濾紙模板法制備sno2及其在dssc中的應(yīng)用

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1、濾紙模板法制備SnO2及其在DSSC中的應(yīng)用姓名：王飛學(xué)號(hào)：121170135化學(xué)工程與工藝2012級(jí)（1）班摘要：以結(jié)晶SnCl４為原料，采用濾紙模板法，通過(guò)浸漬和煅燒，制備得到不同濃度下的SnO2光陽(yáng)極薄膜并將其應(yīng)用于染料敏化太陽(yáng)能電池（DSSC）中。采用Ｘ射線衍射儀（ＸＲＤ）和透射電子顯微鏡(TEM)表征樣品的相組成和微觀結(jié)構(gòu)。結(jié)果表明：模板法所制得的產(chǎn)物純度很高，且很好地復(fù)制了原模板的形貌，同時(shí)，通過(guò)高溫?zé)Y(jié)而得的納米SnO2材料，應(yīng)用到DSSC中，取得了不錯(cuò)的效果。關(guān)鍵詞：二氧化錫；DSSC；濾紙模板法；光電轉(zhuǎn)換Ⅰ1前言1.1染料敏化太陽(yáng)能電池概述目前，資源枯竭已日益成為人類(lèi)不得不面

2、對(duì)的重大問(wèn)題，因此，開(kāi)發(fā)新能源也越來(lái)越受到廣泛重視和研究。作為新能源的太陽(yáng)能是一種取之不盡、用之不竭的無(wú)污染能源，它的開(kāi)發(fā)利用受到了特別的關(guān)注。尤其是太陽(yáng)能電池，成為科學(xué)界炙手可熱的話題。自上世紀(jì)50年代第一塊具有實(shí)際意義的太陽(yáng)能電池發(fā)明以來(lái)，太陽(yáng)能電池迅速發(fā)展，表現(xiàn)出巨大的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用前景。太陽(yáng)能電池的主要種類(lèi)有硅電池和化合物半導(dǎo)體電池，但是由于受到材料及制備工藝等各方面因素的限制，太陽(yáng)能電池的有效轉(zhuǎn)換效率較低。（見(jiàn)表1）表1太陽(yáng)能電池的種類(lèi)及性能參數(shù)【1】目前發(fā)展最成熟的太陽(yáng)能電池是太陽(yáng)能硅電池，單晶硅太陽(yáng)能電池的效率已達(dá)到25%以上[2]，由于它對(duì)材料的純度要求高、制作工藝復(fù)雜、成本昂貴，

3、這很大程度上限制了它的廣泛應(yīng)用。1991年，瑞士洛桑高等工業(yè)學(xué)院的Gratzel教授及其小組以多孔納米TiO2膜作為半導(dǎo)體膜，過(guò)渡金屬釕及鋨等有機(jī)金屬?gòu)?fù)合物作為敏化染料，I－/I3－有機(jī)氧化還原電解質(zhì)體系，鉑修飾對(duì)電極，制備出了染料敏化太陽(yáng)能電池（dye-sensitizedsolarcells），其光電轉(zhuǎn)化效率為7.1%[3]。DSSC以其簡(jiǎn)單的制作工藝、相對(duì)高的光電轉(zhuǎn)化效率、低廉的制作成本等優(yōu)點(diǎn)迅速成為廣大科學(xué)家及科學(xué)工作者的研究熱點(diǎn)與重點(diǎn)。-12-典型的染料敏化太陽(yáng)能電池(DSSC)是由鍍有透明導(dǎo)電膜的導(dǎo)電基片，染料敏化的多孔納米晶半導(dǎo)體薄膜、含氧化還原電對(duì)的電解質(zhì)及對(duì)電極組成的夾層結(jié)構(gòu)

