论文部分内容阅读
摘 要：TiO2作为染料，在染料敏化太阳能电池性能中具有重要作用，TiO2能够利用浆料制备出光阳极薄膜，以保障染料敏化太阳能电池性能的发挥。在此过程中，浆料的配比与涂覆层数、烧结方式均对电池性能具有影响，对此文章以实验研究的形式，就浆料的制备方法对染料敏化太阳能电池性能优化的影响进行探索与分析。
关键词：浆料制备 ;染料敏化太阳能电池 ;电池性能优化
對于染料敏化太阳能电池来讲，作为新型的太阳能电池，其制作方法简单，且电池结构具有稳定性，在新能源电池行业中具有较好的发展前景。且伴随当下科学技术的创新发展，染料敏化太阳能电池光电转换效率得到了进一步的提升。就燃料敏华太阳能电池来讲，光阳极、对电极、电解质、敏华染料作为构成电池的主要部分，对电池性能的优化具有相关性。
一、实验
1.1试剂和仪器
在对浆料的制备方法与染料敏化太阳能电池性能优化关系的研究中，研究主要以实验的形式开展。在实验过程中用到的试剂包含葡萄糖、分析纯、乙基纤维素、松油醇、TiO2粉末、无水乙醇，以上试剂均来自于国药集团化学试剂有限公司。
主要仪器包含
主要仪器：FA1004分析天平（上海舜宇恒平科学仪器有限公司）;KQ-100E超声波清洗器（昆山市超声仪器有限公司）;CL-200控温磁力搅拌器（金坛市医疗仪器厂）;JM322R丝网印刷（天津三兴精密丝印移印设备厂）;Oriel Sol 3A class solar simulator太阳能电池测试系统（美国Newport公司）;D8 Advance多晶X-射线衍射仪（德国Bruker公司）;S-4800场发射扫描电子显微镜（日本日立公司）。
1.2TiO2浆料制备
在进行TiO2浆料制备的制备过程中，首先选择乙基纤维素1.25g，将其溶于25ml的松油醇溶液中并进行搅拌，在搅拌24h后，制备出5%乙基纤维素的松油醇溶液。同样采取此类方式制备15%的乙基纤维素松油醇溶液。将P25在乙醇溶液中进行分散，同时加入乙基纤维素松油醇溶液搅拌均匀，将搅拌后的溶液进行加蒸，以将其中含有的乙醇进行分解蒸出以确保TiO2浆料的制备。
1.3染料敏化太阳能电池光阳极制备及组装
在进行电池光阳极的制备过程中，首先需要就FTO导电玻璃进行准备，选择10cm*2cm面积大小的FTO导电玻璃，将其在丙酮、乙醇、纯水中进行超声波清洗，清洗完毕、干燥待用。
方法：在FTO导电玻璃上使用丝网印刷技术，将P25进行直接涂覆，制备出0.16cm*0.16cm大小的TiO2浆料膜。值得注意的是，在此过程中涂料在不断涂覆时，需要每涂覆一层锻烧一层，根据涂覆过程就锻烧温度进行升温，每次升温标准为10℃/min，在温度达到450℃，时间为30min时等待炉温下降至室温，以此重复涂覆与锻烧过程。在此过程中，工作人员需要不断就每层进行实验检测，以确保最佳层数的确定。
将制备好的TiO2薄膜电极在N719溶液中进行浸泡，一般浸泡时间为48h。在电极取出时需要采用乙醇溶液对电极进行清洗，在干燥后可得到光阳极。实验制备光阳极与铂电极进行组装，采用电极夹进行夹住，在电池中间滴入两滴电解液，最后对太阳能电池的性能进行检测。
1.4表征与测试
采用D8 Advance多晶X-射线衍射仪（XRD）分析TiO2粉末和薄膜晶型结构。采用S-4800场发射扫描电子显微镜（SEM）观察样品的表面和断层形貌。染料敏化太阳能电池光伏性能采用美国Newport公司太阳能电池测试系统（Oriel Sol 3A class solar simulator），在100 mw？cm-2的模拟太阳光和功率2W，980nm波长的激发光源下完成测试。
二、结果与讨论
2.1XRD分析
从TiO2薄膜与TiO2粉末XRD图来讲，TiO2薄膜与TiO2粉末图谱基本一致，图谱中锐钛矿含量较高，这也是提升电池光电性能的主要元素。
2.2SEM分析
