1.徐州一中综合实践活动（研究性学习）课题实施方案申报表

课题名称	人造树叶——染料敏化太阳能电池的性能研究
课 题 组 成 员 及 有 关 情 况	姓名	性别	班级	职务	学号
	朱梓悦	女	高一8班	组长	3266433309
	潘昱初	女	高一8班	组员	3266433313
	丁子骞	男	高一18班	组员	3266458285
	臧雨馨	女	高一8班	组员	3266433311
	李思睿	女	高一8班	组员	3266433310
	董姝含	女	高一8班	组员	3266433312
	宁子涵	女	高一8班	组员	3266433323
	指导教师	张靓
课 题 研 究 的 目 的 及 主 要 内 容	目的： 能源储量日益枯竭与环境污染的严重问题成为人类社会目前可持续发展的重大挑战。开发利用清洁可再生新能源成为解决上述问题的关键，其中太阳能因取之不尽、用之不竭、环境友好、不受地理条件限制等优点，成为最具发展前景的新能源之一。 太阳能发电主要分为光-热-电转换和光-电转换两种方式，光-电转换对太阳光利用率更高、应用场景更广。太阳能电池作为光-电转换的核心器件，主要包括硅基、无机化合物薄膜、有机聚合物、染料敏化及钙钛矿太阳能电池等类型。染料敏化太阳能电池因制备工艺简便、原材料易得，成为非硅基太阳能电池的重要研究方向。本实验围绕染料敏化太阳能电池开展制备及性能研究，探究多种因素对电池性能的影响，为其优化改进提供实验依据。 主要内容： 1、本实验完成了染料敏化太阳能电池的制备。 2、系统探究了光照环境、二氧化钛薄膜厚度、天然染料敏化剂种类及染料浸泡时间对电池性能的影响，测定了不同条件下电池的短路电流、开路电压、最大功率及填充因子等关键指标。 3、得到结论，该电池对环境光线明暗变化有明显响应，户外光照下性能最优；二氧化钛薄膜厚度适中时电池综合性能最佳；紫甘蓝提取的花青素作为敏化剂效果优于菠菜；30min为染料浸泡的最优时长。 4、实验也发现了制备工艺、设备操作等方面的问题并予以解决，为后续进一步探究奠定基础。
研 究 假 设	纳米 TiO₂薄膜厚度、天然染料种类、染料浸泡时间、光照强度、均会显著影响染料敏化太阳能电池性能，各因素存在最优参数，适配的参数组合能有效提升电池光电转换效率。
研 究 方 法	实验、查找资料。
研 究 步 骤 （各 阶 段 的 主 要 内 容 和 时 间 安 排）	一 、8月22日-8月25日 领取科学盒子和科学海报 录制开箱视频，拍摄开箱照片 二、8月26日-8月27日 领取姓名专属条码，加入课题微信群、组建课题小组，参加课题群科学第一课   ，检查物资。 三、8月29日-9月10日 1. 登录在线学习平台 2. 完成探究性学习导论，合作讨论课程学习； 3. 完成先备知识课程学习和课题任务的节点任务提交； 4. 完成实验探究的课程学习和课题任务的节点任务提交； 5. 利用科探方舟盒子完成课题探究实验。 四、9月11日-9月12日 1.   进行课题研究进展汇报 2.   成果制作指导课程学习 五、9月13日-9月18日 成果制作和修改 六、9月14日-9月28日 1. 科学海报评选 2. ppt 预答辩 3. 科技论文评选 七、9月底 闭幕式，进行成果的汇报与表彰
成 果 形 式	PPT、论文、海报、
论 证 小 组 意 见	论证人签名：   年 月 日

