染料敏化太阳能电池是一种将光能转化为电能的装置, 主要包括以下几部分:光阳极 (Ti O2, Zn O, Sn O2等) , 染料, 电解液, 对电极等[1]。染料敏化太阳能电池光电转化效率降低的主要原因是电子和空穴的复合, 表现在电化学参数中为界面电阻的增大。Hauch[2]等人使用交流阻抗研究电池的电阻, 通过简单的等效电路模型分析电阻RCT。另外一些研究小组采用交流阻抗对电池中的载流子的传输机理进行研究, 但他们的结果并不十分一致。各个研究小组采用各种电化学和光学测试对光电极的反应机理进行研究, 指出电子从染料注入到阳极材料的导带的过程是一个“超快”过程[3], 交流阻抗还是分析发生在对电极和阳极之间物理-化学过程的强大工具。本文对交流阻抗的原理, 等效电路模型及其在染料敏化太阳能电池中的应用做了一个简单的介绍。
1 交流阻抗简介
交流阻抗方法是一种以小振幅的正弦波电位 (或电流) 为扰动信号的电化学测量方法。由于以小振幅的电信号对体系扰动, 一方面可避免对体系产生大的影响, 另一方面也使得扰动与体系的响应之间近似呈线性关系, 这就使测量结果的数学处理变得简单。交流阻抗法就是以不同频率的小幅值正弦波扰动信号作用于电极系统, 由电极系统的响应与扰动信号之间的关系得到的电极阻抗, 推测电极的等效电路, 进而可以分析电极系统所包含的动力学过程及其机理, 由等效电路中有关元件的参数值估算电极系统的动力学参数, 如电极双电层电容, 电荷转移过程的反应电阻, 扩散传质过程参数等。
一个电极体系在小幅度的扰动信号作用下, 各种动力学过程的响应与扰动信号之间呈线形关系, 可以把每个动力学过程用电学上的一个线性元件或几个线性元件的组合来表示。如电荷转移过程可以用一个电阻来表示, 双电层充放电过程用一个电容的充放电过程来表示。这样就把电化学动力学过程用一个等效电路来描述, 通过对电极系统的扰动响应求得等效电路各元件的数值, 从而推断电极体系的反应机理。
同时, 电化学阻抗谱方法又是一种频率域的测量方法, 它以测量得到的频率范围很宽的阻抗谱来研究电极系统, 因而能比其他常规的电化学方法得到更多的动力学信息及电极界面结构的信息。
2 交流阻抗在染料敏化太阳能电池中的应用
染料敏化太阳电池的交流阻抗谱图一般分为三部分, 分别位于高频, 中频和低频区, 分别对应于以下三个界面:Pt/电解液阳极/电解液和染料/阳极。一般的经验等效电路为:Rs[C1 (R1O1) ] (R2Q2) [3]。在这个等效电路中, R和S分别代表电阻和电容, O是的Yo, 1和B参数, Q代表常相位元件。等效电路如图1[4]所示。
上述等效电路为一般经验模型, 还可以根据不同的情况增减相应的元件, 满足不同类型的电池的需要。
Chuan等人利用电化学阻抗研究发现阳极材料表面态是复合电子的主要因素降低了电池的光电转化效率。在光照和暗态下, 选用合适的等效电路模型可以对不同的电解液的性质进行研究。电化学阻抗还可以用来研究染料的给电子集团对电池性能的影响。对染料敏化太阳能电池的阻抗研究可以采取以下研究。
(1) 测量在不同条件下制备的染料敏化太阳能电池的阻抗谱图。
(2) 建立染料敏化太阳能电池的等效电路和阻抗的数学物理模型。
(3) 结合等效电路和数学物理模型, 采用模拟退火算法对阻抗谱图进行拟合, 确定电子转移过程的重要参数。
(4) 对谱图进行分析, 研究阻抗谱图变化与染料敏化太阳能电池结构的变化关系, 分析电池内部电阻的分布。
(5) 通过对阻抗谱图和重要参数的分析, 指出优化电池的重要参数, 为燃料电池提供理论指导。
因此, 通过电化学阻抗对染料敏化太阳能电池的性能进行研究, 可以调查各部分组成对光电效率的影响, 从而对研究电池性能的提高具有重大意义, 电化学阻抗是一个非常有效的研究手段。
摘要：近些年染料敏化太阳能电池的发展引起了广泛的关注。电化学阻抗在染料敏化太阳能电池中广泛应用, 用来调查电池界面的电阻及载流子在界面的传输性质和机理。通过相应的经验模拟模型能获得电池的组件数据, 理论和实验相结合调查电池性能。
关键词：电化学,染料敏,应用
参考文献
[1] H.Tsubomura, M.Matsumura, Y.Nomura, T.Amamiya, Nature, 261 (1976) :402.
[2] Chuan he, Zhi Zheng, Huili Tang etal.Physical ChemistryC, 2009, 113:10322～10325.
[3] Claudia longo, Jilian freitas, marco-aet al.Journal of photochemistry andphotobiology A:Chemistry, 2003, 159:33～39.
[4] Kai pan, Youzhen Dong, Chungui tianet al.Electrochimica Acta, 2009, 54:7350～7356.