离子液体DSSC的性能测试

引言

1991年，GratzelM.于Nature上发表了关于染料敏化纳米晶体太阳能电池的文章，以较低的成本得到了大于7%的光电转化效率，开辟了太阳能电池发展史上一个崭新的时代,为利用太阳能提供了一条新的途径。目前，DSSC的光电转化效率已能稳定在10%以上，据推算寿命能达15〜20年,且其制造成本仅为硅太阳能电池的1/5〜1/10。

离子液体DSSC主要由纳米多孔半导体薄膜、染料敏化剂、离子液体电解质、对电极和导电基底等几部分组成。室温离子液体具有常温下不挥发、无毒、无嗅、低凝固点、高电导率、较好的化学稳定性等优点。离子液体用作电解质溶剂,具有溶解好、不挥发、电导率高、电化学窗口宽等优点。离子液体完全由离子组成，是非质子溶剂，可以减小溶剂化现象,而且由于具备较强的离子环境，所以使用离子液体作为染料敏化太阳能电池的电解质可以延长其寿命。离子液体的蒸气压很低，可以忽略，即使在较高的温度和真空下，也会保持相当低的蒸气压，原因是室温离子液体内部存在相当大的库仑作用力，所以离子液体电解质应用于染料敏化太阳能电池中安全性好。通过设计合适的离子液体电解质，使其粘度小、电导率大、化学窗口宽，这样离子液体DSSC中离子迁移速率更快，从而提高离子液体DSSC的光电性能。基于以上优点，离子液体作为电解质溶剂的DSSC成为近年来的研究热点。

不同的测试条件，包括环境温度、光谱条件、入射光密度等对离子液体DSSC的性能测试都有一定的影响，研究光源入射光密度对离子液体DSSC的性能影响是本文的重点。

1离子液体DSSC的基本结构和工作原理

离子液体DSSC主要由纳米多孔半导体薄膜、染料敏化剂、离子液体电解质、对电极和导电基底等几部分组成，其工作原理如图1所示。纳米多孔半导体薄膜通常为金属氧化物（T1O2、SnO,、ZnO等），聚集在有透明导电膜的玻璃板上作为DSSC的负极。对电极作为还原催化剂，通常在带有透明导电膜的玻璃上镀上铂。敏化染料吸附在纳米多孔二氧化钛膜面上。正负极间填充的是含有氧化还原对的电解质，最常用的是13-/1的。

离子液体DSSC工作原理：染料分子受太阳光照射后由基态跃迁至激发态①；处于激发态的染料分子将电子注入到半导体的导带中②；电子扩散至导电基底，然后流入外电路中③；处于氧化态的染料被还原态的离子液体电解质还原再生④；氧化态的离子液体电解质在对电极接受电子后被还原,从而完成一个循环⑤；⑥和⑦分别为注入到半导体导带中的电子和氧化态染料间的复合及导带上的电子和氧化态的离子液体电解质之间的复合。

研究结果表明：只有非常靠近半导体薄膜表面的敏化剂分子才能顺利把电子注入到半导体导带中去，多层敏化剂的吸附反而会阻碍电子运输；染料色激发态寿命很短，必须与电极紧密结合，最好能化学吸附到电极上；染料分子的光谱响应范围和量子产率是影响DSSC的光子俘获量的关键因素。到目前为止，电子在染料敏化二氧化钛纳米晶电极中的传输机理还不十分清楚，有Weller等的隧穿机理、Lindquist等的扩散模型等，有待于进一步研究。

2离子液体DSSC性能测试

在实验室条件下，用LED光源模拟太阳光照射离子液体DSSC进行测试实验，光源可变光功率密度为0〜100mW/cm2,离子液体DSSC的规格是1.8X1.2cm，有效面积是0.138cm2,液体电解质DHS-E36为稳定性电解质体系，3-甲氧基丙腈/离子液体/GuSCN等。光源照射离子液体DSSC进行测试实验，离子液体DSSC由于受到了光照，产生电子的定向移动，形成电流。