2.徐州一中综合实践活动（研究性学习）记录表

注：1、由课题组长指派专人负责填写，备追踪课题研究过程时使用。

2、本表一式三份，交由年级处、指导教师、课题组长存档。

3.徐州一中综合实践活动（研究性学习）课题研究成果报告

题目：人造树叶——染料敏化太阳能电池的性能研究					编号：
课题组成员	组长：朱梓悦			组员：潘昱初、丁子骞、臧雨馨、李思睿、董姝含、宁子涵
指导教师：张靓		报告执笔人： 潘昱初			完成时间：9月20日
主导课程：材料化学			相关课程：光电效应
（一）书面材料
课题成果： 1） 预期的成果： 明确 TiO₂薄膜厚度等四大因素对染料敏化太阳能电池性能的调控规律，确定各因素最优参数；形成完整实验报告，为电池性能优化、低成本制备提供实验依据，为天然染料在光伏领域应用提供实践参考。 2） 课题实际取得的成果：   成果1：确定各因素最优参数：户外光照、30μm二氧化钛薄膜、紫甘蓝花青素敏化剂、30min染料浸泡时长为本次实验的最优条件。 成果2：明确各因素对电池性能的作用机制。 成果3：形成含完整实验数据、分析结论及优化方向的研究报告，为电池改性和场景化应用提供理论与实践支撑； 成果4：实验过程中解决了材料设备、操作技能与数据处理等问题，积累了完整的制备与测试经验。
参考书目及资料： [1] 《染料敏化太阳电池》林原、张敬波、王桂强 等编著，化学工业出版社 [2] 《太阳能电池原理与应用》（通用经典教材） [3]《新型光伏电池制备与实验技术》 [4] 戴松元. 从染料敏化到钙钛矿——新型太阳电池创新之路[J]. 华北电力大学学报, 2022. [5]Application   of natural photosensitizers in dye-sensitized solar cells: opportunities,   challenges, and future outlook PubMed   期刊文献（2025） [6] Han L, Yu T, et al. Highly efficient   indoor dye-sensitized solar cells[J]. Advanced Materials, 2025.
附录材料（要求提交原始记录）包括： 活动记录表（1）份  访谈表（ ）份  实验记录（   ）份 调查表（ ）份 测量数据记录（ ）份
（二）实物材料，如制作的图片，模型，照片，事物样本，音像资料等    编号：   名称：   制作者：   内容： 功能：
（三）演示课题成果所需要的条件，要求（如特别需要，请说明）：

4. 人造树叶——染料敏化太阳能电池的性能研究

徐州市第一中学高一8班 18班 朱梓悦、潘昱初、丁子骞、臧雨馨、

李思睿、董姝含、宁子涵

【摘要】

针对矿物能源短缺与环境污染的双重问题，太阳能作为清洁可再生能源成为研究热点，染料敏化太阳能电池因制备成本低、工艺相对简单具备良好应用前景。本实验完成了染料敏化太阳能电池的制备，系统探究了光照环境、二氧化钛薄膜厚度、天然染料敏化剂种类及染料浸泡时间对电池性能的影响，测定了不同条件下电池的短路电流、开路电压、最大功率及填充因子等关键指标。结果表明，该电池对环境光线明暗变化有明显响应，户外光照下性能最优；二氧化钛薄膜厚度适中时电池综合性能最佳；紫甘蓝提取的花青素作为敏化剂效果优于菠菜；30min为染料浸泡的最优时长。实验也发现了制备工艺、设备操作等方面的问题并予以解决，为后续进一步探究奠定基础。

【关键词】：染料敏化太阳能电池；制备工艺；性能影响因素；天然敏化剂

一、引言

21世纪以来，矿物能源储量日益枯竭，全球已探明石油、天然气仅能使用数十年，煤炭也仅能使用一两百年，同时矿物能源燃烧产生的有害气体、固体颗粒物及CO₂，造成了酸雨、温室效应等严重的环境问题，能源与环境问题成为人类社会可持续发展的重大挑战。开发利用清洁可再生新能源成为解决上述问题的关键，其中太阳能因取之不尽、用之不竭、环境友好、不受地理条件限制等优点，成为最具发展前景的新能源之一。

太阳能发电主要分为光-热-电转换和光-电转换两种方式，光-电转换对太阳光利用率更高、应用场景更广。太阳能电池作为光-电转换的核心器件，主要包括硅基、无机化合物薄膜、有机聚合物、染料敏化及钙钛矿太阳能电池等类型。染料敏化太阳能电池因制备工艺简便、原材料易得，成为非硅基太阳能电池的重要研究方向。本实验围绕染料敏化太阳能电池开展制备及性能研究，探究多种因素对电池性能的影响，为其优化改进提供实验依据。

