人造树叶----染料敏化太阳能电池的制备及性能研究

李昱潼

指导老师：满卫萍

（一） 科探方舟介绍

科探方舟是一个系统性的拔尖创新人才早期培养生态系统，其核心价值在于以整体化、结构化的方式深度变革高中科学教育形态，为新时代拔尖创新后备人才的早期发现、系统培养与持续发展提供全新范式。在传统科学教育中，学生多以知识接收、课堂听讲、重复实验为主，创新思维与科研能力难以得到充分锻炼；而科探方舟以顶层设计为引领，通过高度整合、精心打磨的一体化培养项目，真正实现育人模式的系统性升级。

在学习方式上，科探方舟推动学生从知识的被动接受者转变为主动的探究者、问题的发现者与方案的解决者。它不再局限于课本知识点的识记与验证性实验，而是引导学生在真实科研场景中提出问题、设计方案、开展研究、分析数据、形成结论，让科学学习回归探索本质。在课程形态上，它将传统单一、碎片化的实验课，提升为覆盖选题、研究、实践、复盘、成果表达的完整科研训练，让高中生提前体验规范的学术研究流程，建立严谨的科学态度与逻辑思维。

在培养格局上，科探方舟打破了学校封闭的校内培养循环，搭建起与高校实验室、科研院所、高端平台紧密衔接的开放协同平台，实现师资、设备、课题、场景等优质资源的全面贯通，让中学生能够接触前沿科技领域，在更高起点上开展创新实践。

由此可见，科探方舟远不止是一套实验教具或一门特色课程，而是面向未来、支撑科技强国战略的教育理念革新，是对人才培养模式的深刻实践。它以生态化思路重构科学教育，既提升学生的创新能力与综合素养，也推动学校育人方式转型、教师专业成长与教育资源优化配置。作为拔尖创新人才早期培育的重要载体，科探方舟为更多具备科学潜质的青少年搭建成长阶梯，为国家储备具备科研素养、创新精神与实践能力的后备力量，在基础教育与高等教育、学校教育与科研创新之间架起坚实桥梁，具有长期而深远的教育价值与社会意义。

（二）染料敏化电池（DSSC）研究背景

  ·20世纪60年代，H. Gerischer、H. Tributsch、Meier 及 R. Memming 等人发现，染料吸附于半导体表面并在一定条件下可产生电流，这一现象为光电化学电池的研究奠定了基础。到了70年代，以硅、砷化镓为代表的窄禁带半导体光伏电池取得了显著进展，其转换效率普遍高于18%，然而这类材料存在严重的光腐蚀问题，且需依赖高纯度晶体，导致成本高昂，因而在大面积推广与多领域应用中面临困难。相比之下，TiO₂等宽禁带半导体具有优异的光、热稳定性，更宽的应用适应性，同时价格低廉、制备成本较低，显示出更好的应用前景。随着一次能源的日益枯竭与环境污染问题加剧，开发可再生能源已成为全球共识。染料敏化太阳能电池（DSSC）因其环境友好、清洁可持续的特性，逐渐成为当前可再生能源技术中的重要研究方向。

（三）染料敏化电池的探究意义

染料敏化太阳电池由于制备工艺简单，材料的环境友好，成为一种潜在的低成本光电转化光伏技术。染料敏化电池的特点是染料敏化纳米二氧化钛，纳米材料引入数量级提高了染料的负载，从而提高电池对太阳光的有效捕获;同样，纳米材料也限制了电解质的选择:液体电解质。液体电解质的流动特性好，离子扩散速度快，界面接触好，有利于氧化染料再生和电荷的传输，电池效率高。而从光伏效率和稳定性看，离子液体电解质是DSSC走向商业化的重要方向。

（四）染料敏化电池的实验原理

(1) 染料分子吸收光后受到激发，染料由基态(S⁰)跃迁到激发态(S^*):

S⁰ + hv →S^*;

(2)处在激发态染料分子将电子注入到半导体TiO₂的导带中(注:电子注入速率常数为k_inj):

S^* → S⁺ + e^-(CB);

(2) 导带中的电子在纳米晶网络中传输到后接触面，后而流入到外电路中(注:导带用CB表示，后接触面用BC表示):

e^-(CB)→e^-(BC);

(4)处于氧化态的染料被还原态的电解质还原再生:

3I^-+2S⁺→I₃^-+S⁰;

