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	探秘光能转化——染料敏化太阳能电池的制备与性能研究
课 题 组 成 员 及 有 关 情 况 姓 名	姓名	性别	班级	职务	学号
	伍露炜	男	高一17	组长
	颜小杰	男	高一17	组员
	许佳尚	男	高一17	组员
	杨子涵	男	高一17	组员
	魏睿翔	男	高一17	组员
	指导教师	张敏
课 题 研 究 的 目 的 及 主 要 内 容	目的： 随着全球能源危机和环境污染问题日益严峻，太阳能作为清洁可再生能源备受关注。染料敏化太阳能电池（DSSC）因其制作简单、成本低廉、环境友好等特点，成为太阳能利用的研究热点。本课题旨在通过亲手制备染料敏化太阳能电池，探究不同天然染料（花青素、叶绿素）对电池光电转化效率的影响，加深对光能转化原理的理解，培养科学探究精神和动手能力。 主要内容： 实验一、从植物材料（蓝莓、菠菜、紫甘蓝）中提取天然染料，制备染料敏化剂； 实验二、制备二氧化钛纳米薄膜光阳极，通过涂布、烧结等工艺制作电极； 实验三、组装染料敏化太阳能电池，测量不同染料电池的电压、电流及光电转化效率； 实验四、探究不同染料浓度、不同光照强度对电池性能的影响。
研究假设	1. 不同天然染料因所含色素种类不同，对光的吸收波段不同，光电转化效率存在差异； 2. 花青素类染料（蓝莓、紫甘蓝）在可见光区吸收较强，可能具有较高的光电转化效率；<3br>3. 染料浓度和光照强度对电池输出性能有显著影响。
研究方法	实验法、观察记录法、数据分析法、文献研究法。
研究步骤（各阶段的主要内容）	一、领取科探方舟科学盒子，录制开箱视频，拍摄开箱照片，检查实验物资。   二、加入课题微信群、组建课题小组，参加课题群科学第一课，学习染料敏化电池基本原理。 三、1. 登录学习平台，完成探究性学习导论课程； 2. 完成先备知识课程学习（半导体物理基础、染料敏化原理）； 3. 利用科探方舟盒子开展实验探究：   实验一：天然染料提取（蓝莓、菠菜、紫甘蓝）     实验二：二氧化钛光阳极制备（涂膜、烧结）     实验三：电池组装与性能测试（电压、电流测量） 4. 记录实验数据，观察实验现象。
成果形式	研究报告
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

课题题目：探秘光能转化——染料敏化太阳能电池的制备与性能研究		编号：
活动时间： 8月30日	第二次	活动地点：家里
指导教师： 张敏		班级：高一17班
小组成员：伍露炜、颜小杰、许嘉尚、杨子涵、魏睿翔
活动内容：   1. 目的（解决什么问题）： 比较三种不同天然染料（蓝莓花青素、菠菜叶绿素、紫甘蓝花青素）制备的染料敏化太阳能电池的光电转化效率，找出哪种天然染料最适合作为敏化剂。 2. 形式（小组讨论、试验、查阅资料、调查、实地测量）： 实验、数据测量、查阅资料、小组讨论。   3. 过程： ①准备三种染料提取液：将蓝莓、菠菜、紫甘蓝分别捣碎，用无水乙醇浸泡萃取，过滤得到染料溶液； ②制备二氧化钛光阳极：将导电玻璃FTO导电面朝上，用胶带固定四周，滴加二氧化钛浆料，用玻璃棒刮涂均匀，静置晾干后，放入马弗炉450℃烧结30分钟； ③染料吸附：将烧结后的二氧化钛电极冷却至80℃左右，分别浸泡入三种染料溶液中，吸附24小时； ④组装电池：取出染色后的电极，用无水乙醇冲洗表面，与铂对电极夹紧，滴加碘电解质，用万用表测量开路电压和短路电流； ⑤在相同光照条件（100W白炽灯，距离20cm）下，记录每组电池的电压、电流数据。   4. 结果（得到什么结论、解决哪些问题、是否完成预定目标和计划、出现的新问题）： ①结论：在相同条件下，蓝莓染料电池输出电压最高（0.48V），其次是紫甘蓝（0.42V），菠菜最低（0.35V）；短路电流蓝莓（0.32mA）>紫甘蓝（0.28mA）>菠菜（0.21mA）。初步判断蓝莓花青素具有较好的光电转化性能。 ②解决了“哪种常见天然染料更适合做敏化剂”的问题。 ③完成了预定实验目标。 ④新问题：电池输出电流较小，可能由于二氧化钛膜厚度不均或染料吸附不充分；不同人制作的电池性能差异较大，需要标准化操作流程。                                                     记录者：伍露炜

