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基本信息

項(xiàng)目名稱：
天然色素敏化納米二氧化鈦太陽能電池
小類：
能源化工
簡(jiǎn)介：
染料敏化太陽能電池是一種新型的太陽能電池，本作品用從姜黃、紫果中提取的天然色素代替價(jià)格昂貴的釕多吡啶有機(jī)金屬配合物染料，制作過程簡(jiǎn)單、成本低、無污染。經(jīng)過研究從姜黃、紫果中提取的天然色素敏化TiO2納米晶多孔薄膜電極的制備及光電轉(zhuǎn)換性能，分析尋找性質(zhì)良好的天然色素。結(jié)果表明從姜黃提取的天然色素敏化納米TiO2電池的開路電壓可達(dá)510mV，短路電流可達(dá)0.05 mA/cm2。以紫果色素做敏化，電池開路電壓最高可以達(dá)到600mV(未密封)，但短路電流較小。對(duì)對(duì)電極用導(dǎo)電高分子聚苯胺改進(jìn)，短路電流會(huì)成倍增加。
詳細(xì)介紹：
太陽能電池與傳統(tǒng)電池相比,具有清潔、安全、廣泛和長(zhǎng)壽命、免維護(hù)、使用、資源的充足及潛在的經(jīng)濟(jì)性等優(yōu)點(diǎn)。1991年,瑞士洛桑高等工業(yè)學(xué)院的 教授在《Nature》上報(bào)道了一種新型的染料敏化納米晶太陽能電池（Dye-sensitized Solar Cell, DSSC），其光電轉(zhuǎn)化效率達(dá)到了7.1%，引起了全世界的關(guān)注。目前效果最好的敏化劑RuL2(SCN)2（L代表4，4’-二羧酸基-2，2’-聯(lián)吡啶）制備過程復(fù)雜，價(jià)格昂貴。而天然染料分布廣、種類多，可直接從植物中提取；無污染，無需繁瑣的合成過程，分離提純過程相對(duì)簡(jiǎn)單。 本作品用從姜黃、紫果中提取的天然色素代替價(jià)格昂貴的釕多吡啶有機(jī)金屬配合物染料。將姜黃根莖、紫果清洗晾干后切碎研磨，加入丙酮萃取，真空抽濾后濃縮色素。然后配制納米TiO2溶液，將清洗干凈的導(dǎo)電玻璃一邊用膠帶固定，用提拉法在玻璃表面涂上一層均勻致密的納米TiO2薄膜，放入高溫?zé)Y(jié)爐燒結(jié)后冷卻得到TiO2納米多孔膜。將冷卻后的電極放入色素溶液中，浸泡后取出自然干燥。將電極和反電極組裝成天然色素敏化納米TiO2多孔膜太陽能電池。把側(cè)翼用玻璃膠封好，固化后在多孔膜電極和反電極間滴加電解質(zhì)溶液，用密封劑封裝另外兩側(cè)，固化后在日光下測(cè)量電池的開路電壓和短路電流。 測(cè)試結(jié)果顯示，從姜黃提取的天然色素敏化納米TiO2電池的開路電壓可達(dá)510mV，短路電流可達(dá)0.05mA/cm2。以紫果色素做敏化，電池開路電壓最高可以達(dá)到600mV(未密封)，但短路電流較小。對(duì)對(duì)電極用導(dǎo)電高分子聚苯胺改進(jìn)，短路電流會(huì)成倍增加。 本作品的材料來源廣泛，對(duì)環(huán)境無污染。制作工藝簡(jiǎn)單，成本低。用顏色鮮艷多變的天然染料敏化電池，透明度可選，適合作工藝品。

作品圖片

  • 天然色素敏化納米二氧化鈦太陽能電池
  • 天然色素敏化納米二氧化鈦太陽能電池
  • 天然色素敏化納米二氧化鈦太陽能電池

作品專業(yè)信息

設(shè)計(jì)、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點(diǎn)、技術(shù)關(guān)鍵和主要技術(shù)指標(biāo)

