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基本信息

項(xiàng)目名稱(chēng)：
植物染料敏化納米晶TiO2太陽(yáng)能電池
小類(lèi)：
能源化工
簡(jiǎn)介：
植物染料敏化納米晶TiO2太陽(yáng)能電池（Dye-sensitized Solar Cell, DSSC）是一種新型的光電化學(xué)太陽(yáng)能電池，由于它制作工藝簡(jiǎn)單、成本低、性能穩(wěn)定，并且對(duì)環(huán)境無(wú)污染，因此，具有良好的開(kāi)發(fā)前景。它是解決世界范圍內(nèi)能源危機(jī)和環(huán)境問(wèn)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(duì)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(xué)電沉積法制備氧化鈦膜工作電極，制備方法簡(jiǎn)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(jiǎn)單，大大降低了電池的制作成本。
詳細(xì)介紹：
染料敏化納米晶太陽(yáng)能電池是一種新型的光電化學(xué)太陽(yáng)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(duì)電極。 由于TiO2的禁帶寬度為3.2eV，可見(jiàn)光沒(méi)有足夠的能量將其價(jià)帶的電子激發(fā)躍遷至導(dǎo)帶，因此在其表面吸附一層染料以達(dá)到對(duì)可見(jiàn)光的吸收從而實(shí)現(xiàn)對(duì)TiO2的敏化。在光照下，染料分子吸收太陽(yáng)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(jí)的TiO2導(dǎo)帶，此時(shí)染料被氧化；注入到TiO2導(dǎo)帶的電子富集在導(dǎo)電基底上，并通過(guò)導(dǎo)電膜流向外電路經(jīng)過(guò)負(fù)載到達(dá)對(duì)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(fù)成還原態(tài)(基態(tài))得以再生；電解質(zhì)I3-被來(lái)自TiO2導(dǎo)帶、通過(guò)電極進(jìn)入外電路、最終到達(dá)陰極的電子還原成I-，這樣就完成了一個(gè)循環(huán)。這個(gè)激發(fā)-氧化-還原的再生循環(huán)周而復(fù)始的進(jìn)行，就得到了持續(xù)的光電流。 該作品采用化學(xué)電沉積法在ITO導(dǎo)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(jī)柔性基底上氧化鈦薄膜的制備，而且制備工藝簡(jiǎn)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(jiǎn)單：將胡蘿卜切碎、晾干，以石油醚為溶劑進(jìn)行抽提，然后過(guò)濾；該電池以碘/碘化鉀的乙二醇溶液作為電解液，空白ITO導(dǎo)電玻璃為對(duì)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(jiǎn)單：將工作電極和對(duì)電極面向疊合，用夾子固定，然后將電解液通過(guò)毛細(xì)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(shí)驗(yàn)室階段。電池的短路電流還很低，尚未投產(chǎn)使用。

作品圖片

  • 植物染料敏化納米晶TiO2太陽(yáng)能電池

作品專(zhuān)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)

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(yáng)能電池。 基本思路：染料敏化太陽(yáng)能電池為太陽(yáng)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(duì)電池性能有著重要的影響。本作品通過(guò)采用化學(xué)電沉積法制備鍍膜均勻、透光性較好的TiO2膜電極；同時(shí)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(yáng)能電池。 創(chuàng)新點(diǎn)：1、電沉積法制備氧化鈦薄膜相對(duì)于溶膠-凝膠提拉涂膜法，不需高溫煅燒，可在導(dǎo)電柔性基底上沉積薄膜；相對(duì)于氣相沉積、磁控濺射等方法不需要昂貴的設(shè)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(jiǎn)單，可以家庭制作，可制成柔性電池，技術(shù)成熟后非常容易推廣。 電池的主要技術(shù)指標(biāo)如下： 1、電池的結(jié)構(gòu)： 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(duì)電極：ITO膜導(dǎo)電玻璃，方阻為10Ω/□； 2、電池的輸出特性： 開(kāi)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(kāi)路電壓降低7mV。 （說(shuō)明：光源為模擬太陽(yáng)光的白光二極管，發(fā)光峰為453nm和537nm。）