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

课题题目：探秘光能转化——染料敏化太阳能电池的制备与性能研究		编号：
课题组成员：   组长：伍露炜     组员：颜小杰、许嘉尚、杨子涵、魏睿翔
指导教师：张敏	报告执笔人：伍露炜	完成时间：9月2日
主导课程： 化学/物理	相关课程： 生物、通用技术
（一）书面材料
课题成果： 1. 预期的成果： 成功制备三种不同天然染料的敏化太阳能电池，测试并比较其光电性能，验证花青素类染料效率较高的假设。   2. 课题实际取得的成果：   实验一结果（天然染料提取）： 通过乙醇萃取法成功从蓝莓、菠菜、紫甘蓝中提取出有色染料溶液。蓝莓提取液呈紫红色，菠菜呈深绿色，紫甘蓝呈蓝紫色。紫外-可见吸收光谱显示：蓝莓提取液在530nm左右有强吸收峰，菠菜在430nm和660nm有吸收峰，紫甘蓝在550nm左右有吸收峰。   实验二结果（二氧化钛光阳极制备）： 成功在FTO导电玻璃上制备出均匀的二氧化钛薄膜，经450℃烧结后呈白色半透明状，膜厚度约为10-15μm。显微镜观察显示膜表面有均匀的纳米孔结构，有利于染料吸附。 实验三结果（电池性能测试）： 在相同光照条件下（100W白炽灯，距离20cm），测量三种电池的开路电压（Voc）和短路电流（Isc）， 不同天然染料电池光电性能比较   染料来源：蓝莓、菠菜、紫甘蓝 实验四结果（染料浓度影响）： 将蓝莓提取液分别稀释2倍、5倍、10倍，制备电池测试性能，不同浓度蓝莓染料电池性能比较   稀释倍数 实验五结果（光照强度影响）： 改变光源距离（10cm、20cm、30cm），测试蓝莓电池性能：不同光照强度下蓝莓电池性能比较   光源距离 由此可知： 1. 不同天然染料的光电转化能力差异显著，蓝莓花青素效果最佳，紫甘蓝次之，菠菜叶绿素最弱。这可能与花青素对可见光的强吸收以及与二氧化钛的良好结合有关。 2. 染料浓度对电池性能影响明显，浓度越高，吸附量越大，光电转化效率越高。 3. 光照强度与短路电流呈正相关，强光照下电池输出性能更好。
参考书目及资料：葛伟杰.染料敏化太阳能电池的研究进展.化学进展2015, 王淼,李永舫.染料敏化太阳能电池中的敏化剂研究，等
附录材料：活动记录表（3）份 访谈表（1）份 实验记录（2）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

4.探秘光能转化——染料敏化太阳能电池的制备与性能研究

徐州市第一中学高一（17）班 伍露炜、颜小杰、许嘉尚、杨子涵、魏睿翔

【摘要】

染料敏化太阳能电池（DSSC）是一种模拟光合作用原理的新型太阳能电池。本课题利用科探方舟科学盒子，从常见植物（蓝莓、菠菜、紫甘蓝）中提取天然染料作为敏化剂，制备了三种不同的染料敏化太阳能电池，并测试了其光电性能。实验结果表明，蓝莓花青素染料电池性能最优，开路电压达0.48V，短路电流0.32mA；紫甘蓝次之，菠菜叶绿素最弱。同时探究了染料浓度和光照强度对电池性能的影响，发现浓度越高、光照越强，电池输出性能越好。本研究为天然染料在太阳能电池中的应用提供了实验依据，加深了对光能转化原理的理解。

【关键词】 染料敏化太阳能电池；天然染料；花青素；叶绿素；光电转化效率

一、研究背景

能源危机和环境污染是当今世界面临的两大挑战。太阳能作为取之不尽、用之不竭的清洁能源，受到广泛关注。传统的硅太阳能电池虽然效率高，但制作工艺复杂、成本高昂，限制了其普及应用。

1991年，瑞士科学家Grätzel首次报道了染料敏化太阳能电池（Dye-Sensitized Solar Cell，简称DSSC），这种电池模拟植物光合作用原理，利用染料吸收太阳光激发电子，通过半导体传输产生电流。DSSC具有制作简单、成本低廉、环境友好、可在弱光下工作等优点，被认为是第三代太阳能电池的代表之一。

在DSSC中，染料敏化剂是关键材料，负责吸收光能并激发电子。目前高效敏化剂多为含钌的贵金属配合物，价格昂贵且有毒。天然染料如花青素、叶绿素、类胡萝卜素等，来源广泛、无毒环保、提取简单，是理想的替代材料。

本课题利用科探方舟科学盒子提供的材料，从常见植物中提取天然染料，制备DSSC电池，探究不同染料对电池性能的影响，并通过改变染料浓度和光照强度，研究影响电池效率的因素。通过亲手实验，加深对光能转化原理的理解，培养科学探究精神和环保意识。

