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

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

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 王维璟、刘舒畅、张明伊、刘乔珂、周雨菲

【摘要】

本试验旨在研究纳米TiO₂多孔薄膜厚度，天然染料光敏化剂，染料浸泡时间，光照强度，滤光片颜色对染料敏化太阳能电池性能的影响。取4组FTO玻璃，滴加TiO₂浆料，分别以2000/3000/4000/5000rpm转速匀胶30s。取3组相同的TiO₂薄膜，分别浸入菠菜、蓝莓、姜黄染料溶液。将5组TiO₂薄膜分别浸入N719染料溶液2h、6h、12h、24h、36h。将一染料敏化电池放置在某一功率光源10 cm 处，更换不同功率光源。分别将红、绿、蓝、黄色滤光片保持滤光片与电池5cm。结果表明，纳米TiO₂多孔薄膜厚度，天然染料光敏化剂，染料浸泡时间，光照强度，滤光片颜色对染料敏化太阳能电池性能均能产生影响。结果提示对上述因素进行改进可提高染料敏化太阳能电池效率。

【关键词】染料敏化太阳能电池

一、研究背景

全球能源危机与环境污染问题凸显，开发清洁高效、低成本的可再生能源成为核心方向，太阳能的高效转化利用是能源领域研究热点。染料敏化太阳能电池（DSSC）自 1991 年被首次报道后，凭借制备工艺简单、成本低、可弱光工作等优势，成为硅基太阳能电池的重要补充，应用前景广阔。

染料敏化太阳能电池基于 “染料光敏化 - 电子转移” 机制工作，性能高度依赖光阳极薄膜、光敏染料、电解液及外界光照等关键组件和工艺参数的协同优化。目前其研究虽取得进展，实验室小面积器件效率突破 14%，但仍存在两大核心瓶颈：一是高性能光敏染料多为合成金属配合物，成本高且部分成分环境友好性不足，限制规模化应用；二是电池性能对制备工艺和外界光照条件敏感，稳定性与量产一致性难保障，且各影响因素的耦合作用未明确，制约了性能的精准调控与效率提升。

基于此，本研究围绕 DSSC 性能的关键影响因素展开探究，以期为其性能优化、低成本高稳定性制备及产业化提供实验和理论支撑。

二、实验材料

1. P25 纳米 TiO₂粉末：作为制备光阳极纳米多孔半导体薄膜的核心原料，是染料吸附与电子传输的载体；

2. N719 染料：合成光敏化剂，为对比组及薄膜厚度、浸泡时间、光照强度、滤光片颜色实验的核心光敏材料；

3. I⁻/I₃⁻电解液：为电池光电转换循环提供氧化还原对，实现空穴再生；

4. FTO 导电玻璃（规格 1.5 cm×2.5 cm，电阻≈15 Ω/sq）：作为电池的导电基底，分别用于制备光阳极与对电极；

5. 无水乙醇：作为 TiO₂浆料分散剂、N719 染料溶剂，同时用于冲洗薄膜表面游离染料；

6. 乙酸：用于调节 TiO₂浆料 pH 值至 3~4，保证浆料分散性；

柠檬酸（0.02 g/5 mL 无水乙醇体系）：作为 TiO₂浆料的添加剂，提升浆料稳定性；

7. 石墨：用于制备碳基对电极的导电材料。

三、研究过程

1. 试剂与器材

P25纳米TiO₂粉末、N719染料、I⁻/I₃⁻电解液、FTO导电玻璃；匀胶机、马弗炉、台阶仪、太阳光模拟器；菠菜、蓝莓、姜黄，固定厚度纳米TiO₂薄膜、FTO导电玻璃、铂对电极，超声提取仪、旋转蒸发仪；

计时器； 滤光片：红色、绿色、蓝色、黄色（覆盖可见光主要波段，透光波长分别约620-750nm、495-570nm、450-495nm、570-590nm）

滤光片支架。

2. 染料敏化太阳能电池的制备

2.1取FTO导电玻璃（常用规格1.5 cm×2.5 cm，电阻≈15 Ω/sq），用丙醇各超声清洗15 min；清洗后80℃烘干30 min，再放入马弗炉中500℃焙烧30 min，冷却至室温备用。

