離子液體DSSC的性能測試

引言

1991年，GratzelM.于Nature上發(fā)表了關(guān)于染料敏化納米晶體太陽能電池的文章，以較低的成本得到了大于7%的光電轉(zhuǎn)化效率，開辟了太陽能電池發(fā)展史上一個(gè)嶄新的時(shí)代,為利用太陽能提供了一條新的途徑。目前，DSSC的光電轉(zhuǎn)化效率已能穩(wěn)定在10%以上，據(jù)推算壽命能達(dá)15?20年,且其制造成本僅為硅太陽能電池的1/5?1/10。

離子液體DSSC主要由納米多孔半導(dǎo)體薄膜、染料敏化劑、離子液體電解質(zhì)、對電極和導(dǎo)電基底等幾部分組成。室溫離子液體具有常溫下不揮發(fā)、無毒、無嗅、低凝固點(diǎn)、高電導(dǎo)率、較好的化學(xué)穩(wěn)定性等優(yōu)點(diǎn)。離子液體用作電解質(zhì)溶劑,具有溶解好、不揮發(fā)、電導(dǎo)率高、電化學(xué)窗口寬等優(yōu)點(diǎn)。離子液體完全由離子組成，是非質(zhì)子溶劑，可以減小溶劑化現(xiàn)象,而且由于具備較強(qiáng)的離子環(huán)境，所以使用離子液體作為染料敏化太陽能電池的電解質(zhì)可以延長其壽命。離子液體的蒸氣壓很低，可以忽略，即使在較高的溫度和真空下，也會(huì)保持相當(dāng)?shù)偷恼魵鈮海蚴鞘覝仉x子液體內(nèi)部存在相當(dāng)大的庫侖作用力，所以離子液體電解質(zhì)應(yīng)用于染料敏化太陽能電池中安全性好。通過設(shè)計(jì)合適的離子液體電解質(zhì)，使其粘度小、電導(dǎo)率大、化學(xué)窗口寬，這樣離子液體DSSC中離子遷移速率更快，從而提高離子液體DSSC的光電性能?；谝陨蟽?yōu)點(diǎn)，離子液體作為電解質(zhì)溶劑的DSSC成為近年來的研究熱點(diǎn)。

不同的測試條件，包括環(huán)境溫度、光譜條件、入射光密度等對離子液體DSSC的性能測試都有一定的影響，研究光源入射光密度對離子液體DSSC的性能影響是本文的重點(diǎn)。

1離子液體DSSC的基本結(jié)構(gòu)和工作原理

離子液體DSSC主要由納米多孔半導(dǎo)體薄膜、染料敏化劑、離子液體電解質(zhì)、對電極和導(dǎo)電基底等幾部分組成，其工作原理如圖1所示。納米多孔半導(dǎo)體薄膜通常為金屬氧化物（T1O2、SnO,、ZnO等），聚集在有透明導(dǎo)電膜的玻璃板上作為DSSC的負(fù)極。對電極作為還原催化劑，通常在帶有透明導(dǎo)電膜的玻璃上鍍上鉑。敏化染料吸附在納米多孔二氧化鈦膜面上。正負(fù)極間填充的是含有氧化還原對的電解質(zhì)，最常用的是13-/1的。

離子液體DSSC工作原理：染料分子受太陽光照射后由基態(tài)躍遷至激發(fā)態(tài)①；處于激發(fā)態(tài)的染料分子將電子注入到半導(dǎo)體的導(dǎo)帶中②；電子擴(kuò)散至導(dǎo)電基底，然后流入外電路中③；處于氧化態(tài)的染料被還原態(tài)的離子液體電解質(zhì)還原再生④；氧化態(tài)的離子液體電解質(zhì)在對電極接受電子后被還原,從而完成一個(gè)循環(huán)⑤；⑥和⑦分別為注入到半導(dǎo)體導(dǎo)帶中的電子和氧化態(tài)染料間的復(fù)合及導(dǎo)帶上的電子和氧化態(tài)的離子液體電解質(zhì)之間的復(fù)合。

研究結(jié)果表明：只有非?？拷雽?dǎo)體薄膜表面的敏化劑分子才能順利把電子注入到半導(dǎo)體導(dǎo)帶中去，多層敏化劑的吸附反而會(huì)阻礙電子運(yùn)輸；染料色激發(fā)態(tài)壽命很短，必須與電極緊密結(jié)合，最好能化學(xué)吸附到電極上；染料分子的光譜響應(yīng)范圍和量子產(chǎn)率是影響DSSC的光子俘獲量的關(guān)鍵因素。到目前為止，電子在染料敏化二氧化鈦納米晶電極中的傳輸機(jī)理還不十分清楚，有Weller等的隧穿機(jī)理、Lindquist等的擴(kuò)散模型等，有待于進(jìn)一步研究。

2離子液體DSSC性能測試

在實(shí)驗(yàn)室條件下，用LED光源模擬太陽光照射離子液體DSSC進(jìn)行測試實(shí)驗(yàn)，光源可變光功率密度為0?100mW/cm2,離子液體DSSC的規(guī)格是1.8X1.2cm，有效面積是0.138cm2,液體電解質(zhì)DHS-E36為穩(wěn)定性電解質(zhì)體系，3-甲氧基丙腈/離子液體/GuSCN等。光源照射離子液體DSSC進(jìn)行測試實(shí)驗(yàn)，離子液體DSSC由于受到了光照，產(chǎn)生電子的定向移動(dòng)，形成電流。