(5)氧化态的电解质在对电极接受电子后被还原，一个循环完成(注:CE表示对电级):

I₃^-+2e^-(CE)→3I^-;

(6)导带中的电子与被氧化的染料之间的复合(注:电子回传速率常数为k_b:

S + e^-(CB) → S⁰;

(7)纳米晶薄膜网络中的传输电子与氧化态电解质之间复合(注:速率常数用k^et表示):

I₃^-+ 2e^-(CB)→3I^- 。

（五）染料敏化太阳能电池（DSSC）制作流程

1. 筛选导电玻璃：首先准确识别导电玻璃的导电面，使用万用表检测电阻，确保阻值稳定在10–20Ω区间。该阻值可保证良好的电子传输效率，减少能量损耗，为后续成膜、吸附染料等步骤提供稳定基底，是实验顺利开展的基础前提。

2. 制备TiO₂浆料：称取约0.5g TiO₂纳米粉末放入研钵，逐滴加入稀乙酸并持续匀速研磨。研磨至浆料呈牙膏或油漆状粘稠度，无明显颗粒、质地均匀，可减少薄膜缺陷，提升光捕获与电子传输效果。

3. 制作TiO₂薄膜：在洁净导电玻璃两侧粘贴透明胶带以控制膜厚，将少量浆料置于玻璃一端，用玻璃棒匀速刮涂成均匀薄层。随后将玻璃放在燃气灶上方铁丝网上烧结15分钟，薄膜先变棕再变白即表明溶剂完全蒸发，烧结后自然冷却，防止膜层开裂。

4. 染料浸泡处理：将冷却后的TiO₂光阳极浸入染料溶液，密封并避光静置5–240分钟。待电极由白色均匀变为稳定紫红色，说明染料分子已充分吸附在TiO₂表面，可有效吸收可见光并激发光生电子。

5. 制作石墨对电极：取另一片洁净导电玻璃，用6B铅笔在导电面反复均匀涂抹，形成致密、连续、导电性良好的碳层。均匀碳层能保证对电极的催化活性，使电池内部氧化还原反应高效稳定进行。

6. 组装成品电池：将敏化后的光阳极（染料面朝上）与对电极（导电面朝下）错开叠放，用燕尾夹夹紧固定；从注液口缓慢注入碘电解液，利用毛细作用使电解液充满两极间空腔并排除气泡，完成电池组装。

实验注意事项

基板清洁要求

导电玻璃基板的清洁度直接影响TiO₂薄膜的附着力和染料吸附效果。需使用乙醇和去离子水反复清洗，并在无尘环境中操作，避免灰尘和油脂污染。清洁不彻底会导致薄膜不均匀或染料吸附不充分，从而降低电池的光电转换效率和稳定性。

染料吸附优化

染料在TiO₂薄膜上的吸附时间对电池性能至关重要。控制浸泡时间以促进染料形成致密且稳定的吸附层。过短的吸附时间会导致染料负载不足，过长则可能引起染料降解，因此需通过实验确定最佳吸附时间以提升电池的光稳定性和效率。

（六）实验数据：

结论：开路电压随光照强度的增大而增大，但当光照强度超过一定值后，开路电压趋于稳定，不再继续升高。

（七）实验总结：

在染料敏化太阳能电池的实验研究过程中，我们团队观察到电池在持续光照条件下出现显著的光电转换效率衰减，其供电持续时间远低于预期。通过系统性的光电性能测试与稳定性评估，初步判断该现象可能与光阳极中染料的稳定性密切相关。经查阅相关文献并与团队成员讨论，我们推测敏化染料在长期光照下可能发生光解反应，导致染料分子结构降解，从而减少其对可见光的吸收能力，降低电子激发率，造成电池性能衰退。

经过多轮实验验证，我们发现延长二氧化钛光阳极在染料溶液中的浸泡时间，可促进染料在半导体表面形成更致密且稳定的染料吸附层，一定程度上抑制了染料分子的解吸附和光降解过程。最终通过优化制备工艺，有效增强了电池的光稳定性和持续供电能力。

（八）实验评价：

本次实验不仅让我们深入理解了染料敏化太阳能电池的技术原理与应用潜力，更在科研方法和团队协作上积累了宝贵经验。未来，我们可进一步探索新型耐光染料分子、优化电解液配方等方向，持续推动 DSSC 性能的提升，为低成本可再生能源技术的发展贡献更多实践价值。