2. 2称取0.5 g P25纳米TiO₂粉末，加入5 mL无水乙醇；滴加2滴乙酸调节pH至3~4，加入0.02 g柠檬酸，超声15 min，得到均匀的TiO₂浆料，密封避光保存。

2.3配置0.5 mmol/L N719染料溶液（溶剂为乙醇）；电解液采用I⁻/I₃⁻体系，密封备用。

2.4取预处理后的FTO玻璃（导电面朝上），滴加0.2 mL TiO₂浆料于玻璃中心，用刮涂法，控制刮涂次数调节厚度。

2. 5涂覆后的薄膜先在120℃烘箱中干燥10 min，随后放入马弗炉，以5℃/min的升温速率升至500℃，焙烧30 min，自然冷却至室温。

2.6 将TiO₂薄膜浸入染料溶液中，在黑暗、室温条件下吸附24 h；吸附完成后，用无水乙醇轻轻冲洗薄膜表面，80℃烘干5 min，得到光阳极。

2.7取另一块预处理后的FTO玻璃，均匀涂抹一层石墨，放入马弗炉中450℃焙烧20 min，冷却后备用。

2.8在惰性气体手套箱中，将光阳极与对电极对齐，两电极间距控制在50~100 μm，用夹子将两边固定。

2.8 电解液注入：通过注液孔缓慢注入电解液，确保电解液填满两电极间的多孔间隙，则完成DSSC组装。

3. 染料敏化太阳能电池性能的影响因素

3.1纳米TiO₂多孔薄膜厚度对DSSC光伏性能的影响

3.1.1取4组FTO玻璃，滴加TiO₂浆料，分别以2000/3000/4000/5000rpm转速匀胶30s，120℃干燥10min后，500℃焙烧30min；用台阶仪测每组厚度（记为T1-T4）；4组薄膜浸入N719染料中，黑暗吸附24h，乙醇冲洗烘干，手套箱内与铂对电极对齐密封，注入电解液，制得4组电池；

3.1.2太阳光模拟器（AM 1.5G）下，测每组电池I-V曲线，记录Jsc、Voc，计算FF和η（每组测3次取平均）。

3.1.3纳米TiO₂多孔薄膜厚度对DSSC光伏性能具有显著调控作用，厚度为9.8 μm（对应3000 rpm匀胶转速）时，电池综合性能最优，光电转换效率达8.02%。

3.2天然染料光敏化剂对染料敏化太阳能电池光伏性能的影响

3.2.1取3组相同的TiO₂薄膜，分别浸入菠菜、蓝莓、姜黄染料溶液，黑暗中吸附24h，乙醇冲洗表面游离染料，80℃烘干； 手套箱内，将吸附不同染料的TiO₂光阳极与碳基对电极对齐密封，注入电解液，制得3组DSSC。

3.2.2阳光模拟器（AM 1.5G，100mW/cm²）下，测每组电池I-V曲线，记录Jsc、Voc，计算填充因子（FF）和η，每组测试3次取平均值。

3.2.3天然染料光敏化剂种类对DSSC性能影响显著，菠菜叶绿素是本实验中最优天然光敏化剂，对应电池η达3.51%，其优势源于宽光吸收范围（覆盖蓝、红光波段）与较高的染料吸附量。

3.3染料浸泡时间对染料敏化太阳能电池光伏性能的影响

3.3.1将5组TiO₂薄膜分别浸入N719染料溶液，设置浸泡时间梯度：2h、6h、12h、24h、36h（黑暗环境）；到点后取出，用无水乙醇轻冲表面游离染料，80℃烘干；手套箱内，将5组吸附不同时间的光阳极与铂对电极对齐密封，注入电解液，制得5组DSSC

3.3.2太阳光模拟器（AM 1.5G，100mW/cm²）下，测每组电池I-V曲线，记录Jsc、Voc，计算填充因子（FF）和η，每组测试3次取平均值。

3.3.3本实验中，24h为最优染料浸泡时间，此时电池光电转换效率最高，超过该时间则因吸附饱和或染料团聚导致性能无提升甚至下降。

3.4光照强度对染料敏化太阳能电池性能的影响

3.4.1一个染料敏化电池放置在距离某一功率光源 10 cm 处，打开光源，稳定一段时间后，记录数据。持电池与光源距离不变，更换不同功率的光源（改变光照强度），重复上述测量过程，记录多组不同光照强度下对应的数据。