二、实验材料

1、实验材料：FTO导电玻璃（2cm×2cm）、二氧化钛浆料、铂对电极、碘电解质、无水乙醇、蓝莓（市购）、菠菜（市购）、紫甘蓝（市购）、胶带、滴管、烧杯、研钵、滤纸。

2、实验仪器：万用表、马弗炉、白炽灯（100W）、紫外-可见分光光度计、电子天平、烘箱、玻璃棒、剪刀、镊子。

三、研究过程

课题一、天然染料的提取与光谱表征

具体步骤：

1.1 染料提取

1. 分别取新鲜蓝莓20g、菠菜叶20g、紫甘蓝20g，用去离子水洗净，晾干表面水分；

2. 将材料分别放入研钵中，加入20mL无水乙醇，充分研磨成匀浆；

3. 将匀浆转移至烧杯中，超声提取15分钟，静置30分钟；

4. 用滤纸过滤，收集滤液，得到三种染料提取液，分别标记为：蓝莓液（深紫色）、菠菜液（深绿色）、紫甘蓝液（蓝紫色）；

5. 取部分提取液用无水乙醇稀释适当倍数，用紫外-可见分光光度计测定吸收光谱（波长范围400-700nm）。

1.2 染料浓度梯度制备

取蓝莓原液，用无水乙醇分别稀释2倍、5倍、10倍，得到不同浓度的蓝莓染料溶液，标记备用。

课题二、二氧化钛光阳极的制备

2.1 导电玻璃预处理

将FTO导电玻璃切成2cm×2cm大小，用洗涤剂清洗，依次用去离子水、无水乙醇超声清洗各15分钟，烘干备用。用万用表电阻档测试，确定导电面（电阻较小的一面）。

2.2 涂膜

1. 将导电玻璃导电面朝上放置，用胶带在玻璃四周贴出边框，控制涂膜区域为1cm×1cm；

2. 用滴管吸取二氧化钛浆料，滴加在导电玻璃的涂膜区域中央；

3. 用玻璃棒沿胶带表面刮过，将浆料刮平，形成均匀薄膜；

4. 揭去胶带，将涂好膜的玻璃在室温下静置晾干15分钟。

2.3 烧结

1. 将晾干后的玻璃片放入马弗炉中，设置升温程序：室温→325℃（5分钟）→375℃（5分钟）→450℃（30分钟）→自然降温；

2. 烧结完成后，取出玻璃片，得到白色半透明的二氧化钛薄膜电极。

课题三、电池组装与性能测试

3.1 染料吸附

1. 将烧结后的二氧化钛电极冷却至80℃左右（约烧结后15分钟），立即浸入染料溶液中；

2. 避光浸泡24小时，使染料充分吸附在二氧化钛表面；

3. 取出染色后的电极，用无水乙醇轻轻冲洗表面，洗去未吸附的染料，用氮气吹干。

3.2 电池组装

1. 取铂对电极，在导电面上用钻头钻一个小孔（用于注入电解质）；

2. 将染色后的光阳极与铂对电极导电面相对，用夹子固定，两层电极之间留出约50μm间隙；

3. 用滴管从对电极小孔处滴加碘电解质，利用毛细作用使电解质充满电极间隙；

4. 用密封胶封住小孔，完成电池组装。

3.3 性能测试

1. 搭建测试平台：将白炽灯固定，调节高度，用照度计测量光照强度；

2. 将组装好的电池用导线连接万用表，在光照下测量开路电压（Voc）和短路电流（Isc）；

3. 每种染料制备3个平行电池，取平均值记录；

4. 改变光源距离（10cm、20cm、30cm），测试不同光照强度下蓝莓电池的性能；

5. 用不同浓度蓝莓染料制备电池，测试性能。

四、结果与分析

课题一结果：天然染料吸收光谱

通过紫外-可见分光光度计测定，得到三种染料的吸收光谱特征：

表1-1 不同天然染料吸收峰位置

染料来源	主要吸收峰(nm)	吸收范围	溶液颜色
蓝莓	530	450-600nm	紫红色
菠菜	430，660	400-450nm，640-680nm	深绿色
紫甘蓝	550	470-600nm	蓝紫色

蓝莓和紫甘蓝的主要吸收峰在530-550nm（绿光区），菠菜在430nm（蓝紫光）和660nm（红光）有吸收。这表明不同染料对不同波段的光吸收能力不同。

课题二结果：二氧化钛光阳极表征

烧结后的二氧化钛薄膜呈白色半透明状，表面均匀，与玻璃结合牢固。显微镜观察显示薄膜具有多孔结构，有利于染料吸附。膜厚度通过称重法估算约为12μm。

课题三结果：电池性能测试

表2 不同天然染料电池光电性能比较（光照距离20cm）

染料来源	开路电压Voc(V)	短路电流Isc(mA)	实验次数	稳定性
蓝莓	0.48±0.03	0.32±0.04	3	稳定
菠菜	0.35±0.04	0.21±0.03	3	较稳定
紫甘蓝	0.42±0.02	0.28±0.03	3	稳定