1.發(fā)明目的和基本思路 染料敏化太陽能電池的出現(xiàn)實(shí)現(xiàn)了高效低成本的光電轉(zhuǎn)換。對(duì)它的研究有利于實(shí)現(xiàn)太陽能的大面積低成本利用，對(duì)于緩解當(dāng)前能源危機(jī)、減少環(huán)境污染具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義。目前通常使用的釕吡啶染料雖然可以獲得較高的量子效率，但價(jià)格昂貴。而天然色素分布廣、種類繁多，可直接從植物中提取，無污染、無需繁瑣的合成過程，分離提純過程相對(duì)簡(jiǎn)單。 2.創(chuàng)新點(diǎn) ①本實(shí)驗(yàn)從姜黃、紫果等植物中提取天然色素，使用廉價(jià)的納米二氧化鈦，制作太陽能電池，材料來源廣泛，工藝簡(jiǎn)單，成本低。 ②天然色素敏化太陽能電池的光電轉(zhuǎn)化率對(duì)太陽光角度變化不敏感，在散射光下也有較大的輸出，且隨著溫度的升高，轉(zhuǎn)化率還有增加的趨勢(shì)。 ③天然色素敏化太陽能電池顏色多變，透明度可選，適合做工藝品?？蓪㈦姵氐淖饔枚喙δ芑瑥母旧细淖兞藗鹘y(tǒng)太陽能電池呆板的形狀和單一的色澤。 ④傳統(tǒng)電池電解質(zhì)中都含有重金屬，廢舊電池會(huì)對(duì)環(huán)境造成污染。而天然色素敏化太陽能電池所用材料大都是對(duì)環(huán)境無危害的材料。而且可以重復(fù)利用，環(huán)保節(jié)能。 3.技術(shù)關(guān)鍵和主要技術(shù)指標(biāo) 用電解質(zhì)為0.5mol/LKI和0.05mol/LI2的乙腈溶液，空白導(dǎo)電玻璃做對(duì)電極，從姜黃提取的天然色素作敏化劑，電池的開路電壓為510mV，短路電流為0.05mA/cm2。對(duì)對(duì)電極用導(dǎo)電高分子聚苯胺改進(jìn)，短路電流會(huì)成倍增加，但開路電壓會(huì)稍微下降。以紫果色素做敏化，電池開路電壓最高可以達(dá)到600mV(未密封)，但短路電流較小。

科學(xué)性、先進(jìn)性

(1)染料敏化太陽能電池是一種新型的太陽能電池，與傳統(tǒng)的硅太陽能電池相比，具有原材料來源廣泛、成本低、制作工藝簡(jiǎn)單等諸多優(yōu)點(diǎn)。 (2)天然染料作敏化劑，種類多，成本低，發(fā)展快。 (3)從姜黃中提取的色素作敏化劑，電池的開路電壓為510mV，短路電流為0.05mA/cm2。以紫果色素做敏化，電池開路電壓最高可達(dá)600mV。 目前天然染料如單寧酸及其衍生物，作為敏化劑，短路電流和開路電壓分別為3～4 mA/m2和500mV；花青素類天然染料作為敏化劑，電池短路電流為9mA/m2，開路電壓為590mV。 參考文獻(xiàn)： [1]劉寶琦，趙曉鵬.混合植物染料敏化的太陽能電池性能[J].光子學(xué)報(bào)，2006，35(2)：184-187． [2]梁茂，陶占良，陳軍.染料敏化太陽能電池中的敏化劑[J].化學(xué)通報(bào)，2005，68(12)：889-896． [3]趙勇,盛顯良,翟錦.染料敏化太陽電池中TiO2光陽極研究進(jìn)展[J]. 化學(xué)進(jìn)展, 2006, 18(11): 1452～1459

獲獎(jiǎng)情況及鑒定結(jié)果

本作品在學(xué)校2007年度國(guó)家大學(xué)生創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)計(jì)劃項(xiàng)目中獲“優(yōu)秀”；在2007年度學(xué)校本科生研究訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目中獲“優(yōu)秀”。

作品所處階段

實(shí)驗(yàn)室階段

技術(shù)轉(zhuǎn)讓方式

無

作品可展示的形式

實(shí)物和圖片

使用說明,技術(shù)特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì),適應(yīng)范圍,推廣前景的技術(shù)性說明,市場(chǎng)分析,經(jīng)濟(jì)效益預(yù)測(cè)

