基本信息
- 项目名称：
- 植物染料敏化纳米晶TiO2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A类
- 简介：
- 植物染料敏化纳米晶TiO2太阳能电池（Dye-sensitized Solar Cell, DSSC）是一种新型的光电化学太阳能电池，由于它制作工艺简单、成本低、性能稳定，并且对环境无污染，因此，具有良好的开发前景。它是解决世界范围内能源危机和环境问题的一条重要途径。DSSC主要由三部分组成：工作电极、电解质、对电极。在光照的情况下即可工作产生电流。该作品采用化学电沉积法制备氧化钛膜工作电极，制备方法简单，不需要高温煅烧晶化，所以该方法可用于制作柔性电极；该作品还采用植物染料作为敏化剂。植物染料容易获得，提取工艺简单，大大降低了电池的制作成本。
- 详细介绍：
- 染料敏化纳米晶太阳能电池是一种新型的光电化学太阳能电池。由三部分组成：吸附染料的氧化钛膜电极（工作电极）、还原氧化钛染料的电解质和对电极。 由于TiO2的禁带宽度为3.2eV，可见光没有足够的能量将其价带的电子激发跃迁至导带，因此在其表面吸附一层染料以达到对可见光的吸收从而实现对TiO2的敏化。在光照下，染料分子吸收太阳光能量，其电子跃迁至激发态，激发态电子不稳定，很快注入到较低能级的TiO2导带，此时染料被氧化；注入到TiO2导带的电子富集在导电基底上，并通过导电膜流向外电路经过负载到达对电极，产生电流；被氧化的染料分子从电解质中得到电子并恢复成还原态(基态)得以再生；电解质I3-被来自TiO2导带、通过电极进入外电路、最终到达阴极的电子还原成I-，这样就完成了一个循环。这个激发-氧化-还原的再生循环周而复始的进行，就得到了持续的光电流。 该作品采用化学电沉积法在ITO导电玻璃基底上制备了氧化钛薄膜，该方法不需要高温煅烧晶化，可用于有机柔性基底上氧化钛薄膜的制备，而且制备工艺简单，制备成本低；采用植物染料胡萝卜素作为敏化剂，该染料容易获得、提取工艺简单：将胡萝卜切碎、晾干，以石油醚为溶剂进行抽提，然后过滤；该电池以碘/碘化钾的乙二醇溶液作为电解液，空白ITO导电玻璃为对电极；电极的敏化：将制备的氧化钛薄膜浸泡在提取的染料溶液中自然吸附至饱和，然后取出、洗净、自然干燥，即得到工作电极；电池的组装及其简单：将工作电极和对电极面向叠合，用夹子固定，然后将电解液通过毛细管作用加入两电极之间即可。 但到目前为止，该作品还处于实验室阶段。电池的短路电流还很低，尚未投产使用。
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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
- 目的：寻找制备TiO2膜电极的最佳方法及光电性能较好的植物染料敏化剂，从而制备成本低、性能好的染料敏化太阳能电池。 基本思路：染料敏化太阳能电池为太阳能的利用提供了一种新的途径。膜电极、染料作为该电池的核心部分对电池性能有着重要的影响。本作品通过采用化学电沉积法制备镀膜均匀、透光性较好的TiO2膜电极；同时从植物中提取色素作为染料敏化剂，制备成本低、性能好的植物染料敏化太阳能电池。 创新点：1、电沉积法制备氧化钛薄膜相对于溶胶-凝胶提拉涂膜法，不需高温煅烧，可在导电柔性基底上沉积薄膜；相对于气相沉积、磁控溅射等方法不需要昂贵的设备且可大面积成膜。2、从植物中提取染料相较于别的方法容易获得、成本低。因此这种制备电池的方法及其简单，可以家庭制作，可制成柔性电池，技术成熟后非常容易推广。 电池的主要技术指标如下： 1、电池的结构： 工作电极：植物染料（胡萝卜素）敏化的TiO2膜电极； 电解质：I2、KI的乙二醇溶液； 对电极：ITO膜导电玻璃，方阻为10Ω/□； 2、电池的输出特性： 开路光电压：333mV； 短路光电流：2.9μA； 电池的稳定性：1.5h内电池开路电压降低7mV。 （说明：光源为模拟太阳光的白光二极管，发光峰为453nm和537nm。）
