楊廣武, 孫笑宇, 郭文躍

(中國石油大學(xué)(華東) 理學(xué)院, 山東 青島 266580)

量子點敏化太陽能電池制備、組裝與測試
——新能源專業(yè)綜合研究型實驗

楊廣武, 孫笑宇, 郭文躍

(中國石油大學(xué)(華東) 理學(xué)院, 山東 青島 266580)

結(jié)合能源和環(huán)境背景下的新能源專業(yè)的特點,從研究性教學(xué)的理念出發(fā),開設(shè)了“量子點敏化太陽能電池的制備、組裝與測試”綜合研究型實驗項目,闡述了實驗設(shè)計的思路、內(nèi)容和方法。實踐表明,該實驗選題新穎,學(xué)生參與的積極性高,能夠幫助學(xué)生深入了解太陽能電池的工作原理、制備過程、測試表征手段及數(shù)據(jù)處理方法等知識。“課前準(zhǔn)備”、“課堂執(zhí)行”、“課后拓展”三階段多層次的實驗訓(xùn)練,全方位培養(yǎng)了學(xué)生的綜合素質(zhì)和創(chuàng)新精神。

新能源； 太陽能電池； 量子點； 綜合研究型

能源短缺和環(huán)境污染制約著我國經(jīng)濟和社會的可持續(xù)發(fā)展,開發(fā)利用清潔高效的新能源是解決能源和環(huán)境問題的重要途徑[1-3]。隨著新能源的發(fā)展,新能源行業(yè)的人才需求日趨增長。2010年教育部首次批準(zhǔn)浙江大學(xué)、華北電力大學(xué)等11所大學(xué)開設(shè)“新能源科學(xué)與工程”專業(yè)和“新能源材料與器件”專業(yè),截至2015年,全國開設(shè)新能源專業(yè)的高校已經(jīng)達到46所[4]。然而,由于開設(shè)時間較晚,我國的新能源專業(yè)建設(shè)還處于起步階段,需要不斷研究與探索[5]。在新形勢下,新能源專業(yè)如何改革和調(diào)整,以適應(yīng)人才培養(yǎng)的要求,成為各大高校相關(guān)教育工作者的工作重點[6]。實驗教學(xué)作為本科生的重要教學(xué)內(nèi)容,是理論聯(lián)系實際的紐帶。因此,加強實驗教學(xué),對培養(yǎng)兼具理科基礎(chǔ)和工科技能的高素質(zhì)新能源專業(yè)人才是十分重要的[7-10]。

在眾多新能源中,太陽能因其清潔、環(huán)保、無污染、取之不盡、用之不竭等諸多優(yōu)點,被認為是未來最有希望的新能源之一[11-12]。在眾多太陽能電池中,硅基太陽能電池技術(shù)最成熟,但是制作工藝復(fù)雜、價格昂貴、設(shè)備要求較高，因而不太適合開展大學(xué)生實驗[13]。量子點敏化太陽能電池具有理論轉(zhuǎn)換效率高、原料豐富、材料穩(wěn)定、制作工藝簡單等諸多優(yōu)點,成為世界范圍內(nèi)研究的熱點之一。量子點敏化太陽能電池的制備和檢測過程所涉及的納米顆粒制備、薄膜印刷、電解液配制、量子點生長、材料表征、電池封裝、性能檢測等流程構(gòu)成了完整的太陽能電池制備、表征、檢測體系,并且均可以在實驗室完成。為了讓學(xué)生了解這一科學(xué)研究前沿,并綜合運用已經(jīng)掌握的實驗技能,在大量教學(xué)和研究的基礎(chǔ)上,設(shè)計了“量子點敏化太陽能電池的制備、組裝與測試”綜合研究型實驗。該實驗設(shè)計涵蓋材料制備實驗(連續(xù)離子層吸附反應(yīng)制備量子點、水熱反應(yīng)制備TiO2納米顆粒、噴霧熱解法制備Pt催化劑、絲網(wǎng)印刷技術(shù)制備光陽極薄膜、玻璃工操作、材料熱處理等)、儀器分析實驗(臺階儀測量薄膜厚度、X射線衍射儀表征材料的結(jié)構(gòu)與成分、掃描電子顯微鏡觀測形貌、紫外-可見吸收光譜測試光譜吸收效果)等多種實驗方法。既可以作為新能源材料專業(yè)本科生綜合化學(xué)實驗項目,也可以作為課外興趣實驗向全校學(xué)生開放,是一項非常新穎的大學(xué)生綜合研究型實驗。

