基本信息
- 项目名称：
- 天然色素敏化纳米二氧化钛太阳能电池
- 来源：
- 第十一届“挑战杯”国赛作品
- 小类：
- 能源化工
- 大类：
- 科技发明制作B类
- 简介：
- 染料敏化太阳能电池是一种新型的太阳能电池，本作品用从姜黄、紫果中提取的天然色素代替价格昂贵的钌多吡啶有机金属配合物染料，制作过程简单、成本低、无污染。经过研究从姜黄、紫果中提取的天然色素敏化TiO2纳米晶多孔薄膜电极的制备及光电转换性能，分析寻找性质良好的天然色素。结果表明从姜黄提取的天然色素敏化纳米TiO2电池的开路电压可达510mV，短路电流可达0.05 mA/cm2。以紫果色素做敏化，电池开路电压最高可以达到600mV(未密封)，但短路电流较小。对对电极用导电高分子聚苯胺改进，短路电流会成倍增加。
- 详细介绍：
- 太阳能电池与传统电池相比,具有清洁、安全、广泛和长寿命、免维护、使用、资源的充足及潜在的经济性等优点。1991年,瑞士洛桑高等工业学院的 教授在《Nature》上报道了一种新型的染料敏化纳米晶太阳能电池（Dye-sensitized Solar Cell, DSSC），其光电转化效率达到了7.1%，引起了全世界的关注。目前效果最好的敏化剂RuL2(SCN)2（L代表4，4’-二羧酸基-2，2’-联吡啶）制备过程复杂，价格昂贵。而天然染料分布广、种类多，可直接从植物中提取；无污染，无需繁琐的合成过程，分离提纯过程相对简单。 本作品用从姜黄、紫果中提取的天然色素代替价格昂贵的钌多吡啶有机金属配合物染料。将姜黄根茎、紫果清洗晾干后切碎研磨，加入丙酮萃取，真空抽滤后浓缩色素。然后配制纳米TiO2溶液，将清洗干净的导电玻璃一边用胶带固定，用提拉法在玻璃表面涂上一层均匀致密的纳米TiO2薄膜，放入高温烧结炉烧结后冷却得到TiO2纳米多孔膜。将冷却后的电极放入色素溶液中，浸泡后取出自然干燥。将电极和反电极组装成天然色素敏化纳米TiO2多孔膜太阳能电池。把侧翼用玻璃胶封好，固化后在多孔膜电极和反电极间滴加电解质溶液，用密封剂封装另外两侧，固化后在日光下测量电池的开路电压和短路电流。 测试结果显示，从姜黄提取的天然色素敏化纳米TiO2电池的开路电压可达510mV，短路电流可达0.05mA/cm2。以紫果色素做敏化，电池开路电压最高可以达到600mV(未密封)，但短路电流较小。对对电极用导电高分子聚苯胺改进，短路电流会成倍增加。 本作品的材料来源广泛，对环境无污染。制作工艺简单，成本低。用颜色鲜艳多变的天然染料敏化电池，透明度可选，适合作工艺品。
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作品专业信息
设计、发明的目的和基本思路、创新点、技术关键和主要技术指标
- 1.发明目的和基本思路 染料敏化太阳能电池的出现实现了高效低成本的光电转换。对它的研究有利于实现太阳能的大面积低成本利用，对于缓解当前能源危机、减少环境污染具有非常重要的现实意义。目前通常使用的钌吡啶染料虽然可以获得较高的量子效率，但价格昂贵。而天然色素分布广、种类繁多，可直接从植物中提取，无污染、无需繁琐的合成过程，分离提纯过程相对简单。 2.创新点 ①本实验从姜黄、紫果等植物中提取天然色素，使用廉价的纳米二氧化钛，制作太阳能电池，材料来源广泛，工艺简单，成本低。 ②天然色素敏化太阳能电池的光电转化率对太阳光角度变化不敏感，在散射光下也有较大的输出，且随着温度的升高，转化率还有增加的趋势。 ③天然色素敏化太阳能电池颜色多变，透明度可选，适合做工艺品。可将电池的作用多功能化，从根本上改变了传统太阳能电池呆板的形状和单一的色泽。 ④传统电池电解质中都含有重金属，废旧电池会对环境造成污染。而天然色素敏化太阳能电池所用材料大都是对环境无危害的材料。而且可以重复利用，环保节能。 3.技术关键和主要技术指标 用电解质为0.5mol/LKI和0.05mol/LI2的乙腈溶液，空白导电玻璃做对电极，从姜黄提取的天然色素作敏化剂，电池的开路电压为510mV，短路电流为0.05mA/cm2。对对电极用导电高分子聚苯胺改进，短路电流会成倍增加，但开路电压会稍微下降。以紫果色素做敏化，电池开路电压最高可以达到600mV(未密封)，但短路电流较小。
科学性、先进性
