它类似于分子的最高被占领分子轨道 (智人)。传导带是不被电子填充的最低波段, 类似于分子的最低未被占用的分子轨道 (LUMO)。带隙是这两个波段之间的能量差。

当带隙较大时, 固体材料为绝缘体: 电子不能在材料中自由流动 (图 1)。相比之下, 导体是那些挂布-传导带隙是模糊的。在导体中, 如金属, 施加电压会使价带中的一些电子产生导电带。这些兴奋的电子可以自由移动。电子留下正面孔, 也自由地移动。在现实中, 空穴不移动, 而是电子移动来填满正孔。在导体中, 随着温度的升高, 分子振动增加, 从而阻碍了电子的流动, 降低了电导率。

半导体是在0开尔文中充当绝缘体的材料, 但随着温度的升高而成为导体 (图 1)。这是因为带隙-在价和传导带之间的能量-是小的, 因此热能足够足够激发电子入传导带。典型的内在半导体包括硅和锗。

Figure 1
图 1.绝缘子、半导体和导体的带图。阴影带充满了电子, 而白色带是空的。离散电子由一个红色球体表示, 而离散孔则由一个白色球体表示。

光伏效应:

当光线照射到半导体时, 它可以激发电子从价带到传导带。这个电子可以再与它留下的空穴重新组合, 导致电子流不净。或者, 它可以在电路的周围通过半导体, 并在电路的另一端与一个孔进行重组。从暴露在阳光下产生的电子流动被称为光伏效应。这后一种情况是想要产生电能, 因此系统必须设计成有利于这种过度重组。

一种有利于这一点的方法是设计具有 p-n 结点的单元格,, 在 n 和 p 掺杂半导体之间的连接。这是半导体, 其中一些原子被替换为相邻的原子周期表。在掺 n-掺杂的半导体中, 这些被电子所取代的原子, 在 p 掺杂的半导体中, 这些被原子所取代, 它们的电子较少。"传统的" 硅基太阳能电池利用这种方法。

然而, 一种新型的太阳能电池是 DSSC 的, 通常被称为 tzel 细胞。5这些都是有希望的, 因为它们是半透明的, 而且它们的成本大大减少。这些太阳能电池仍然利用半导体, 但它是一种染料, 是用来吸收从太阳的光。

DSSC 的组件:

DSSC 中有许多组件, 如图 2所示。

染料

为了促进光伏效应, DSSC 利用染料。染料分子吸收光, 促进电子从键合轨道到键轨道。这个激发的电子可以向下回落到键合轨道, 从而导致电子不流动。或者, 它可以被注入一个半导体, 一个 DSSC 的生产通路。这留下一个洞, 必须填补, 以完成电路。对于生产通路, 在染料中激发态电子的能量必须大于半导体的传导带。染料还应吸收大部分的太阳光谱, 以提高细胞的效率。典型的染料是钌 (Ru) 为基础的, 因此限制了 DSSC, 因为这种金属不是很经济。

在这个实验中, 我们将利用在一些浆果中发现的天然染料 (花青素), 如黑莓和覆盆子。花青素染料的结构必须具有几个 = O 或-OH 组, 允许染料绑定到 TiIVO2表面 (图 3)。6

半导体

激发的电子然后流向半导体的传导带。我们将在本实验中使用的半导体是2

阳极

电子流动从半导体到阳极, 在这种情况下, 是诺2镀膜玻璃。诺2允许玻璃上的导电表面, 否则将是绝缘体。

阴极

通过负载后, 电子来到阴极, 同样在诺的2中被覆盖。在这种情况下, 阴极还被催化剂覆盖, 石墨有助于促进介质的氧化还原反应。

调解

电子从阴极传递到 i3-, 将其还原为 i.这种减少的分子可以将电子捐献给染料分子中留下的空穴, 完成电路。此过程将重新生成3-3-/i-单元电位和费米电平之间的差异对应于太阳能电池的开路电位, 或可以与电池一起产生的最大电压。