4、。其基本工作原理如圖1所示：當(dāng)太陽(yáng)光照射在染料敏化太陽(yáng)能電池上，只要其能量等于染料分子特征吸收波長(zhǎng)時(shí)，染料分子(Dye)中基態(tài)電子S就會(huì)被激發(fā)為S*，激發(fā)態(tài)染料分子將電子注入到納米多孔半導(dǎo)體的導(dǎo)帶中，注入到導(dǎo)帶中的電子迅速富集到導(dǎo)電玻璃面上，傳向外電路，并最終回到對(duì)電極上。而由于染料的氧化還原電位高于氧化還原電解質(zhì)電對(duì)的電位，這時(shí)處于氧化態(tài)的染料分子能夠氧化電解質(zhì)中的電子給體，自身恢復(fù)為還原態(tài)，然后氧化態(tài)的電解質(zhì)擴(kuò)散到對(duì)電極上得到電子再生，如此循環(huán)，即產(chǎn)生電流。電池的最大電壓由氧化物半導(dǎo)體的費(fèi)米能級(jí)和氧化還原電解質(zhì)電對(duì)的電位決定?！?-5】圖1染料敏化太陽(yáng)能電池工作原理示意圖DSSC雖具有理論

5、轉(zhuǎn)換效率，制備工藝簡(jiǎn)單，透明性高，對(duì)溫度和入射光角度依賴小，成本低(僅為硅系太陽(yáng)能電池的1/5以下)等眾多優(yōu)點(diǎn)，但由于這種新型太陽(yáng)能電池發(fā)展的時(shí)間還比較短，自從1991年Gratzel發(fā)明DSSC以來(lái)，通過(guò)幾年努力，目前一般僅可達(dá)到7%一8%的光電轉(zhuǎn)換效率，距離產(chǎn)業(yè)化階段，還有一段很長(zhǎng)的距離，因此，染料敏化太陽(yáng)能電池仍具有非常廣闊的發(fā)展空間和應(yīng)用前景。目前，限制DSSC光電轉(zhuǎn)換效率、工作穩(wěn)定性以及產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用等方面的主要因素有：①光陽(yáng)極薄膜材料及其制備工藝。薄膜材料表面所能吸附的染料分子的數(shù)量及薄膜材料的制備工藝決定了染料吸附率、光捕獲效率、電子傳輸速率、載流子壽命等。②敏化染料。染料通過(guò)吸收太

6、陽(yáng)光將基態(tài)的電子激發(fā)到激發(fā)態(tài)，然后再注入半導(dǎo)體的導(dǎo)帶，而空穴則留在染料分子中，實(shí)現(xiàn)電荷分離【6】-12-，因此敏化染料直接影響光子的吸收，是DSSC工作性能的直接影響因素。其與光陽(yáng)極薄膜的吸附程度、光響應(yīng)范圍、電子傳輸速率、激發(fā)態(tài)到還原態(tài)的可逆程度、恰當(dāng)?shù)难趸€原電勢(shì)等都是開(kāi)發(fā)DSSC過(guò)程中重要衡量參數(shù)。③在DSSC電池中，電解質(zhì)起到傳輸電子和空穴的作用，對(duì)電池的性能有很大的影響。目前的DSSC中，按照電解質(zhì)的物理狀態(tài)不同，可以將電解質(zhì)分為三種：液態(tài)電解質(zhì)、準(zhǔn)固態(tài)電解質(zhì)、固態(tài)電解質(zhì)等?！?】其中透明液態(tài)電解質(zhì)不會(huì)阻礙染料對(duì)光的吸收，而且能完全覆蓋涂有染料的納米多孔TiO2等半導(dǎo)體氧化物薄膜，充

7、分利用了納米膜的高比表面，有利于電荷的傳輸，但目前也存在電解質(zhì)易揮發(fā)、對(duì)染料解析脫附、電解質(zhì)本身不穩(wěn)定、封裝難等問(wèn)題。④作為對(duì)電極的稀有金屬Pt，在DSSC應(yīng)用中雖然實(shí)現(xiàn)了相當(dāng)可觀的光電轉(zhuǎn)換效率，但它的自然豐度決定了尋找非Pt對(duì)電極以及使高性能Pt對(duì)電極的研制成為一種必然。1.2SnO2作為光陽(yáng)極材料在DSSC中的應(yīng)用染料敏化太陽(yáng)能電池的核心部分是納米多孔半導(dǎo)體氧化物薄膜電極，典型的光陽(yáng)極材料有T