根据SEM分析结果显示，P25粉末颗粒分散均匀，但存在团聚现象，团聚现象的出现是由于样品处理未处理因素所导致的，在样品未经处理时，样品内部结构紧密，染料难以渗透，电解质不易扩散，影响着电池光电性能。TiO2薄膜电极在锻烧后为双层结构，颗粒分布紧密，且颗粒大小紧紧相融，均一疏松，无团聚现象。对此TiO2薄膜电极能够加强电子之间的传输效率，促进染料与电解质的渗透，对电池光电之间的转化具有积极作用。
2.3性能测试分析
以开路电压不变为前提，0.5gP25+5%乙基纤维素的松油醇溶液的电流为13.715 mA/cm2，光电转换效率为6.173%。此配方效率显然高于其他浆料配方，主要是因为它的结构疏松且比表面积较大，不仅便于电子的传输以及电解质的扩散，更利于染料的吸收。因此电池的光电转化效率会增高。所以，0.5gP25+5%乙基纤维素的松油醇溶液的浆料配方为最优选择。
当电池的光电转换效率最高的时候，所涂层数为8层，此时电流为13.789 mA/cm2，光电转化效率为6.422%。但是当涂覆层数超过9层时，其光电转换效率又随着层数的增高而降低。因而涂覆8层为最优选择。因此，最优TiO2薄膜光电极最佳制备方法为0.5gP25+5%乙基纤维素的松油醇溶液的浆料配方搭配8层涂层数，且锻烧方式选择管式炉缓慢降至室温后再选择涂覆下一层。
三、结论
为保障TiO2薄膜优质性，文章就P25浆料的配方进行了研究与制备，研究结果表明，将TiO2薄膜作为P25层在染料敏化太阳能电池光阳极中的应用，能够促进电池性能的优化。TiO2薄膜电极在锻烧后为双层结构，颗粒分布紧密、大小紧紧相融，均一疏松，对促进染料与电解质的渗透具有积极性，有利于电池光电转化效率的提升。
参考文献：
[1]杨煌，李祎，王锐，杨伟光.复合分级结构的锐钛矿TiO_2纳米花的合成及其光电性能[J].上海大学学报（自然科学版），2020，26（04）：544-551.
[2]石佳玉，夏畅，李莹莹，张敬波.由电泳沉积ZIF-67薄膜制备高效染料敏化太阳能电池对电极[J].井冈山大学学报（自然科学版），2020，41（02）：23-28.
（国家电投集团西安太阳能电力有限公司 710100）
关键词：浆料制备 ;染料敏化太阳能电池 ;电池性能优化
對于染料敏化太阳能电池来讲，作为新型的太阳能电池，其制作方法简单，且电池结构具有稳定性，在新能源电池行业中具有较好的发展前景。且伴随当下科学技术的创新发展，染料敏化太阳能电池光电转换效率得到了进一步的提升。就燃料敏华太阳能电池来讲，光阳极、对电极、电解质、敏华染料作为构成电池的主要部分，对电池性能的优化具有相关性。
一、实验
1.1试剂和仪器
在对浆料的制备方法与染料敏化太阳能电池性能优化关系的研究中，研究主要以实验的形式开展。在实验过程中用到的试剂包含葡萄糖、分析纯、乙基纤维素、松油醇、TiO2粉末、无水乙醇，以上试剂均来自于国药集团化学试剂有限公司。
主要仪器包含
主要仪器：FA1004分析天平（上海舜宇恒平科学仪器有限公司）;KQ-100E超声波清洗器（昆山市超声仪器有限公司）;CL-200控温磁力搅拌器（金坛市医疗仪器厂）;JM322R丝网印刷（天津三兴精密丝印移印设备厂）;Oriel Sol 3A class solar simulator太阳能电池测试系统（美国Newport公司）;D8 Advance多晶X-射线衍射仪（德国Bruker公司）;S-4800场发射扫描电子显微镜（日本日立公司）。
1.2TiO2浆料制备
在进行TiO2浆料制备的制备过程中，首先选择乙基纤维素1.25g，将其溶于25ml的松油醇溶液中并进行搅拌，在搅拌24h后，制备出5%乙基纤维素的松油醇溶液。同样采取此类方式制备15%的乙基纤维素松油醇溶液。将P25在乙醇溶液中进行分散，同时加入乙基纤维素松油醇溶液搅拌均匀，将搅拌后的溶液进行加蒸，以将其中含有的乙醇进行分解蒸出以确保TiO2浆料的制备。
1.3染料敏化太阳能电池光阳极制备及组装