在这个视频中, 一个 DSSC 的准备和它的性能评估。

Figure 2
图 2.DSSC 的示意图阳光被染料吸收, 将电子提升到染料中的键轨道。该电子然后移动到2传导带, 留下一个洞。电子绕过电路并传递负载,用于将 i3-还原为 i, 然后将其氧化回 i3, 因为电子填充染料中的孔。

Figure 3
图 3.在一些浆果中发现的花青素色素将螯合到2表面。

Procedure

1. 准备2粘贴

  1. 大量出6克的胶体的2粉末, 并将其放置在砂浆中。
  2. 小心地将2-3 毫升的醋添加到2, 并开始研磨与杵的悬浮, 直到得到一个均匀的糊。研磨的作用是粉碎聚集在粉末中的团簇。
  3. 继续添加醋, 在〜1毫升增量, 而研磨, 高达〜9毫升总体积。在加入之前, 浆料的稠度应均匀, 无结块。最后的糊状物应厚, 但不要太厚, 不能挤出一个滴管瓶。
  4. 加入1滴肥皂到1毫升蒸馏水, 轻轻混合。
  5. 将碟状肥皂液添加到2悬浮液中, 轻轻搅拌, 小心不要产生气泡。
  6. 允许悬挂平衡15分钟。该碟肥皂作为表面活性剂, 以帮助使悬挂更容易蔓延到一个统一的电影在玻璃上。

2. 在玻璃上沉积的2

  1. 清洁两个导电玻璃滑板。用乙醇浸泡 kimwipe, 用它擦干净两片导电玻璃。将干净的幻灯片放在新的 kimwipe 上。
  2. 确定玻璃的哪一面是导电的。使用万用表设置为欧姆, 触摸两个导致玻璃的一面。如果观察到10和30Ω之间的读数, 它是导电的一面。读数为0Ω表示不导电的一面。
  3. 屏蔽幻灯片。将一个玻璃滑板与导电侧向上, 另一玻片的导电侧向下。小心地保持幻灯片的感人, 将玻璃滑梯贴在长凳上。将磁带放在幻灯片的四边的三处, 确保 5-8 mm 的幻灯片在三边 (图 4) 中的每一侧都有磁带覆盖。用力按压胶带, 确保没有气泡。
  4. 应用2粘贴。使用玻璃棒, 在幻灯片的蒙版上边缘应用一条薄薄的粘贴线。用玻璃棒小心地把粘贴下来的幻灯片的长度, 并备份。重复这项运动2-3x 不抬杆, 或直到一个统一的电影获得。
    1. 如果胶片不均匀, 只需用 kimwipe 擦拭, 用乙醇清洁玻璃, 再干一次, 再试一次。
  5. 让胶片干一点, 然后小心地从玻璃上取下胶带。带有2胶片的幻灯片应该在导电面上。另一张幻灯片可以在以后进行清理和使用。
  6. 退火2胶片。小心地将幻灯片 (2侧上) 放在设置为450° c 的热板上。观看, 当2的颜色变暗为紫色/褐色, 并恢复其白色颜色。此时, 将板关闭, 让胶片慢慢冷却。如果幻灯片冷却得太快, 它可能会开裂或碎裂。
  7. 用尺子测量覆膜的表面积, 并记下这个值。

Figure 4
图 4.在玻璃上沉积的2

3. 用染料沾上2胶片

  1. 把一些黑莓, 覆盆子, 或樱桃在一个迫击炮和粉碎他们与杵。
  2. 通过咖啡过滤器和培养皿过滤解决方案。可能需要在果汁里加几毫升水。
  3. 将冷却的2胶片放置在培养皿中, 将其朝下。小心不要刮掉任何2。允许染料被吸附在胶片上。这可能需要几分钟的时间。
  4. 一旦影片完全涂布 (它应该是深红色或紫色, 并没有白色斑点), 举起的幻灯片与钳子 (小心, 只硬的玻璃, 而不是电影), 并用清水冲洗幻灯片, 然后乙醇。用 kimwipe 涂抹干膜, 立即使用。
    1. 如果不立即使用, 然后存储在一个培养皿中含有醋酸在 pH 值 3-5, 并覆盖的菜盖和铝箔包装。

