基本信息
- 項目名稱：
- 植物染料敏化納米晶TiO2太陽能電池
- 小類：
- 能源化工
- 大類：
- 科技發(fā)明制作A類
- 簡介：
- 植物染料敏化納米晶TiO2太陽能電池（Dye-sensitized Solar Cell, DSSC）是一種新型的光電化學太陽能電池，由于它制作工藝簡單、成本低、性能穩(wěn)定，并且對環(huán)境無污染，因此，具有良好的開發(fā)前景。它是解決世界范圍內(nèi)能源危機和環(huán)境問題的一條重要途徑。DSSC主要由三部分組成：工作電極、電解質(zhì)、對電極。在光照的情況下即可工作產(chǎn)生電流。該作品采用化學電沉積法制備氧化鈦膜工作電極，制備方法簡單，不需要高溫煅燒晶化，所以該方法可用于制作柔性電極；該作品還采用植物染料作為敏化劑。植物染料容易獲得，提取工藝簡單，大大降低了電池的制作成本。
- 詳細介紹：
- 染料敏化納米晶太陽能電池是一種新型的光電化學太陽能電池。由三部分組成：吸附染料的氧化鈦膜電極（工作電極）、還原氧化鈦染料的電解質(zhì)和對電極。 由于TiO2的禁帶寬度為3.2eV，可見光沒有足夠的能量將其價帶的電子激發(fā)躍遷至導帶，因此在其表面吸附一層染料以達到對可見光的吸收從而實現(xiàn)對TiO2的敏化。在光照下，染料分子吸收太陽光能量，其電子躍遷至激發(fā)態(tài)，激發(fā)態(tài)電子不穩(wěn)定，很快注入到較低能級的TiO2導帶，此時染料被氧化；注入到TiO2導帶的電子富集在導電基底上，并通過導電膜流向外電路經(jīng)過負載到達對電極，產(chǎn)生電流；被氧化的染料分子從電解質(zhì)中得到電子并恢復成還原態(tài)(基態(tài))得以再生；電解質(zhì)I3-被來自TiO2導帶、通過電極進入外電路、最終到達陰極的電子還原成I-，這樣就完成了一個循環(huán)。這個激發(fā)-氧化-還原的再生循環(huán)周而復始的進行，就得到了持續(xù)的光電流。 該作品采用化學電沉積法在ITO導電玻璃基底上制備了氧化鈦薄膜，該方法不需要高溫煅燒晶化，可用于有機柔性基底上氧化鈦薄膜的制備，而且制備工藝簡單，制備成本低；采用植物染料胡蘿卜素作為敏化劑，該染料容易獲得、提取工藝簡單：將胡蘿卜切碎、晾干，以石油醚為溶劑進行抽提，然后過濾；該電池以碘/碘化鉀的乙二醇溶液作為電解液，空白ITO導電玻璃為對電極；電極的敏化：將制備的氧化鈦薄膜浸泡在提取的染料溶液中自然吸附至飽和，然后取出、洗凈、自然干燥，即得到工作電極；電池的組裝及其簡單：將工作電極和對電極面向疊合，用夾子固定，然后將電解液通過毛細管作用加入兩電極之間即可。 但到目前為止，該作品還處于實驗室階段。電池的短路電流還很低，尚未投產(chǎn)使用。
作品圖片
作品專業(yè)信息
設計、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點、技術關鍵和主要技術指標
- 目的：尋找制備TiO2膜電極的最佳方法及光電性能較好的植物染料敏化劑，從而制備成本低、性能好的染料敏化太陽能電池。 基本思路：染料敏化太陽能電池為太陽能的利用提供了一種新的途徑。膜電極、染料作為該電池的核心部分對電池性能有著重要的影響。本作品通過采用化學電沉積法制備鍍膜均勻、透光性較好的TiO2膜電極；同時從植物中提取色素作為染料敏化劑，制備成本低、性能好的植物染料敏化太陽能電池。 創(chuàng)新點：1、電沉積法制備氧化鈦薄膜相對于溶膠-凝膠提拉涂膜法，不需高溫煅燒，可在導電柔性基底上沉積薄膜；相對于氣相沉積、磁控濺射等方法不需要昂貴的設備且可大面積成膜。2、從植物中提取染料相較于別的方法容易獲得、成本低。因此這種制備電池的方法及其簡單，可以家庭制作，可制成柔性電池，技術成熟后非常容易推廣。 電池的主要技術指標如下： 1、電池的結構： 工作電極：植物染料（胡蘿卜素）敏化的TiO2膜電極； 電解質(zhì)：I2、KI的乙二醇溶液； 對電極：ITO膜導電玻璃，方阻為10Ω/□； 2、電池的輸出特性： 開路光電壓：333mV； 短路光電流：2.9μA； 電池的穩(wěn)定性：1.5h內(nèi)電池開路電壓降低7mV。 （說明：光源為模擬太陽光的白光二極管，發(fā)光峰為453nm和537nm。）