1 實驗安排

實驗的整個教學(xué)過程分為3個階段(見表1),即課前準(zhǔn)備、課堂執(zhí)行和課后拓展,通過分層次的訓(xùn)練全方位提高學(xué)生的綜合素質(zhì)。

表1 實驗安排表

2 實驗原理

2.1 量子點敏化太陽能的結(jié)構(gòu)和工作原理

量子點敏化太陽能電池主要由透明導(dǎo)電基底、多孔TiO2薄膜、量子點敏化劑、電解質(zhì)和對電極組成(見圖1)。光照時,量子點吸收光子,將電子激發(fā)到導(dǎo)帶,同時在價帶產(chǎn)生空穴,由于量子點的導(dǎo)帶能級比TiO2的導(dǎo)帶能級高,電子注入到TiO2的導(dǎo)帶,然后傳輸?shù)綄?dǎo)電基底,空穴則從電解液中的氧化還原電解質(zhì)獲得電子,而氧化還原電解質(zhì)所失去的電子由注入對電極的電子所補充,從而形成整個光生電子的循環(huán)回路。

圖1 量子點敏化太陽能電池結(jié)構(gòu)原理示意圖

2.2 量子點敏化太陽能電池性能指標(biāo)

評價量子點敏化太陽能電池光電性能的主要方法是測定其光電流-光電壓特性曲線(I-V曲線),通過I-V曲線可以獲得太陽能電池的開路電壓(VOC)、短路電流(ISC)、填充因子(FF)、光電轉(zhuǎn)化效率(η)等參數(shù)。其中,VOC表示太陽能電池的電壓輸出能力；ISC表征太陽能電池所能提供的最大電流,常用短路電流密度(JSC)表征；FF表示因由電池內(nèi)部阻抗而導(dǎo)致的能量損失；η是指電池的最大輸出功率與入射光能量的比值。另外,常用單色光光電轉(zhuǎn)換效率(IPCE)衡量其量子效率。

3 實驗

3.1 儀器與試劑

儀器:X射線衍射儀、掃描電子顯微鏡、太陽能電池I-V特性測試系統(tǒng)、太陽能電池IPCE測試系統(tǒng)、紫外-可見分光光度計、連續(xù)離子層吸附反應(yīng)裝置、旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀、絲網(wǎng)印刷裝置、加熱板、恒溫箱、水熱反應(yīng)釜等。

試劑材料:鈦酸四丁酯、氯鉑酸、硝酸鉻、硫化鈉、乙基纖維素、松油醇、異丙醇、硝酸、無水乙醇、乙二醇、乙腈、硫、丙酮、去離子水等。

3.2 實驗流程

實驗流程見圖2。

圖2 實驗流程圖

3.3 實驗步驟

(1) TiO2納米粉末制備。采用水熱法制備TiO2納米顆粒。滴加一定量的鈦酸四丁酯到無水乙醇中,攪拌使之形成無色透明溶膠,將溶膠轉(zhuǎn)移至水熱反應(yīng)釜中,180 ℃反應(yīng)4 h,冷卻至室溫后用去離子水和無水乙醇洗滌干凈后,80 ℃干燥,即獲得納米TiO2粉末。

(2) TiO2漿料的制備。將適量的乙基纖維素、納米TiO2粉末、松油醇及乙醇超聲混合均勻；減壓蒸餾除去大部分的水和乙醇后,用三輥機研磨混合物,并揮發(fā)掉剩余的水和乙醇,直至獲得適于絲網(wǎng)印刷的NiO2漿料。

(3) TiO2膜電極的制備。采用絲網(wǎng)印刷技術(shù)在FTO(導(dǎo)電玻璃)表面印刷TiO2漿料,靜置除去表面缺陷,125 ℃干燥后,測量TiO2薄膜的厚度。通過重復(fù)上述“印刷—靜置—干燥”步驟,控制TiO2薄膜厚度。將TiO2薄膜進行125～500 ℃的分段升溫?zé)崽幚?，冷卻至室溫后,即得到多孔TiO2膜電極。

(4) CdS量子點沉積。利用連續(xù)離子層吸附反應(yīng)制備CdS量子點敏化膜電極。所采用的陰、陽離子前驅(qū)體溶液分別為Na2S的乙醇溶液和Cd(NO3)2的乙醇溶液,洗滌液為甲醇。通過重復(fù)“吸附反應(yīng)—洗滌—吸附反應(yīng)—洗滌”步驟,控制CdS量子點的吸附量，室溫干燥后,即得到CdS量子點敏化的TiO2膜電極。

