如何测试染料敏化电池空穴与偏压的关系

图

2

染料敏化纳米晶太阳能电池的工作原理

Ecb

半导体的导带边

Evb

半导体的价带边

D

’

,D

’’

分别是染料的基态和激发态

I



,I



3

是氧化还原电解质。对电极表面镀一层金属铂

上图表示在光照射太阳电池后

,

电池内的电子直接转移过程。

(1)

染

料分子的激发。

(2)

染料分子中激发态的电子注入到

TiO

2

的导带

,CB

和

VB

分别表示

TiO

2

的导带底和价带顶。从图中可以看出染料分子的能带最好

与

TiO

2

的能带重叠

,

这有利于电的注入。

(3)

染料分子通过接受来自电子

供体

-

3

I

的电子

,

得以再生。

(4)

注入到

TiO

2

导带中的电子与氧化态染料之

间的复合

,

此过程会减少流入到外电路中电子的数量

,

降低电池的光电

流。

(5)

注入到

TiO

2

导带中的电子通过

TiO

2

网格

,

传输

TiO

2

膜与导电玻璃

的接触面后流入到外电路

,

产生光电流。

(6)

在

TiO

2

中传输的电子与

-

3

I

间

的复合反应。

(7)

-

3

I

离子扩散到对电极被还原再生

,

完成外电路中电流循

环。

太阳能电池的性能测试系统主要分为五部分，分别为光源，透镜，

电池器件，电化学工作站

(

恒电位仪

)

，计算机，通过对太阳能电池光照

下的电流

/

电压曲线的分析，来测试染料敏化

TiO

2

纳米晶光电化学电池的

光电压，光电流，光电转换效率等性能。

衡量光电化学太阳能电池的性能主要有五个评价参数：短路光电流

(I

SC

)

、

开路光电压

(V

OC

)

、

填充因子

(FF)

、

入射光子到电子的转换效率

(IPCE)

和能量转换效率(η)。

(1)

短路光电流

(I

SC

)

：

太阳能电池在短路条件下的

工作电流。

此时，

电池输出的电压为零。

(2)

开路光电压

(V

OC

)

：

太阳能电

池在开路条件下的输出电压。此时，电池的输出电流为零。

(3)

填充因

子

(FF)

：填充因子定义为：

FF= Pmax / I

SC

V

OC

。

(4)

能量转换效率(η)：定义为太阳能电池的最大功率输出与入射太阳

光的能量

(P

light

)

之比。

P

V

I

FF

P

P

light

oc

sc

light









max



三、

仪器装置和样品

1.

染料敏化的纳米晶太阳电池（未注入电解液）

2.

微量进样器

3.

标准电解液：

0.1 mol/L LiI

，

0.05mol/L I

2

，

0.5

mol/L 4

－叔

丁基吡啶（溶剂为体积比为

1

：

1

的

PC

和乙氰的混合物）

4.

恒电位仪，三电极体系（工作电极，参比电极，对电极）

5.

辐照计（

FZ-A

型）

6.

氙灯光源（功率

500W

）

7.

光学导轨及透镜

四、

实验步骤

1.

调节光路：打开氙灯光源，将辐照计固定在导轨上。调节辐照计

的相对距离，使辐照强度达到

100mW/cm

2

并固定位置。

2.

打开恒电位仪和计算机电源，屏幕显示清晰后，再打开恒电位仪

测量窗口。

3.

使用微量进样器抽取一定量的标准电解液，并将标准电解液沿缝

隙边缘灌注至染料敏化纳米晶太阳电池中。将工作电极夹在电池

的照光一端，参比电极和对电极夹在另一端。固定在步骤

1

中所

述位置。

4.

使用恒电位仪测量太阳电池的

I-V

曲线。

5.

重复测量辐射照度为

75mW/cm

2

和

50mW/cm

2

下太阳电池的

I-V

曲线。

电子的发现和阴极射线的实验研究联系在一起的，而阴极射线的发现和研究又是以真空管放电现象开始的．早在1858年，德国物理学家普吕克在利用放电管研究气体放电时发现了阴极射线．普吕克利用真空泵，发现随着玻璃管内空气稀薄到一定程度时，管内放电逐渐消失，这时在阴极对面的玻璃管壁上出现了绿色荧光．当改变管外所加的磁场时，荧光的位置也会发生变化，可见，这种荧光是从阴极所发出的射线撞击玻璃管壁所产生的。

阴极射线究竟是什么呢?在19世纪后30年中，许多物理学家投入了研究．当时英国物理学家克鲁克斯等人已经根据阴极射线在磁场中偏转的事实，提出阴极射线是带负电的微粒，根据偏转算出阴极射线粒子的荷质比(e／m)，要比氢离子的荷质比大1000倍之多．当时，赫兹和他的学生勒纳德，在阴极射线管中加了一个垂直于阴极射线的电场，企图观察它在电场中的偏转，为此他们认为阴极射线不带电．实际上当时是由于真空度还不高，建立不起静电场．

J．J．汤姆生设计了新的阴极射线管(图1)，在电场作用下由阴极C发出的阴极射线，通过Α和B聚焦，从另一对电极D和E间的电场中穿过．右侧管壁上贴有供侧量偏转用的标尺．他重复了赫兹的电场偏转实验，开始也没有看见任何偏转．但他分析了不发生偏转的原因可能是电场建立不起来。于是，他利用当时最先进的真空技术获得高真空，终于使阴极射线在电场中发生了稳定的电偏转，从偏转方向也明确表明阴极射线是带负电的粒子．他还在管外加上了一个与电场和射线速度都垂直的磁场(此磁场由管外线圈产生)，当电场力eE与磁场的洛仑兹力evB相等时，可以使射线不发生偏转而打到管壁中央。经过推算可知，阴极射线粒子的荷质比e／m≈1011C／kg．通过进一步的实验，汤姆生发现用不同的物质材料或改变管内气体种类，测得射线粒子的荷质比e/m保持不变．可见这种粒子是各种材料中的普适成分。

1898年，汤姆生又和他的学生们继续做直接测量带电粒子电量的研究．其中之一就是用威尔逊云室，测得了电子电荷是1．1x10-19C，并证明了电子的质量约是氢离子的千分之一．于是，汤姆生最终解开了阴极射线之谜．这以后不少科学家较精确地测量了电子的电荷值,其中有代表性的是美国科学家密立根，在1906年第一次测得电子电荷量e=l．34X10-19C，1913年最后测得e=1.59x10-19C．在当时条件下，这是一个高精度的测量值．近代精确的电子电荷量e=1.60217733(49)x10-19C(括号中的值是测量误差)．

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