科學性、先進性
- 科學性先進性：染料敏化太陽能電池是一種新型的光電化學太陽能電池。TiO2膜電極、染料是電池的核心部分。膜電極制備方法主要有：溶膠-凝膠提拉涂膜法、氣相沉積、磁控濺射等，這些方法制作成本較高。本作品采用的電化學沉積法制備TiO2膜電極，不需昂貴的設備，不需要高溫煅燒晶化，且制備條件不苛刻，而且還可大面積成膜，為制備可折疊的柔性電池奠定了基礎。到目前為止，電池的染料敏化劑主要有三類：釕多吡啶有機金屬配合物、酞菁和菁類染料、天然染料。相較于前兩種染料，作品中設計提取使用的天然染料具有提取工藝簡單、成本低、綠色、環(huán)保等優(yōu)點。因此，本作品的制備方法會降低電池的制備成本，簡化電池制備工藝，對成本低、綠色、環(huán)保的新型能源開發(fā)利用具有重要意義。
獲獎情況及鑒定結果
作品所處階段
- 實驗室階段
技術轉讓方式
作品可展示的形式
- 照片,樣品
使用說明,技術特點和優(yōu)勢,適應范圍,推廣前景的技術性說明,市場分析,經(jīng)濟效益預測
- 使用說明：本作品為光電化學太陽能電池，將其接入負載電路中，在太陽光、日光燈、白熾燈、發(fā)光二極管等光源的照射下均可產(chǎn)生光電流。 技術特點及優(yōu)勢：生產(chǎn)工藝簡單、制備成本低、綠色、環(huán)保；用該技術可制備可折疊的柔性電池。 前景分析：該電池的制備工藝簡單、成本低、使用方便，極易推廣。目前，這種電池存在電解質(zhì)滲漏和光電流較低的技術問題，隨著固態(tài)電解質(zhì)制備技術的成熟和植物染料的篩選和改性優(yōu)化，這種薄膜太陽能電池將會作為室外裝飾材料用于居室、城市街道照明等各個領域；將電極改用柔性導電膜，則可將電池制作成可折疊的柔性電池；這種電池有著良好的發(fā)展前景和經(jīng)濟效益。
同類課題研究水平概述
- 染料敏化太陽能電池(The dye-sensitized solar cell DSSC)是光電化學太陽能電池的一種，主要由多孔納米TiO2薄膜電極，染料敏化劑，電解質(zhì)溶液和透明對電極組成。多孔納米TiO2薄膜電極主要起著接收電子和傳輸電子的作用；而染料的主要作用是對太陽光的吸收，并把光電子傳輸?shù)絋iO2的導帶上。作為電池的核心部分，膜電極、染料制備提取成本的高低、性能的好壞，對電池的成本、性能有著直接的影響。 膜電極的制備方法有很多種，目前，膜電極的制備主要采用溶膠-凝膠涂膜法、各種CVD以及反應濺射的方法。溶膠-凝膠涂膜法簡單易操作，但是制備的膜與基底的結合力較差，而且需要高溫煅燒晶化，制備成本較高，容易龜裂，大面積成膜困難；各種CVD以及反應濺射方法制備的TiO2薄膜性能優(yōu)良，但制備條件苛刻，所需設備復雜昂貴，反應不易控制，因此也不適合大規(guī)模的生產(chǎn)制備。而電化學沉積法制備工藝簡單、可大面積成膜、所需設備簡單、不需要高溫煅燒晶化，而且還可極大地擴展基體材料的范圍，使TiO2薄膜可在金屬材料及各種導電材料表面形成（如用柔性導電膜），促進該類功能性膜層的實際應用。因此化學電沉積制備技術是TiO2光催化功能薄膜制備技術中的一個重要發(fā)展方向。 目前為止，敏化染料主要有三類：釕吡啶有機金屬配合物、酞菁和菁類染料、天然染料。其中，釕吡啶有機金屬配合物光電性能最好。但無論是釕吡啶有機金屬配合物還是酞菁和菁類染料，其合成工藝復雜、提純較難、合成中副反應較多，因此成本也就相應提高，而且合成染料往往具有毒性。而自然界經(jīng)過長期的進化演化出許多性能優(yōu)異的染料，廣泛分布于各種植物中，植物的葉子具有光化學能轉換的功能，從植物的花中提取的花青素也有較好的光電性能。因此，植物染料有望成為成本低、高效環(huán)保的敏化染料。 因此，對植物染料敏化太陽能電池的研究將對緩解能源危機具有非常重要的現(xiàn)實意義。隨著技術的發(fā)展和成熟，植物染料敏化納米晶太陽能電池憑借其所具有的低成本、無污染、光電轉換效率高等眾多優(yōu)點，必將有著十分廣闊的應用前景。