科學(xué)性、先進(jìn)性

科學(xué)性先進(jìn)性：染料敏化太陽(yáng)能電池是一種新型的光電化學(xué)太陽(yáng)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(xué)沉積法制備TiO2膜電極，不需昂貴的設(shè)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(chǔ)。到目前為止，電池的染料敏化劑主要有三類(lèi)：釕多吡啶有機(jī)金屬配合物、酞菁和菁類(lèi)染料、天然染料。相較于前兩種染料，作品中設(shè)計(jì)提取使用的天然染料具有提取工藝簡(jiǎn)單、成本低、綠色、環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)。因此，本作品的制備方法會(huì)降低電池的制備成本，簡(jiǎn)化電池制備工藝，對(duì)成本低、綠色、環(huán)保的新型能源開(kāi)發(fā)利用具有重要意義。

獲獎(jiǎng)情況及鑒定結(jié)果

作品所處階段

實(shí)驗(yàn)室階段

技術(shù)轉(zhuǎn)讓方式

作品可展示的形式

照片,樣品

使用說(shuō)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(shuō)明,市場(chǎng)分析,經(jīng)濟(jì)效益預(yù)測(cè)

使用說(shuō)明：本作品為光電化學(xué)太陽(yáng)能電池，將其接入負(fù)載電路中，在太陽(yáng)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(shù)特點(diǎn)及優(yōu)勢(shì)：生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)單、制備成本低、綠色、環(huán)保；用該技術(shù)可制備可折疊的柔性電池。 前景分析：該電池的制備工藝簡(jiǎn)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(shù)問(wèn)題，隨著固態(tài)電解質(zhì)制備技術(shù)的成熟和植物染料的篩選和改性?xún)?yōu)化，這種薄膜太陽(yáng)能電池將會(huì)作為室外裝飾材料用于居室、城市街道照明等各個(gè)領(lǐng)域；將電極改用柔性導(dǎo)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(jì)效益。

同類(lèi)課題研究水平概述

染料敏化太陽(yáng)能電池(The dye-sensitized solar cell DSSC)是光電化學(xué)太陽(yáng)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(duì)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(duì)太陽(yáng)光的吸收，并把光電子傳輸?shù)絋iO2的導(dǎo)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(duì)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(yīng)濺射的方法。溶膠-凝膠涂膜法簡(jiǎn)單易操作，但是制備的膜與基底的結(jié)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(yīng)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(shè)備復(fù)雜昂貴，反應(yīng)不易控制，因此也不適合大規(guī)模的生產(chǎn)制備。而電化學(xué)沉積法制備工藝簡(jiǎn)單、可大面積成膜、所需設(shè)備簡(jiǎn)單、不需要高溫煅燒晶化，而且還可極大地?cái)U(kuò)展基體材料的范圍，使TiO2薄膜可在金屬材料及各種導(dǎo)電材料表面形成（如用柔性導(dǎo)電膜），促進(jìn)該類(lèi)功能性膜層的實(shí)際應(yīng)用。因此化學(xué)電沉積制備技術(shù)是TiO2光催化功能薄膜制備技術(shù)中的一個(gè)重要發(fā)展方向。 目前為止，敏化染料主要有三類(lèi)：釕吡啶有機(jī)金屬配合物、酞菁和菁類(lèi)染料、天然染料。其中，釕吡啶有機(jī)金屬配合物光電性能最好。但無(wú)論是釕吡啶有機(jī)金屬配合物還是酞菁和菁類(lèi)染料，其合成工藝復(fù)雜、提純較難、合成中副反應(yīng)較多，因此成本也就相應(yīng)提高，而且合成染料往往具有毒性。而自然界經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的進(jìn)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(xué)能轉(zhuǎn)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(duì)植物染料敏化太陽(yáng)能電池的研究將對(duì)緩解能源危機(jī)具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義。隨著技術(shù)的發(fā)展和成熟，植物染料敏化納米晶太陽(yáng)能電池憑借其所具有的低成本、無(wú)污染、光電轉(zhuǎn)換效率高等眾多優(yōu)點(diǎn)，必將有著十分廣闊的應(yīng)用前景。
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