二、实验基础与方法

2.1 实验原理

染料敏化太阳能电池的核心结构由导电玻璃、二氧化钛薄膜、染料敏化剂、电解质、铂/碳对电极及另一层导电玻璃组成。其工作原理为：染料敏化剂吸收太阳光后产生光生电子，电子转移至二氧化钛导带并通过外电路形成电流，氧化态的染料敏化剂则通过电解质得到电子还原，完成整个光电转换循环。

2.2 实验材料

染料敏化电池制备套装、电池性能测试套装、酒精灯、石棉网、研磨杯、烧杯、纳米二氧化钛、稀乙酸、紫甘蓝、菠菜、乙醇、6B铅笔、导电玻璃、燕尾夹等。

2.3 电池制备工艺流程

1. 清洗导电玻璃：去除导电玻璃表面杂质，保证电极导电性；

2. 二氧化钛薄膜电极制备：称取0.5g纳米二氧化钛，与稀乙酸混合研磨均匀制得浆料；

3. 刮涂与晾干：将二氧化钛浆料刮涂在导电玻璃表面，自然晾干；

4. 高温烧结：对晾干后的二氧化钛薄膜进行高温烧结，使浆料形成稳定多孔薄膜；

5. 染料敏化：采用乙醇溶液隔水加热法从紫甘蓝、菠菜中提取天然染料，将烧结后的二氧化钛电极浸入染料溶液中完成敏化；

6. 对电极制备：用6B铅笔在导电玻璃整个导电面均匀涂布石墨，制得对电极；

7. 电池组装：将染料敏化电极与石墨对电极的功能面相对，预留导线夹持缝隙，无空隙端用燕尾夹固定，制得染料敏化太阳能电池。

2.4 性能测试与探究方案

采用电池性能测试套装测定电池的短路电流（I_{sc}）、开路电压（V_{oc}）、最大功率（P_{max}）、最佳工作电流（I_{mp}）、最佳工作电压（V_{mp}），并通过公式

FF=\frac{P_{max}}{V_{oc} \times I_{sc}}

计算填充因子（FF），以各指标表征电池性能。

分别设置四组探究实验：

①不同光照环境（无光、室内光、户外光）；

②不同二氧化钛薄膜厚度（10μm、20μm、30μm）；

③不同天然染料敏化剂（紫甘蓝花青素、菠菜提取物）；

④不同染料浸泡时间（5min、30min、3h）。

每组实验保持单一变量，其余条件一致。

三、实验结果与分析

3.1 不同光照环境对电池性能的影响

无光环境下，无光子激发，染料无法产生光生电子，因此电池短路电流、开路电压、功率均为0，符合物理规律。室内光环境下，电池开始产生稳定的光电输出；户外光环境下，光生载流子数量大幅增加，电池短路电流、开路电压与最大功率显著提升。实验表明，光照强度越大，光生电子产生量越多，电池光电转换性能越好。

光照环境	短路电流Isc   (mA)	开路电压VOC   (V)	最大功率Pm (mW)	最佳工作电流Ipm   (mA)	最佳工作电压Vmp   (mV)	填充因子 FF
无光环境	0.00	0.00	0.00	0.00	0.00	0.00
室内光	0.40	0.60	0.09	0.30	300	0.375
户外光	10	0.70	4.20	7.00	600	0.600

3.2 二氧化钛薄膜厚度对电池性能的影响

开路电压随薄膜厚度增加略有上升，原因是更厚的TiO2薄膜可吸附更多染料，提升光吸收能力；短路电流随厚度增加逐渐下降，因过厚的薄膜会增加电子传输阻力。填充因子随厚度增加稳步提升，在30μm时达到最优，说明厚度适中时，光吸收与电子传输达到最佳平衡。