1.使用說明 把電池的陽極對(duì)著太陽光，用導(dǎo)線連接電池兩側(cè)邊緣的空白處，即可連入數(shù)碼管，從而顯示即時(shí)電壓和電流等信息。 2.作品的技術(shù)特點(diǎn)優(yōu)勢(shì)及適應(yīng)范圍 用天然染料做敏化劑，來源廣泛，價(jià)格低廉，較穩(wěn)定，顏色鮮艷，可做有色玻璃或工藝品。作為第三代太陽能電池，染料敏化電池的最大吸引力在于廉價(jià)的原材料和簡(jiǎn)單的制作工藝。據(jù)估算，染料敏化電池的成本僅相當(dāng)于硅電池板的1/10。同時(shí)，它對(duì)光照條件要求不高，即便在陽光不太充足的室內(nèi)，其光電轉(zhuǎn)化率也不會(huì)受到太大影響。另外，它還有許多有趣用途。比如，用塑料替代玻璃“夾板”，就能制成可彎曲的柔性電池；將它做成顯示器，就可一邊發(fā)電，一邊發(fā)光，實(shí)現(xiàn)能源自給自足。

同類課題研究水平概述

天然染料主要是通過萃取的方法從植物的果實(shí)、花或葉片中制得，萃取出的物質(zhì)主要為花青素、菁藍(lán)、香豆素、卟啉和噸染料等。根據(jù)所用天然染料種類的不同，可分為花青素及其衍生物、單寧酸及其衍生物、葉綠素及其衍生物和類胡蘿卜素類等。 1.花青素及其衍生物 花青素類染料穩(wěn)定性高、電子注入效率高、敏化效率較高，是目前研究最多的天然染料。K.Tennakone等用乙腈為電解質(zhì)溶劑、矢車菊素(Cyanidin)為敏化劑，得到的電池短路電流為3.2mA/m2，開路電壓為480 mV，Qing D等從石榴籽皮中提取花青素類化合物，以水為電解質(zhì)溶劑，得到了460mV的開路電壓。C.G.Garcia和A.S.Polo等從Jaboticaba中提取的花青素染料，電池短路電流為9.0mA/m2，開路電壓為590mV。 2.單寧酸及其衍生物 K.Tennakone等從紅茶等中提取單寧酸作為敏化劑，以CuI固體作為電解質(zhì)，得到的最高短路電流為7～9mA/m2，且光電流的衰退速率小于5%/h (950W/m2的太陽光模擬器照射下)。Rodolfo Espinosa等從熱帶樹木的廢樹皮中提取縮合單寧酸(condensed tannins)作為敏化劑，通過對(duì)IPCE譜的分析發(fā)現(xiàn)，該敏化劑與TiO2表面的強(qiáng)絡(luò)合作用能改變電極的物理性質(zhì)，從而有效地減少了染料的再結(jié)合損失。 3.葉綠素及其衍生物 Andreas Kay和Michael Gratzel研究發(fā)現(xiàn)用銅葉綠素敏化的電池性能最好，電池總能量轉(zhuǎn)換效率達(dá)到了2.6%。劉寶琦等采用葉綠素和葉黃素協(xié)同敏化的方法，電池開路電壓為502mV, 短路電流為21.5μA/cm2 。 4.類胡蘿卜素 Frank G.Gao等選用ACOC(8’-apo-β-caro-ten-8'-oic acid)作為敏化劑染料，以對(duì)苯二酚的水溶液為電解質(zhì)溶液，電池在426nm處得到的開路電壓、短路電流分別為150mV、4.6μA/cm2。 5.目前天然染料敏化太陽能電池的制約因素 ①天然染料提取工藝簡(jiǎn)單,成本低,來源廣泛。但效率比較低，穩(wěn)定性差， ②只用一種染料作敏化劑，其吸收峰與可見光匹配受限。 因此篩選性能更好的天然染料、提高天然染料的長(zhǎng)期穩(wěn)定性及研究染料的協(xié)同敏化機(jī)理成為天然染料敏化太陽能電池實(shí)用化的突破點(diǎn)。
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