2.1测试原理图

图2所示是离子液体的DSSC测试原理图。其中电池E为离子液体DSSC，A为电流表，V为电压表，RV为可变电阻的外界负载。离子液体DSSC在入射光密度为60mW/cm2的光照条件下开始工作，从零到正无穷调节RV的阻值。当RV的阻值为0时,即为短路,得到短路电流I*,此时电压为0；逐渐增大RV的阻值，可以得到一系列电流和电压的数据；当RV调节到无穷大时，得到的电流为零，电压达到最大值，即开路电压K。以获得的电流电压数据作图，即可得i-v特性曲线图。

本实验中，调节不同光照的入射光密度，分别得到不同入射光密度条件的短路电流密度媒、开路电压V°c、I-V特性曲线图。通过i-v特性曲线图可以计算出当前入射光密度条件下的最大输出功率PmaX=ImaVax，可以计算出「V特性曲线的填充因子FF=龙賛，最后使用光功率测量入射到离子液体DSSC的光功率密度Pin，得到能量转换效率h=醫。从以填充因子FF-FT、能量转换效率h=K数据，可以分别绘制出短路电流随光照强度变化曲线图、开路电压随入射光密度变化曲线图、填充因子随入射光密度变化曲线图、功率转化效率随入射光密度变化曲线图。

2.2测试结果分析

以上实验结果是DSSC在光谱照射条件下的i-v特性曲线，从图3中的数据可以得出电流密度和电压之间曲线关系。

离子液体DSSC内阻与导电玻璃、半导体薄膜、染料、离子液体电解质和对电极有关，其内阻受它们共同影响。内阻计算公式如下：

式中，U是离子液体DSSC总电压，U1和U是外电路电压，I1和I是电路电流。

根据图3的I-V曲线数据,即可计算出离子液体的内阻(是0.36Q)。

2.3光源光强对DSSC测试结果的影响

图4所示是短路电流随光照强度变化曲线。从图4中可以看出随着入射光密度的增大，短路电流密度呈线性增长。这是因为当DSSC的光照密度增加时，短路电流Isc与染料的电子向TiO2导带注入电子的速率成正比。

图4短路电流随光照强度变化曲线

入射光密度■■ln/(mW/cm2)

图5开路电压随光照强度变化曲线

图5所示是DSSC的开路电压随光照强度的变化曲线。从图5中可以看出，随着入射光密度的增大，开路电压呈线性增长。在理论上开路电压VOc由下面方程表示：

式中，K 为波尔兹曼常数，T 为绝对温度，e 为电子电量，ncb 为TiO2 导带上电子电量，ket 为 I3- 暗反应速率常数，[I3-] 为电解质中 I3- 离子的摩尔浓度，Iinj 为激发态染料向 TiO2 导带注入电子的速率。

从式(3)中可以看出，当入射光密度增大时，由于电池的暗电流不变，开路电压Voc与激发态染料分子向T1O2导带注入电子的速率成正比。

图6所示是填充因子随入射光密度的变化曲线，填充因子表达式为：

通过式(4)可以得到填充因子随光照强度的变化曲线图,它可用来表征因电池内部电阻的存在而导致的能量损失。

图7所示是其功率转化效率随入射光密度变化曲线。从图7中可以看出，随着入射光密度的增大，转换效率先增大后减小,呈非线性变化，约在70mW/cm2达到最大值。这是因为DSSC属于弱光电池，在弱光条件下被激发的染料分子数少，L7T离子的传输足够还原被太阳光激发的染料分子，而当光强增大时被激发的染料分子数增多，L7T离子的传输速率不能满足染料分子再生速率，从而影响到电池效率的提高凹。

3结语

离子液体DSSC的短路电流密度随着入射光密度的增大呈线性增长，离子液体DSSC的开路电压随着入射光密度的增大呈线性增长，离子液体DSSC的填充因子在入射光密度为60〜80mW/cm2范围内达到最大值，离子液体DSSC的转

换效率在入射光密度为 70 mW/cm2 时达到最大值。

事实上，不同的测试条件，如环境温度、光谱条件、入射光密度等对离子液体 DSSC 的性能测试都有一定的影响，而环境温度、光谱条件对离子液体 DSSC 的性能测试有待进一步研究。