- (1)染料敏化太阳能电池是一种新型的太阳能电池，与传统的硅太阳能电池相比，具有原材料来源广泛、成本低、制作工艺简单等诸多优点。 (2)天然染料作敏化剂，种类多，成本低，发展快。 (3)从姜黄中提取的色素作敏化剂，电池的开路电压为510mV，短路电流为0.05mA/cm2。以紫果色素做敏化，电池开路电压最高可达600mV。 目前天然染料如单宁酸及其衍生物，作为敏化剂，短路电流和开路电压分别为3～4 mA/m2和500mV；花青素类天然染料作为敏化剂，电池短路电流为9mA/m2，开路电压为590mV。 参考文献： [1]刘宝琦，赵晓鹏.混合植物染料敏化的太阳能电池性能[J].光子学报，2006，35(2)：184-187． [2]梁茂，陶占良，陈军.染料敏化太阳能电池中的敏化剂[J].化学通报，2005，68(12)：889-896． [3]赵勇,盛显良,翟锦.染料敏化太阳电池中TiO2光阳极研究进展[J]. 化学进展, 2006, 18(11): 1452～1459
获奖情况及鉴定结果
- 本作品在学校2007年度国家大学生创新性实验计划项目中获“优秀”；在2007年度学校本科生研究训练计划项目中获“优秀”。
作品所处阶段
- 实验室阶段
技术转让方式
- 无
作品可展示的形式
- 实物和图片
使用说明,技术特点和优势,适应范围,推广前景的技术性说明,市场分析,经济效益预测
- 1.使用说明 把电池的阳极对着太阳光，用导线连接电池两侧边缘的空白处，即可连入数码管，从而显示即时电压和电流等信息。 2.作品的技术特点优势及适应范围 用天然染料做敏化剂，来源广泛，价格低廉，较稳定，颜色鲜艳，可做有色玻璃或工艺品。作为第三代太阳能电池，染料敏化电池的最大吸引力在于廉价的原材料和简单的制作工艺。据估算，染料敏化电池的成本仅相当于硅电池板的1/10。同时，它对光照条件要求不高，即便在阳光不太充足的室内，其光电转化率也不会受到太大影响。另外，它还有许多有趣用途。比如，用塑料替代玻璃“夹板”，就能制成可弯曲的柔性电池；将它做成显示器，就可一边发电，一边发光，实现能源自给自足。
同类课题研究水平概述
- 天然染料主要是通过萃取的方法从植物的果实、花或叶片中制得，萃取出的物质主要为花青素、菁蓝、香豆素、卟啉和吨染料等。根据所用天然染料种类的不同，可分为花青素及其衍生物、单宁酸及其衍生物、叶绿素及其衍生物和类胡萝卜素类等。 1.花青素及其衍生物 花青素类染料稳定性高、电子注入效率高、敏化效率较高，是目前研究最多的天然染料。K.Tennakone等用乙腈为电解质溶剂、矢车菊素(Cyanidin)为敏化剂，得到的电池短路电流为3.2mA/m2，开路电压为480 mV，Qing D等从石榴籽皮中提取花青素类化合物，以水为电解质溶剂，得到了460mV的开路电压。C.G.Garcia和A.S.Polo等从Jaboticaba中提取的花青素染料，电池短路电流为9.0mA/m2，开路电压为590mV。 2.单宁酸及其衍生物 K.Tennakone等从红茶等中提取单宁酸作为敏化剂，以CuI固体作为电解质，得到的最高短路电流为7～9mA/m2，且光电流的衰退速率小于5%/h (950W/m2的太阳光模拟器照射下)。Rodolfo Espinosa等从热带树木的废树皮中提取缩合单宁酸(condensed tannins)作为敏化剂，通过对IPCE谱的分析发现，该敏化剂与TiO2表面的强络合作用能改变电极的物理性质，从而有效地减少了染料的再结合损失。 3.叶绿素及其衍生物 Andreas Kay和Michael Gratzel研究发现用铜叶绿素敏化的电池性能最好，电池总能量转换效率达到了2.6%。刘宝琦等采用叶绿素和叶黄素协同敏化的方法，电池开路电压为502mV, 短路电流为21.5μA/cm2 。 4.类胡萝卜素 Frank G.Gao等选用ACOC(8’-apo-β-caro-ten-8'-oic acid)作为敏化剂染料，以对苯二酚的水溶液为电解质溶液，电池在426nm处得到的开路电压、短路电流分别为150mV、4.6μA/cm2。 5.目前天然染料敏化太阳能电池的制约因素 ①天然染料提取工艺简单,成本低,来源广泛。但效率比较低，稳定性差， ②只用一种染料作敏化剂，其吸收峰与可见光匹配受限。 因此筛选性能更好的天然染料、提高天然染料的长期稳定性及研究染料的协同敏化机理成为天然染料敏化太阳能电池实用化的突破点。