(6) 太陽能電池組裝。太陽能電池在進行光電性能測試之前均封裝。將量子點敏化的TiO2膜電極和Pt對電極用熱熔化Surlyn樹脂薄膜粘接起來,然后將多流電解液從Pt對電極預(yù)留的小孔中注入,再用Surlyn樹脂薄膜將小孔密封,即得到量子點敏化太陽能電池器件。

(7) 太陽能電池檢測。采用太陽能電池I-V特性測試系統(tǒng)測試器件的短路電流、開路電壓、填充因子以及能量轉(zhuǎn)換效率等,電壓掃描范圍根據(jù)器件的實際表現(xiàn)設(shè)定；采用太陽能電池IPCE測試系統(tǒng)測試器件的量子效率,光譜響應(yīng)范圍為200～1 100 nm。

3.4 結(jié)果與討論

3.4.1 結(jié)構(gòu)與形貌表征

TiO2薄膜的X射線衍射圖和掃描電子顯微鏡圖分別見圖3和圖4。

圖3 TiO2薄膜的X射線衍射圖

圖4 TiO2薄膜的掃描電子顯微鏡圖

學(xué)生由X射線衍射圖可以分析得到:TiO2薄膜由金紅石相和銳鈦礦相組成,利用謝樂方程計算出平均粒徑約為20 nm。而通過掃描電子顯微鏡圖可以看出:TiO2納米顆粒的粒徑范圍為10～50 nm,與X射線衍射圖的分析結(jié)果一致,同時形成致密而多孔的結(jié)構(gòu),這種結(jié)構(gòu)有利于量子點的吸附和電解液的傳輸。

3.4.2 光學(xué)性質(zhì)測試

TiO2薄膜的透過率曲線和吸收率曲線分別見圖5和圖6。

圖5 TiO2薄膜的透過率曲線

圖6 吸附量子點后的吸收率曲線

學(xué)生由TiO2薄膜的透過率曲線可以分析得到太陽光的透射利用情況,而吸附量子點后的吸收率曲線可以分析出量子點對入射光的吸收情況,并計算出量子點的禁帶寬度,與太陽光譜比照,可以分析得到哪一部分的太陽光被太陽能電池所吸收利用。

3.4.3 太陽能電池性能測試

太陽能電池的I-V曲線和IPCE曲線測試結(jié)果分別見圖7和圖8，太陽能電池的開路電壓等見表2。

圖7 太陽能電池的I-V曲線

圖8 圖IPCE曲線

表2 所制備電池的開路電壓和短路電流

Voc/VJsc/(mAcm-2)FF/%η0.577.83281.46

學(xué)生由電池的I-V曲線可以獲得量子點敏化太陽能電池的光電性能參數(shù),如開路電壓、短路電流、填充因子以及光電轉(zhuǎn)換效率,由電池的IPCE曲線可以看出量子點對太陽光不同波段的轉(zhuǎn)化情況,從而了解所制備電池的光電特性,并有針對性地改進電池性能。

3.5 實驗拓展

(1) 實驗內(nèi)容的深化。學(xué)生可以研究關(guān)鍵材料如TiO2納米顆粒的制備方法、晶型結(jié)構(gòu)、TiO2膜電極的厚度、CdS吸附量、電池面積以及環(huán)境溫度等對太陽能電池工作狀態(tài)的影響,優(yōu)化制備條件,總結(jié)影響規(guī)律,提高電池性能。例如:合成納米TiO2納米顆粒的方法有多種,如溶膠-凝膠法、水熱法、沉淀法、電化學(xué)沉積法等。不同小組的學(xué)生可以嘗試采用不同的制備方法,比較制備方法以及熱處理溫度等條件對TiO2納米顆粒的晶型、粒徑的影響。實驗室制備的TiO2主要有兩種晶型:金紅石型和銳鈦礦型,主要區(qū)別在于八面體結(jié)構(gòu)中內(nèi)部扭曲和結(jié)合方式不同,結(jié)構(gòu)上的差異導(dǎo)致兩種晶型有不同的質(zhì)量密度及電子能帶結(jié)構(gòu)。學(xué)生可以通過選擇制備方法、控制反應(yīng)條件、改變熱處理溫度等獲得特定晶型的TiO2納米顆粒,對比研究TiO2晶型對光電性能的影響,并探討其影響機理。