科学性、先进性
- 科学性先进性：染料敏化太阳能电池是一种新型的光电化学太阳能电池。TiO2膜电极、染料是电池的核心部分。膜电极制备方法主要有：溶胶-凝胶提拉涂膜法、气相沉积、磁控溅射等，这些方法制作成本较高。本作品采用的电化学沉积法制备TiO2膜电极，不需昂贵的设备，不需要高温煅烧晶化，且制备条件不苛刻，而且还可大面积成膜，为制备可折叠的柔性电池奠定了基础。到目前为止，电池的染料敏化剂主要有三类：钌多吡啶有机金属配合物、酞菁和菁类染料、天然染料。相较于前两种染料，作品中设计提取使用的天然染料具有提取工艺简单、成本低、绿色、环保等优点。因此，本作品的制备方法会降低电池的制备成本，简化电池制备工艺，对成本低、绿色、环保的新型能源开发利用具有重要意义。
获奖情况及鉴定结果
作品所处阶段
- 实验室阶段
技术转让方式
作品可展示的形式
- 照片,样品
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
- 使用说明：本作品为光电化学太阳能电池，将其接入负载电路中，在太阳光、日光灯、白炽灯、发光二极管等光源的照射下均可产生光电流。 技术特点及优势：生产工艺简单、制备成本低、绿色、环保；用该技术可制备可折叠的柔性电池。 前景分析：该电池的制备工艺简单、成本低、使用方便，极易推广。目前，这种电池存在电解质渗漏和光电流较低的技术问题，随着固态电解质制备技术的成熟和植物染料的筛选和改性优化，这种薄膜太阳能电池将会作为室外装饰材料用于居室、城市街道照明等各个领域；将电极改用柔性导电膜，则可将电池制作成可折叠的柔性电池；这种电池有着良好的发展前景和经济效益。
同类课题研究水平概述
- 染料敏化太阳能电池(The dye-sensitized solar cell DSSC)是光电化学太阳能电池的一种，主要由多孔纳米TiO2薄膜电极，染料敏化剂，电解质溶液和透明对电极组成。多孔纳米TiO2薄膜电极主要起着接收电子和传输电子的作用；而染料的主要作用是对太阳光的吸收，并把光电子传输到TiO2的导带上。作为电池的核心部分，膜电极、染料制备提取成本的高低、性能的好坏，对电池的成本、性能有着直接的影响。 膜电极的制备方法有很多种，目前，膜电极的制备主要采用溶胶-凝胶涂膜法、各种CVD以及反应溅射的方法。溶胶-凝胶涂膜法简单易操作，但是制备的膜与基底的结合力较差，而且需要高温煅烧晶化，制备成本较高，容易龟裂，大面积成膜困难；各种CVD以及反应溅射方法制备的TiO2薄膜性能优良，但制备条件苛刻，所需设备复杂昂贵，反应不易控制，因此也不适合大规模的生产制备。而电化学沉积法制备工艺简单、可大面积成膜、所需设备简单、不需要高温煅烧晶化，而且还可极大地扩展基体材料的范围，使TiO2薄膜可在金属材料及各种导电材料表面形成（如用柔性导电膜），促进该类功能性膜层的实际应用。因此化学电沉积制备技术是TiO2光催化功能薄膜制备技术中的一个重要发展方向。 目前为止，敏化染料主要有三类：钌吡啶有机金属配合物、酞菁和菁类染料、天然染料。其中，钌吡啶有机金属配合物光电性能最好。但无论是钌吡啶有机金属配合物还是酞菁和菁类染料，其合成工艺复杂、提纯较难、合成中副反应较多，因此成本也就相应提高，而且合成染料往往具有毒性。而自然界经过长期的进化演化出许多性能优异的染料，广泛分布于各种植物中，植物的叶子具有光化学能转换的功能，从植物的花中提取的花青素也有较好的光电性能。因此，植物染料有望成为成本低、高效环保的敏化染料。 因此，对植物染料敏化太阳能电池的研究将对缓解能源危机具有非常重要的现实意义。随着技术的发展和成熟，植物染料敏化纳米晶太阳能电池凭借其所具有的低成本、无污染、光电转换效率高等众多优点，必将有着十分广阔的应用前景。