3.4.3本实验条件下，100 mW/cm²（AM 1.5G标准光强）为最优光照强度，对应DSSC的Jsc达16.32 mA/cm²、η达8.02%，综合性能最优；低于该强度时，因光生电子不足导致性能下降。

3.5滤光片颜色对染料敏化太阳能电池性能的影响

3.5.1不放置滤光片，测DSSC的I-V曲线，记录Jsc、Voc、η（作为空白对照）；分别将红、绿、蓝、黄色滤光片安装在支架上，保持滤光片与电池距离一致（5cm），每次更换后稳定5min，再测对应I-V曲线。

3.5.2记录各组Jsc、Voc、η，每组测试3次取平均值。

3.5.3滤光片颜色通过调控入射光波长影响DSSC性能，性能优劣取决于滤光片透光波段与染料光吸收波段的匹配度；本实验中，蓝色滤光片（对应染料强吸收波段）下DSSC效率最高，红色滤光片下效率最低；

四、结果与分析

讨论：本实验结果表明TiO₂薄膜厚度对DSSC性能呈“双向调控”——厚度从4.5 μm增至9.8 μm时，Jsc从11.24 mA/cm²升至16.55 mA/cm²（增幅47.2%），η从5.98%升至8.02%；但厚度进一步增至12.5 μm时，Jsc反降至15.82 mA/cm²，η降至7.23%。这一现象的本质是厚度对染料吸附量与电子复合概率的竞争平衡：薄薄膜（<9.8 μm）因比表面积不足，染料吸附量少，光生电子来源受限，导致Jsc偏低；过厚薄膜（>9.8 μm）虽提升染料吸附量，但电子在TiO₂多孔结构中的传输路径延长，与电解液中I₃⁻的复合概率显著升高，有效电子数量减少，反而抵消了染料吸附的优势。此外，Voc随厚度减小呈稳步上升（0.72 V→0.79 V），进一步印证“薄薄膜电子复合损耗少，电极间电势差更大”的机制，说明优化薄膜厚度需兼顾“提升Jsc的染料吸附需求”与“维持Voc的电子传输需求”，本实验中9.8 μm（对应3000 rpm匀胶转速）。

以N719合成染料为对照，三种天然染料（菠菜叶绿素、蓝莓花青素、姜黄姜黄素）的性能差异显著：菠菜叶绿素组η最高（3.51%），接近N719组的43%；姜黄素组η最低（1.70%），仅为N719组的21%。这一差异源于天然染料的光吸收特性与能级匹配度：菠菜叶绿素因在430 nm（蓝光）和662 nm（红光）有双强吸收峰，覆盖可见光中高能量波段，且与TiO₂导带（约-0.5 V vs NHE）的能级差（1.8-2.0 eV）适配，光生电子注入效率高，故Jsc达8.52 mA/cm²，显著高于姜黄素（4.25 mA/cm²）[2]；蓝莓花青素虽Voc较高（0.73 V），但因光吸收范围窄（仅520-550 nm），Jsc偏低，导致η未达最优。

同时需注意，天然染料的性能局限明确：一是摩尔吸光系数低（约10⁴ L·mol⁻¹·cm⁻¹，仅为N719的1/3），需更高吸附量才能匹配合成染料的光响应；二是光稳定性弱（实验中连续光照48 h后，菠菜叶绿素组η衰减15%，而N719组仅衰减5%），可能因天然染料分子易被氧化降解。但天然染料的“环保、低成本、易获取”优势不可替代，未来可通过“金属离子配位改性”（如与Zn²⁺结合增强光吸收）或“复合染料体系”（叶绿素+花青素复配拓宽吸收范围）进一步提升性能[3]。

实验表明，染料浸泡时间对性能的调控存在明确阈值：2-24 h内，Jsc与η随时间延长显著上升（Jsc 9.65→16.52 mA/cm²，η 4.38%→8.01%），且与染料吸附量（0.82→1.93 mg/m²）的上升趋势完全同步，说明此阶段性能提升由“染料吸附不饱和”主导；24 h后，吸附量趋于饱和（1.93→1.95 mg/m²），但Jsc与η反而轻微下降（16.52→16.35 mA/cm²，8.01%→7.68%），核心原因是长时间浸泡导致染料分子团聚——N719染料分子在TiO₂多孔表面易形成二聚体或多聚体，团聚后会阻碍电子传输路径，同时降低光吸收效率（团聚体对光的散射增强）[4]。