(2) 實驗項目的延伸?！皣掖髮W(xué)生創(chuàng)新實驗計劃”是我國高等院校全新的教學(xué)形式和綜合性的教學(xué)活動,此項目可以使學(xué)生在本科階段就投入到科研創(chuàng)新的活動中,充分激發(fā)大學(xué)生的積極性、主動性和創(chuàng)造性[14]。然而,對于大部分大二、大三的學(xué)生來說,除了課程實驗外,基本沒有接受過科研訓(xùn)練,因而單純依靠學(xué)生提出科技活動及創(chuàng)新實驗研究課題往往不切實際。而綜合研究型實驗項目“量子點敏化太陽能電池的制備、組裝與測試”,在培養(yǎng)學(xué)生基本實驗技能和科學(xué)素養(yǎng)的同時,為學(xué)生進行創(chuàng)新實驗留下了足夠的空間。學(xué)生可以從上述實驗內(nèi)容的深化中獲取靈感,將相關(guān)內(nèi)容整理補充后申報國家、省級大學(xué)生科技創(chuàng)新活動計劃項目，或者撰寫科技論文、申報發(fā)明專利。

4 結(jié)束語

太陽能開發(fā)與利用技術(shù)是當(dāng)今新能源研究的熱點和重要領(lǐng)域,“量子點敏化太陽能電池的制備、組裝與測試”綜合研究型實驗有利于學(xué)生理論聯(lián)系實際、增加感性知識。該實驗綜合了新能源專業(yè)基本理論知識,形成了完整的制備、表征及檢測訓(xùn)練體系?！罢n前準(zhǔn)備、課堂執(zhí)行、課后拓展”三層次的訓(xùn)練,使學(xué)生經(jīng)歷文獻調(diào)研、團隊組建、實驗設(shè)計、實驗操作、數(shù)據(jù)分析、結(jié)論總結(jié)、報告撰寫、實驗答辯、實驗拓展的一整套科研訓(xùn)練過程,培養(yǎng)了學(xué)生獨立思考、善于創(chuàng)造、綜合運用知識的能力。近年來,依托各類綜合研究型實驗項目的建設(shè)和教學(xué),中國石油大學(xué)(華東)材料物理專業(yè)的實驗教學(xué)和人才培養(yǎng)質(zhì)量得到了極大的提高,成績斐然。專業(yè)學(xué)生每年獲批大學(xué)生創(chuàng)新實驗項目20余項,其中國家級3～5項。自2006屆張煒強同學(xué)參加第五屆“挑戰(zhàn)杯”全國大學(xué)生創(chuàng)業(yè)計劃大賽并獲得山東省三等獎以來,材料物理專業(yè)的科技競賽活動蓬勃發(fā)展,極大地支持了創(chuàng)新研究型實驗的開展。僅2013年,材料物理專業(yè)就在“挑戰(zhàn)杯”全國大學(xué)生課外學(xué)術(shù)科技作品競賽、創(chuàng)業(yè)計劃大賽、全國大學(xué)生節(jié)能減排社會實踐與科技競賽、全國大學(xué)生電子設(shè)計競賽、山東省大學(xué)生物理科技創(chuàng)新大賽等各類國家級、省級科技競賽活動中獲獎9項。先后已有28位學(xué)生在Journal of Physical Chemistry C、Nanotecnology、高等學(xué)?；瘜W(xué)學(xué)報等雜志發(fā)表文章,申請發(fā)明專利和實用新型專利33項。

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A comprehensive research experiment of new energy focused on fabrication, characterization and performance study of quantum dot sensitized solar cell

Yang Guangwu, Sun Xiaoyu, Guo Wenyue

(College of Science, China University of Petroleum, Qingdao 266580, China)

Based on the characteristics of new energy and the concept of research-based teaching, this paper proposes a comprehensive research experiment focused on “Fabrication, characterization and performance study of quantum dot sensitized solar cell,” and the objectives, mode and ideas of this comprehensive research experiment are illustrated. The practice show that this novel comprehensive research experiment can not only arouse students’ enthusiasm, but also give them an insight into the mechanism, synthesis, characterization and measuring method, and data analysis method of photovoltaic materials. Moreover, the multi-level training of “preparing, executing experiment, and expanding experiment” can comprehensively train and stimulate students’ innovative spirit, engineering practice ability and scientific research ability.

new energy; solar cell; quantum dot; comprehensive research

2015- 05- 04 修改日期：2015- 06- 19

國家自然科學(xué)基金項目(21403302);中國石油大學(xué)(華東)精品實驗建設(shè)項目(JS201414)

楊廣武(1981—)，男，山東青島，博士，副教授，從事新能源材料方向的教學(xué)與研究工作.

E-mail：yanggw@upc.edu.cn

TM914.4;G642.423

A

1002-4956(2015)12- 0079- 05