	二氧化钛薄膜厚度（μm）	短路电流Isc（mA ）	开路电压VOC   (V)	填充因子 FF
一层胶带	10	2.8	0.62	0.58
二层胶带	20	2.4	0.65	0.62
三层胶带	30	1.8	0.68	0.64

3.3 不同天然染料敏化剂对电池性能的影响

紫甘蓝花青素作为敏化剂时，电池的短路电流、开路电压、最大功率与填充因子均显著优于菠菜提取物。原因是紫甘蓝花青素的分子结构对可见光的吸收能力更强，电子注入效率更高，更适合作为天然染料敏化剂。

染料敏化剂名称	短路电流Isc（mA ）	开路电压VOC   (V)	最大功率Pm (mW)	填充因子 FF
菠菜提取物	1.25	0.48	0.30	0.50
紫甘蓝花青素	1.75	0.52	0.52	0.57

3.4 染料浸泡时间对电池性能的影响

浸泡时间过短，染料吸附量不足，光电性能偏低；浸泡30min时，染料吸附均匀且充分，光生载流子产生与传输效率最高；浸泡3h后，染料出现过度聚集，反而阻碍电子传输，导致性能回落。因此30min为染料浸泡的最佳时长。

	染料浸泡时间	短路电流Isc（mA ）	开路电压VOC     (V)	填充因子 FF
测试一	5min	1.20	0.42	0.48
测试二	30min	1.55	0.46	0.52
测试三	3h	1.45	0.44	0.49

四、实验中遇到的问题与解决措施

1. 材料与设备不足：电池制备工艺对材料和设备要求较高，初期出现材料短缺、设备不齐全的问题。通过组员分工协作、多方筹备的方式，备齐实验用物，保障了实验的顺利推进。

2. 设备操作不熟练：实验初期因对万用表等测试设备使用不当，导致性能数据测定困难。通过查阅操作手册、反复摸索实践，掌握了设备的正确使用方法，确保了数据测定的准确性。

3. 数据合理性判断不足：原始数据存在数值不合理、计算不自洽等问题。通过查阅专业资料、请教指导老师，学习光伏电池基本原理，明确了物理量定义及计算方法，修正数据并验证公式一致性，顺利完成数据整理与分析，保证了实验结论科学可靠。

五、后续研究计划

本实验已探究了光照环境、二氧化钛薄膜厚度、天然染料敏化剂种类及染料浸泡时间对染料敏化太阳能电池性能的影响，后续将进一步探究不同电解质溶液对电池性能的影响，通过测定并对比不同电解质条件下电池的各项性能指标，筛选出适配本实验制备工艺的最优电解质溶液，进一步优化光电转换性能。

六、结论

本实验成功制备出以天然植物提取物为敏化剂的染料敏化太阳能电池，实验数据经修正后符合物理规律与电池工作原理。研究表明：光照强度、TiO₂薄膜厚度、天然染料种类与染料浸泡时间均显著影响电池性能。户外光照、30μm二氧化钛薄膜、紫甘蓝花青素敏化剂、30min染料浸泡时长为本次实验的最优条件。

 实验过程中解决了材料设备、操作技能与数据处理等问题，积累了完整的制备与测试经验。后续可通过优化电解质、改进薄膜烧结工艺、提纯天然染料等方式进一步提升效率，为低成本、环保型太阳能电池的教学实验与简易应用提供参考。

致谢

感谢实验过程中给予指导的老师，以及组员们的分工协作与全力配合，使得本实验的制备与探究工作能够顺利完成。

参考书目及资料文献：

[1] 《染料敏化太阳电池》林原、张敬波、王桂强 等编著，化学工业出版社

[2] 《太阳能电池原理与应用》（通用经典教材）

[3]《新型光伏电池制备与实验技术》

[4] 戴松元. 从染料敏化到钙钛矿——新型太阳电池创新之路[J]. 华北电力大学学报, 2022.

[5]Application of natural photosensitizers in dye-sensitized solar cells: opportunities, challenges, and future outlook PubMed 期刊文献（2025）

[6] Han L, Yu T, et al. Highly efficient indoor dye-sensitized solar cells[J]. Advanced Materials, 2025.