在进行电池光阳极的制备过程中，首先需要就FTO导电玻璃进行准备，选择10cm*2cm面积大小的FTO导电玻璃，将其在丙酮、乙醇、纯水中进行超声波清洗，清洗完毕、干燥待用。
方法：在FTO导电玻璃上使用丝网印刷技术，将P25进行直接涂覆，制备出0.16cm*0.16cm大小的TiO2浆料膜。值得注意的是，在此过程中涂料在不断涂覆时，需要每涂覆一层锻烧一层，根据涂覆过程就锻烧温度进行升温，每次升温标准为10℃/min，在温度达到450℃，时间为30min时等待炉温下降至室温，以此重复涂覆与锻烧过程。在此过程中，工作人员需要不断就每层进行实验检测，以确保最佳层数的确定。
将制备好的TiO2薄膜电极在N719溶液中进行浸泡，一般浸泡时间为48h。在电极取出时需要采用乙醇溶液对电极进行清洗，在干燥后可得到光阳极。实验制备光阳极与铂电极进行组装，采用电极夹进行夹住，在电池中间滴入两滴电解液，最后对太阳能电池的性能进行检测。
1.4表征与测试
采用D8 Advance多晶X-射线衍射仪（XRD）分析TiO2粉末和薄膜晶型结构。采用S-4800场发射扫描电子显微镜（SEM）观察样品的表面和断层形貌。染料敏化太阳能电池光伏性能采用美国Newport公司太阳能电池测试系统（Oriel Sol 3A class solar simulator），在100 mw？cm-2的模拟太阳光和功率2W，980nm波长的激发光源下完成测试。
二、结果与讨论
2.1XRD分析
从TiO2薄膜与TiO2粉末XRD图来讲，TiO2薄膜与TiO2粉末图谱基本一致，图谱中锐钛矿含量较高，这也是提升电池光电性能的主要元素。
2.2SEM分析
根据SEM分析结果显示，P25粉末颗粒分散均匀，但存在团聚现象，团聚现象的出现是由于样品处理未处理因素所导致的，在样品未经处理时，样品内部结构紧密，染料难以渗透，电解质不易扩散，影响着电池光电性能。TiO2薄膜电极在锻烧后为双层结构，颗粒分布紧密，且颗粒大小紧紧相融，均一疏松，无团聚现象。对此TiO2薄膜电极能够加强电子之间的传输效率，促进染料与电解质的渗透，对电池光电之间的转化具有积极作用。
2.3性能测试分析
以开路电压不变为前提，0.5gP25+5%乙基纤维素的松油醇溶液的电流为13.715 mA/cm2，光电转换效率为6.173%。此配方效率显然高于其他浆料配方，主要是因为它的结构疏松且比表面积较大，不仅便于电子的传输以及电解质的扩散，更利于染料的吸收。因此电池的光电转化效率会增高。所以，0.5gP25+5%乙基纤维素的松油醇溶液的浆料配方为最优选择。
当电池的光电转换效率最高的时候，所涂层数为8层，此时电流为13.789 mA/cm2，光电转化效率为6.422%。但是当涂覆层数超过9层时，其光电转换效率又随着层数的增高而降低。因而涂覆8层为最优选择。因此，最优TiO2薄膜光电极最佳制备方法为0.5gP25+5%乙基纤维素的松油醇溶液的浆料配方搭配8层涂层数，且锻烧方式选择管式炉缓慢降至室温后再选择涂覆下一层。
三、结论
为保障TiO2薄膜优质性，文章就P25浆料的配方进行了研究与制备，研究结果表明，将TiO2薄膜作为P25层在染料敏化太阳能电池光阳极中的应用，能够促进电池性能的优化。TiO2薄膜电极在锻烧后为双层结构，颗粒分布紧密、大小紧紧相融，均一疏松，对促进染料与电解质的渗透具有积极性，有利于电池光电转化效率的提升。
参考文献：
[1]杨煌，李祎，王锐，杨伟光.复合分级结构的锐钛矿TiO_2纳米花的合成及其光电性能[J].上海大学学报（自然科学版），2020，26（04）：544-551.
[2]石佳玉，夏畅，李莹莹，张敬波.由电泳沉积ZIF-67薄膜制备高效染料敏化太阳能电池对电极[J].井冈山大学学报（自然科学版），2020，41（02）：23-28.
（国家电投集团西安太阳能电力有限公司 710100）