4. 准备计数器电极

  1. 使用另一种导电玻璃滑动, 按照步骤 2.1-2.2。
  2. 在导电面上应用碳催化剂。使用镊子, 保持幻灯片, 导电侧向下, 在本生燃烧器的尖端。移动幻灯片周围, 使煤烟收集在整个表面, 但不超过三十年代。让滑动冷却, 用棉签擦拭幻灯片一侧的烟灰。
    1. 另外, 使用 HB 铅笔, 用石墨覆盖整个导电表面。这给出了一个更健壮的电极, 但它的性能较差。

5. 组装太阳能电池

  1. 将染色胶片烘干。用乙醇冲洗, 把它放在 kimwipe 上。用第二个 kimwipe 轻轻地涂抹这部电影。薄膜必须是干燥的, 以不影响电解质溶液。
  2. 与电极膜侧向上, 轻轻地将碳涂层电极放在上面 (碳面向下)。一定要抵消幻灯片, 使两个电极的裸露侧面可以被裁剪成电线。将两个装订夹放在相邻的偏置玻璃的两侧。
  3. 将几滴电解质溶液沿滑块边缘放置, 并通过交替打开/关闭活页夹剪辑, 仔细地打开/关闭单元格的每一侧。确保所有染色区域与电解质溶液接触, 必要时重复步骤5.2。
  4. 用 kimwipes 和乙醇擦拭暴露区域的多余电解质。
  5. 将鳄鱼夹子固定在太阳电池的两个侧面。

6. 测量电池性能

注意: 理想情况下, 这些测量将在外面进行。然而, 如果天气不允许, 他们可以做内使用卤素灯。所有的测量都应在不移动的情况下进行, 以便在相同的条件下进行。

  1. 一定要使该单元格的方向朝向太阳, 并将聚碳酸酯覆盖在电池上.这可以保护细胞免受紫外线的伤害。
  2. 将负电极 (2镀膜玻璃) 连接到万用表的负极线, 将正极 (C) 与万用表的正极 (图 5) 相连。
  3. 将万用表设置为伏特, 并测量电压。这是开路电位 (在零电流下的最大电压)。将电池 (用手或固体物体) 盖住, 以确保电压降低。
  4. 将万用表设置为毫安 (mA), 并测量最大电流。这是短路电流 (最大电流在零电压)。用 (手) 盖住电池以确保电流减小。
  5. 记录一个全电流电压曲线使用500Ω电位器作为一个变量负载。
    1. 确定电位器上的引线是中央分路器。这种铅可以使阻力变化。为此, 请将万用表 (设置为欧姆) 连接到电位器上的两个引线, 并改变电位器的电阻。注意电阻是否发生变化。重复这两个组合的潜在顾客。在三组合中的两个中, 应观察电阻的变化。在两个组合中使用的带变化的引线是中心分路器, 而另外两个在功能上是相同的。
    2. 组装电路, 如图 5 (右) 所示。
    3. 将电位器设置为完全 (或零) 电阻, 并注意电流和电压。
    4. 改变电位器的阻力小增量, 并注意电流和电压, 使有几个点, 跨越的整个范围的电位器。在这些测量过程中, 一定不要移动单元格。一旦电流开始改变, 一定要收集许多数据点;当数据点不变时, 可以获得更少的点数。