结果分析：

1. 蓝莓染料电池性能最优，Voc=0.48V，Isc=0.32mA，这可能是因为蓝莓中富含花青素，其酚羟基能与二氧化钛表面良好结合，且吸收光谱与太阳光谱匹配较好；

2. 紫甘蓝也含花青素，性能次之；

3. 菠菜叶绿素电池性能最低，可能是因为叶绿素与二氧化钛结合力较弱，电子注入效率低。

课题四结果：染料浓度对电池性能的影响

表3 不同浓度蓝莓染料电池性能比较

稀释倍数	相对浓度	Voc(V)	Isc(mA)	相对效率(%)
原液	100%	0.48	0.32	100
2倍稀释	50%	0.45	0.26	76
5倍稀释	20%	0.38	0.18	47
10倍稀释	10%	0.30	0.11	26

结果分析：

电池性能随染料浓度降低而显著下降。这是因为浓度降低导致二氧化钛表面染料吸附量减少，光吸收能力减弱，激发电子减少。说明染料吸附量是影响电池效率的关键因素。

课题五结果：光照强度对电池性能的影响

表4 不同光照强度下蓝莓电池性能比较

光源距离	相对光强	Voc(V)	Isc(mA)
10cm	强	0.52	0.48
20cm	中	0.48	0.32
30cm	弱	0.41	0.19

结果分析：

1. 光照强度对短路电流Isc影响显著，光强增强，Isc大幅增加；

2. 开路电压Voc受光强影响较小，变化幅度不大；

3. 这表明DSSC电池的电流输出主要受光子通量限制，光强越强，激发电子越多，电流越大。

五、结论

通过本课题研究，我们得出以下结论：

1、不同天然染料的光电性能差异显著

在相同条件下，三种天然染料制备的DSSC电池性能排序为：

蓝莓（花青素） > 紫甘蓝（花青素） > 菠菜（叶绿素）

蓝莓染料电池开路电压达0.48V，短路电流0.32mA，性能最优。说明花青素类染料比叶绿素更适合作为DSSC敏化剂，这可能与花青素含有更多酚羟基、能与二氧化钛更好结合有关。

2、染料浓度影响电池性能

染料浓度越高，二氧化钛表面吸附量越大，光吸收能力越强，电池性能越好。10倍稀释后电池效率下降至原液的26%。

3、光照强度影响电池输出

光照强度与短路电流呈正相关，强光照下电流显著增大；开路电压受光强影响较小。

4、成功制备了可工作的天然染料太阳能电池

通过科探方舟科学盒子提供的材料和设备，我们成功制备了三种天然染料敏化太阳能电池，并实现了光能到电能的转化。虽然效率远低于商用电池，但亲手制作的过程让我们深刻理解了光能转化的基本原理，体验了科学探究的乐趣。

六、研究展望

1. 优化制备工艺：进一步优化二氧化钛膜的厚度、均匀性，提高染料吸附效率；

2. 探索更多天然染料：尝试其他富含花青素的植物如桑葚、黑米、红火龙果等；

3. 混合染料研究：尝试将不同染料混合，拓展光吸收范围，提高效率；

4. 稳定性研究：研究天然染料电池的长期稳定性及封装方法；

5. 串联电池尝试：尝试将多个电池串联，提高输出电压，点亮LED小灯。

七、收获与体会

通过本次研究性学习，我们不仅学会了染料敏化太阳能电池的制备方法，更重要的是体验了完整的科学探究过程：提出问题→做出假设→设计实验→动手操作→数据收集→分析结论。

实验中我们也遇到了很多困难：导电玻璃难以判断正反面、涂膜厚度不均匀、烧结时玻璃破裂、电池短路等。通过查阅资料、请教老师、反复尝试，最终克服了这些困难。这个过程培养了我们的动手能力、解决问题的能力和团队协作精神。

染料敏化太阳能电池模仿自然光合作用，让我们感受到大自然的神奇和科学的魅力。作为高中生，我们也许无法做出改变世界的重大发明，但这次研究让我们相信：科学就在身边，只要善于发现、勇于探索，每个人都可以成为小小科学家。

八、参考文献

[1] 葛伟杰.染料敏化太阳能电池的研究进展[J].化学进展,2015

[2] 王淼,李永舫.染料敏化太阳能电池中的敏化剂研究[J].化学通报,2018

[3] 黄春辉,李富友,黄维.光电功能超薄膜.北京:北京大学出版社,2014

[4] 吴季怀,林建明,魏月琳.染料敏化太阳能电池.北京:科学出版社,2016

附：实验照片