2.1測試原理圖

圖2所示是離子液體的DSSC測試原理圖。其中電池E為離子液體DSSC，A為電流表，V為電壓表，RV為可變電阻的外界負(fù)載。離子液體DSSC在入射光密度為60mW/cm2的光照條件下開始工作，從零到正無窮調(diào)節(jié)RV的阻值。當(dāng)RV的阻值為0時(shí),即為短路,得到短路電流I*,此時(shí)電壓為0；逐漸增大RV的阻值，可以得到一系列電流和電壓的數(shù)據(jù)；當(dāng)RV調(diào)節(jié)到無窮大時(shí)，得到的電流為零，電壓達(dá)到最大值，即開路電壓K。以獲得的電流電壓數(shù)據(jù)作圖，即可得i-v特性曲線圖。

本實(shí)驗(yàn)中，調(diào)節(jié)不同光照的入射光密度，分別得到不同入射光密度條件的短路電流密度媒、開路電壓V°c、I-V特性曲線圖。通過i-v特性曲線圖可以計(jì)算出當(dāng)前入射光密度條件下的最大輸出功率PmaX=ImaVax，可以計(jì)算出「V特性曲線的填充因子FF=龍賛，最后使用光功率測量入射到離子液體DSSC的光功率密度Pin，得到能量轉(zhuǎn)換效率h=醫(yī)。從以填充因子FF-FT、能量轉(zhuǎn)換效率h=K數(shù)據(jù)，可以分別繪制出短路電流隨光照強(qiáng)度變化曲線圖、開路電壓隨入射光密度變化曲線圖、填充因子隨入射光密度變化曲線圖、功率轉(zhuǎn)化效率隨入射光密度變化曲線圖。

2.2測試結(jié)果分析

以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果是DSSC在光譜照射條件下的i-v特性曲線，從圖3中的數(shù)據(jù)可以得出電流密度和電壓之間曲線關(guān)系。

離子液體DSSC內(nèi)阻與導(dǎo)電玻璃、半導(dǎo)體薄膜、染料、離子液體電解質(zhì)和對電極有關(guān)，其內(nèi)阻受它們共同影響。內(nèi)阻計(jì)算公式如下：

式中，U是離子液體DSSC總電壓，U1和U是外電路電壓，I1和I是電路電流。

根據(jù)圖3的I-V曲線數(shù)據(jù),即可計(jì)算出離子液體的內(nèi)阻(是0.36Q)。

2.3光源光強(qiáng)對DSSC測試結(jié)果的影響

圖4所示是短路電流隨光照強(qiáng)度變化曲線。從圖4中可以看出隨著入射光密度的增大，短路電流密度呈線性增長。這是因?yàn)楫?dāng)DSSC的光照密度增加時(shí)，短路電流Isc與染料的電子向TiO2導(dǎo)帶注入電子的速率成正比。

圖4短路電流隨光照強(qiáng)度變化曲線

入射光密度■■ln/(mW/cm2)

圖5開路電壓隨光照強(qiáng)度變化曲線

圖5所示是DSSC的開路電壓隨光照強(qiáng)度的變化曲線。從圖5中可以看出，隨著入射光密度的增大，開路電壓呈線性增長。在理論上開路電壓VOc由下面方程表示：

式中，K 為波爾茲曼常數(shù)，T 為絕對溫度，e 為電子電量，ncb 為TiO2 導(dǎo)帶上電子電量，ket 為 I3- 暗反應(yīng)速率常數(shù)，[I3-] 為電解質(zhì)中 I3- 離子的摩爾濃度，Iinj 為激發(fā)態(tài)染料向 TiO2 導(dǎo)帶注入電子的速率。

從式(3)中可以看出，當(dāng)入射光密度增大時(shí)，由于電池的暗電流不變，開路電壓Voc與激發(fā)態(tài)染料分子向T1O2導(dǎo)帶注入電子的速率成正比。

圖6所示是填充因子隨入射光密度的變化曲線，填充因子表達(dá)式為：

通過式(4)可以得到填充因子隨光照強(qiáng)度的變化曲線圖,它可用來表征因電池內(nèi)部電阻的存在而導(dǎo)致的能量損失。

圖7所示是其功率轉(zhuǎn)化效率隨入射光密度變化曲線。從圖7中可以看出，隨著入射光密度的增大，轉(zhuǎn)換效率先增大后減小,呈非線性變化，約在70mW/cm2達(dá)到最大值。這是因?yàn)镈SSC屬于弱光電池，在弱光條件下被激發(fā)的染料分子數(shù)少，L7T離子的傳輸足夠還原被太陽光激發(fā)的染料分子，而當(dāng)光強(qiáng)增大時(shí)被激發(fā)的染料分子數(shù)增多，L7T離子的傳輸速率不能滿足染料分子再生速率，從而影響到電池效率的提高凹。

3結(jié)語

離子液體DSSC的短路電流密度隨著入射光密度的增大呈線性增長，離子液體DSSC的開路電壓隨著入射光密度的增大呈線性增長，離子液體DSSC的填充因子在入射光密度為60?80mW/cm2范圍內(nèi)達(dá)到最大值，離子液體DSSC的轉(zhuǎn)

換效率在入射光密度為 70 mW/cm2 時(shí)達(dá)到最大值。

事實(shí)上，不同的測試條件，如環(huán)境溫度、光譜條件、入射光密度等對離子液體 DSSC 的性能測試都有一定的影響，而環(huán)境溫度、光譜條件對離子液體 DSSC 的性能測試有待進(jìn)一步研究。