Figure 5
图 5.电路图测量开路电位和短路电流 (左, 步骤6.3 和 6.4), 并记录 i-v 曲线 (右)。

Results

对于在步骤 6.5. 3-6. 5.4 中收集的每个数据点, 计算当前密度 (mA/cm2) 和功率密度 (兆瓦/cm2)。要计算电流密度, 请将电流除以在步骤2.7 中确定的胶片的表面面积。计算功率密度, 乘以电流密度的电压。为步骤6.3、6.4 和 6.5. 3-6. 5.4 中收集的数据绘制电流 (mA) 与电压 (mV)。为所有数据绘制当前密度与伏特的图。这应该靠近曲线的 "膝盖"。通过将最大功率 (兆瓦/cm2) 除以传入的太阳能 (被视为 800-1, 000 瓦特/m2), 并乘以100% 来确定阳光对电能转换效率。

在太阳电池文献中, 对数据的分析和制备是标准的, 作为比较细胞性能的一种手段。测量的开路电压应介于0.3 和0.5 伏之间, 并应获得1-2 毫安/cm2的短路电位。

Application and Summary

这部影片展示了一个简单的 DSSC 的准备和分析。

太阳能电池越来越普遍, 目前正在进行大量的研究来提高它们的性能。以硅半导体为基础的传统太阳能电池被用来制造在空间和地球上使用的太阳能电池板。丹佛国际机场利用了科罗拉多阳光明媚的气候, 拥有四太阳能阵列, 提供了6% 的机场能源需求。

DSSCs 的运行效率高达 15%,7相比传统的低成本、商业化的硅板效率提高了14-17%。虽然 DSSCs 的运行效率是有竞争力的, 但高成本的材料 (如 Ru 染料) 对于 large-scale 应用来说是有问题的。DSSCs 的最大缺点可能是对温度变化敏感的液态电解质的使用。液态电解质可以在低温下结冰, 从而停止电力生产和/或导致太阳能电池板的结构损坏。在高温下, 液态电解质膨胀, 使得密封板具有挑战性。

Tags

Dye sensitized Solar CellsAlternative PhotovoltaicsSemiconductorPower EfficiencyHigh TemperaturesPhoton Incidence AnglesSilicon Solar CellsLow Light ConditionsManufacturing EasePlant based PigmentsTest SamplesElectron Energy LevelsLight AbsorptionEnergy BandsSemiconductorsConduction BandValence BandBandgap Energy

跳至...

0:04

Overview

0:58

Principles: Band Theory

2:19

Principles: Operation of Dye-sensitized Solar Cells

3:56

Protocol: Electrode fabrication

6:06

Protocol: Cell Construction and Evaluation

7:36

Representative Results

8:32

Applications

10:06

Summary

此集合中的视频:

article

Now Playing

染料敏化太阳能电池

Inorganic Chemistry

16.0K Views

article

用 Schlenk 线技术合成钛 (III) 茂金属

Inorganic Chemistry

31.7K Views

article

手套和杂质传感器

Inorganic Chemistry

18.7K Views

article

二茂铁的升华纯化

Inorganic Chemistry

54.8K Views

article

埃文斯方法

Inorganic Chemistry

68.8K Views

article

单晶和粉末 X 射线衍射

Inorganic Chemistry

105.2K Views

article

电子顺磁共振 (EPR) 光谱学

Inorganic Chemistry

25.6K Views

article

尔光谱学

Inorganic Chemistry

22.0K Views

article

路易斯酸碱交互作用在 Ph 值3P BH3

Inorganic Chemistry

39.0K Views

article

二茂铁结构

Inorganic Chemistry

79.8K Views

article

群论在红外光谱分析中的应用

Inorganic Chemistry

45.9K Views

article

分子轨道 (MO) 理论

Inorganic Chemistry

35.5K Views

article

异体金属-金属粘结 Paddlewheels

Inorganic Chemistry

15.4K Views

article

载氧钴 (II.) 络合物的合成

Inorganic Chemistry

51.8K Views

article

自由基聚合反应的光化学引发

Inorganic Chemistry

17.1K Views

JoVE Logo

政策

使用条款

隐私

科研

教育

关于 JoVE

版权所属 © 2025 MyJoVE 公司版权所有,本公司不涉及任何医疗业务和医疗服务。