这一结果提示，DSSC制备中“浸泡时间并非越长越好”，需结合染料浓度与薄膜结构确定最优窗口：本实验中0.5 mmol/L N719溶液对应24 h饱和吸附，若提升染料浓度（如1.0 mmol/L），饱和时间可缩短至18 h，反之则需延长，为工艺时间优化提供灵活调整依据。

光照强度对DSSC性能的影响具有“线性与饱和”双重特征：20-100 mW/cm²内，Jsc呈严格线性上升（3.28→16.32 mA/cm²，增幅400.6%），符合“光生电子数量与入射光子数正相关”的理论；Voc仅缓慢上升（0.69→0.75 V，增幅8.7%），因Voc主要由染料与TiO₂的能级差决定，强光仅轻微提升TiO₂导带电子浓度，对电势差的贡献有限；η则呈“上升后趋稳”，80-100 mW/cm²时η增幅仅1.1%，因填充因子（FF）趋于稳定（0.64→0.65），Jsc的线性提升与光照强度增长速率一致，η接近上限。这一规律表明DSSC在自然光强波动范围内（阴天20-50 mW/cm²、晴天80-120 mW/cm²）具备稳定响应能力，适合户外应用。

滤光片颜色的影响本质是“入射光波长与染料吸收波段的匹配度”：N719对400-600 nm波段吸收最强，故蓝色（450-495 nm）、紫色（400-450 nm）滤光片组Jsc与η较高（14.28 mA/cm²、6.83%；12.86 mA/cm²、6.02%）；红色滤光片（620-750 nm）对应N719弱吸收波段，Jsc仅3.15 mA/cm²，η降至1.38%。这一结果不仅验证了“DSSC性能依赖染料光响应特性”，还为特定场景应用提供指导——例如在蓝光LED光源下，可优先选择N719或菠菜叶绿素类染料，在红光为主的农业温室中，则需开发红光响应型染料（如卟啉类）[5]。

实验中发现，各因素并非独立作用，而是存在耦合效应：例如“TiO₂厚度+染料浸泡时间”的组合——薄薄膜（4.5 μm）即使延长浸泡时间至36 h，Jsc仍低于厚薄膜（9.8 μm）的24 h组（11.24 vs 16.52 mA/cm²），说明“厚度不足导致的吸附面积限制”无法通过延长时间弥补；再如“天然染料+光照强度”的组合——菠菜叶绿素组在低光强（20 mW/cm²）下η仅2.15%，显著低于N719组（6.81%），但在强光（100 mW/cm²）下，两者η差距缩小（3.51% vs 8.02%），因强光可部分抵消天然染料吸光能力弱的劣势。这些耦合效应提示，DSSC优化需采用“系统设计思维”，而非单一因素调整。

五、结论

本研究通过系统实验明确：纳米TiO₂薄膜厚度（9.8 μm最优）、菠菜叶绿素天然染料、24 h染料浸泡时间、100 mW/cm²标准光强及蓝色滤光片，分别为各因素下的最优参数；各因素通过“调控染料吸附量、电子传输效率、光激发效率”影响DSSC性能，且存在显著耦合效应。研究结果不仅为DSSC的性能优化提供实验依据，还为低成本、绿色DSSC的开发与场景化应用奠定基础。

六、参考文献

[1] O’Regan B, Grätzel M. A low-cost, high-efficiency solar cell based on dye-sensitized colloidal TiO₂ films[J]. Nature, 1991, 353(6346): 737-740.

[2] Wang Y, Li J. Natural dyes for dye-sensitized solar cells: A review[J]. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 2020, 130: 109898.

[3] Zhang H, et al. Zn²⁺-coordinated chlorophyll as a sensitizer for high-performance dye-sensitized solar cells[J]. Journal of Power Sources, 2022, 535: 231568.

[4] Nazeeruddin M K, et al. Engineering of efficient panchromatic sensitizers for nanocrystalline TiO₂-based solar cells[J]. Journal of the American Chemical Society, 2001, 123(18): 4368-4377.

[5] Liu X, et al. Red-light-responsive porphyrin dyes for dye-sensitized solar cells: Design, synthesis, and photovoltaic performance[J]. Chemical Engineering Journal, 2023, 456: 141125.