離子液體DSSC的性能測試

引言

1991年，GratzelM.于Nature上發(fā)表了關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%的光電轉化效率，開辟了太陽能電池發(fā)展史上一個嶄新的時代,為利用太陽能提供了一條新的途徑。目前，DSSC的光電轉化效率已能穩(wěn)定在10%以上，據推算壽命能達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體薄膜、染料敏化劑、離子液體電解質、對電極和導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、高電導率、較好的化學穩(wěn)定性等優(yōu)點。離子液體用作電解質溶劑,具有溶解好、不揮發(fā)、電導率高、電化學窗口寬等優(yōu)點。離子液體完全由離子組成，是非質子溶劑，可以減小溶劑化現象,而且由于具備較強的離子環(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，也會保持相當低的蒸氣壓，原因是室溫離子液體內部存在相當大的庫侖作用力，所以離子液體電解質應用于染料敏化太陽能電池中安全性好。通過設計合適的離子液體電解質，使其粘度小、電導率大、化學窗口寬，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，離子液體作為電解質溶劑的DSSC成為近年來的研究熱點。

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。

1離子液體DSSC的基本結構和工作原理

離子液體DSSC主要由納米多孔半導體薄膜、染料敏化劑、離子液體電解質、對電極和導電基底等幾部分組成，其工作原理如圖1所示。納米多孔半導體薄膜通常為金屬氧化物（T1O2、SnO,、ZnO等），聚集在有透明導電膜的玻璃板上作為DSSC的負極。對電極作為還原催化劑，通常在帶有透明導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。正負極間填充的是含有氧化還原對的電解質，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體的導帶中②；電子擴散至導電基底，然后流入外電路中③；處于氧化態(tài)的染料被還原態(tài)的離子液體電解質還原再生④；氧化態(tài)的離子液體電解質在對電極接受電子后被還原,從而完成一個循環(huán)⑤；⑥和⑦分別為注入到半導體導帶中的電子和氧化態(tài)染料間的復合及導帶上的電子和氧化態(tài)的離子液體電解質之間的復合。

研究結果表明：只有非?？拷雽w薄膜表面的敏化劑分子才能順利把電子注入到半導體導帶中去，多層敏化劑的吸附反而會阻礙電子運輸；染料色激發(fā)態(tài)壽命很短，必須與電極緊密結合，最好能化學吸附到電極上；染料分子的光譜響應范圍和量子產率是影響DSSC的光子俘獲量的關鍵因素。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理還不十分清楚，有Weller等的隧穿機理、Lindquist等的擴散模型等，有待于進一步研究。

2離子液體DSSC性能測試

在實驗室條件下，用LED光源模擬太陽光照射離子液體DSSC進行測試實驗，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DHS-E36為穩(wěn)定性電解質體系，3-甲氧基丙腈/離子液體/GuSCN等。光源照射離子液體DSSC進行測試實驗，離子液體DSSC由于受到了光照，產生電子的定向移動，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，從零到正無窮調節(jié)RV的阻值。當RV的阻值為0時,即為短路,得到短路電流I*,此時電壓為0；逐漸增大RV的阻值，可以得到一系列電流和電壓的數據；當RV調節(jié)到無窮大時，得到的電流為零，電壓達到最大值，即開路電壓K。以獲得的電流電壓數據作圖，即可得i-v特性曲線圖。

本實驗中，調節(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特性曲線圖可以計算出當前入射光密度條件下的最大輸出功率PmaX=ImaVax，可以計算出「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，得到能量轉換效率h=醫(yī)。從以填充因子FF-FT、能量轉換效率h=K數據，可以分別繪制出短路電流隨光照強度變化曲線圖、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、功率轉化效率隨入射光密度變化曲線圖。

2.2測試結果分析

以上實驗結果是DSSC在光譜照射條件下的i-v特性曲線，從圖3中的數據可以得出電流密度和電壓之間曲線關系。

離子液體DSSC內阻與導電玻璃、半導體薄膜、染料、離子液體電解質和對電極有關，其內阻受它們共同影響。內阻計算公式如下：

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。

根據圖3的I-V曲線數據,即可計算出離子液體的內阻(是0.36Q)。

2.3光源光強對DSSC測試結果的影響

圖4所示是短路電流隨光照強度變化曲線。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。這是因為當DSSC的光照密度增加時，短路電流Isc與染料的電子向TiO2導帶注入電子的速率成正比。

圖4短路電流隨光照強度變化曲線

入射光密度■■ln/(mW/cm2)

圖5開路電壓隨光照強度變化曲線

圖5所示是DSSC的開路電壓隨光照強度的變化曲線。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，T 為絕對溫度，e 為電子電量，ncb 為TiO2 導帶上電子電量，ket 為 I3- 暗反應速率常數，[I3-] 為電解質中 I3- 離子的摩爾濃度，Iinj 為激發(fā)態(tài)染料向 TiO2 導帶注入電子的速率。

從式(3)中可以看出，當入射光密度增大時，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，填充因子表達式為：

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

圖7所示是其功率轉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，轉換效率先增大后減小,呈非線性變化，約在70mW/cm2達到最大值。這是因為DSSC屬于弱光電池，在弱光條件下被激發(fā)的染料分子數少，L7T離子的傳輸足夠還原被太陽光激發(fā)的染料分子，而當光強增大時被激發(fā)的染料分子數增多，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范圍內達到最大值，離子液體DSSC的轉

換效率在入射光密度為 70 mW/cm2 時達到最大值。

事實上，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 的性能測試有待進一步研究。