题目
A functional solar cell can be created using conducting glass slides, iodine, juice (eg.blackberry) and titanium dioxide. This type of cell is called a Grätzel cell. Make such a cell and investigate the necessary parameters to obtain maximum efficiency.
可以使用导电玻璃片、碘、果汁（例如黑莓）和二氧化钛来制造功能太阳能电池。这种电池被称为Grätzel电池。制造这样一个电池，并调查获得最大效率所需的参数。
原理
- The process starts at the working electrode when thesensitising dye (i.e. the raspberry juice bound to the
layer) absorbs sunlight. The energy from the lightallows the raspberry dye to excite an electron to a higher energy level. - From the excited state, the electron is injected into the
semiconductor. - The electron travels around the circuit to the counter electrode, powering an external load
- Sustained conversion of light energy is facilitated by regeneration of the reduced sensitising dye by the reversible redox couple (O/R)
(electrolyte).
- 该过程从工作电极开始，当增敏染料(即附着在二氧化钛层的覆盆子汁液)吸收阳光，来自光的能量使覆盆子染料激发一个电子到一个更高的能级。
- 从激发态开始，电子被注入到二氧化钛半导体中。
- 电子绕着电路传播到对电极，为外部负载供电
- 通过可逆氧化还原偶联
电解质对还原的增敏染料的再生，促进了光能的持续转化
初步调查和实验
可能的影响因素和探究方法
- 受光面积
- 染料种类(果汁种类，对不同波长的光吸收不同)
- 光源光谱(不同波长所占的比例)
- 光强
- 碘电解质浓度
- 纳米二氧化钛颗粒直径(可能影响染料附着与光的吸收)
染料种类
The raspberry dye molecules belong to a group called anthocyanin molecules which have the basic structure shown here. The R groups are typically hydrogens, alcohol groups or ester groups. These last two help the dye bind to a semiconductor. The aromatic rings in the structure are responsible for the strong colour of the dye.
树莓染料分子叫做花青素分子，其基本结构如图所示。其R基团通常是氢，羟基或酯基。后二者可以帮助染料结合到半导体上。该结构中的芳香环使染料具有强烈颜色。
显然，使用具有和芳香环吸收光谱重合度较高的光源可以使光电转化效率更高，使用和太阳光谱重合度更高的染料可使光电转化效率更高(此处修改原因参见“正式实验”部分)；并且R基团羟基和酯基越多，分子与半导体结合越紧密，光电转化效率越高。
可以调查各种不同果汁里花青素分子结合能力与吸收光谱的差别。
吸收光谱需要用到UV-vis光谱仪测量吸收光谱；结合能力较为复杂，需要较多有机化学知识，可以参考相关文献的数据。
受光面积
对比实验，控制涂覆二氧化钛的面积即可。
光强
传统方法是光强计+万用表读数。
笔者准备利用ESP32+光强传感器+ADC模块设计一个设备，同时实时检测光强和电压，传输到计算机。示意图如下：
光源光谱
对比实验，可以用单色仪测量光源频谱，也可以直接选用同光强、不同频率的单色光光源分别照射，探究电压变化。
碘电解质浓度
对比实验，分别用不同浓度碘液做电解质进行测试。
纳米二氧化钛颗粒直径
二氧化钛直径会影响光催化效率，也会影响和花青素分子的结合程度，需要重点考察。 对比实验，分别用不同直径二氧化钛进行测试。
实验结果
正式实验
测量什么？
太阳能电池的暗伏安特性测量(没必要测量)- 测量太阳能电池的开路电压和光强之间的关系
- 测量太阳能电池的短路电流和光强之间的关系
- 太阳能电池的输出特性测量 参考太阳能电池特性实验
用什么测？
1409实验室有太阳能电池特性测量仪器可以借来使用。
无关变量（始终不变的量）
- 光源 （先否定一个前面的想法） 既然实验是要做一个Solar Cell，那么就不必拿单色光分别测试了，就用模拟太阳光谱的碘钨灯做光源。 也就是说，要寻找更贴近太阳光谱的果汁，而不是让光源贴近果汁的光谱。
- 导电玻璃片的状况 找一批状况相同的新玻璃片。
- 石墨电极的状况 尽量每次涂石墨胶涂的一样多。
- 二氧化钛层的状况 尽量每次涂同样多二氧化钛，烤同样长时间。
- 温度 电池表面的温度并不容易准确改变，所以就控制实验环境基本恒温就好了。 （实际上温度的确会有较大影响，如果想要把这个列为变量，我们可以找一个恒温箱，在里面测试光电池。但是这种尺寸的恒温箱也不好找，故暂且放弃）
- 光电池的受光面积 理论上来说这个光电转化效率应该和面积没啥关系，而且我们的玻璃片大小也有限，只靠改变涂二氧化钛的面积来控制受光面积，能获取的数据太少了，研究价值不大。 （如果想测其实也可以，用黑纸挡光改变面积。） 所以我们就尽量控制不同的光电池面积一致。
变量
- 果汁种类
目前只有一种，可以让助教多准备点其他种类，蓝莓树莓桑葚黑莓蔓越莓葡萄都整点，都测一测光谱（毕竟我也不知道他们的吸收峰一样不一样）
甚至可以整几瓶葡萄酒，等待时间小酌一杯？这里我们需要注意，果汁种类不同，其中的花青素分子有差异，即使吸收谱差不多，带的R基官能团却是不一样的，而这会影响它和二氧化钛颗粒的结合效果，也就是电子转移效果。 - 染色时间 要做这个耗时就长了，比如染24h的，12h的，6h的，3h的，1h的，30min的。
- 二氧化钛直径
但是目前实验室只有那一种，可以联系助教整点其他规格的(已到货) - 碘液浓度
自己稀释就好了，
但还需要让助教多准备点量筒烧杯啥的
具体怎么控制变量？
在改变一组变量时，控制其他变量以及无关变量不变，做出多组不同的电池来，然后拿着这些一组一组的电池去测量上述的待测量，把每个电池的特性都测出来。
要做的测试
测试1：二氧化钛直径对光电效率的影响
| 染色时间 | 碘液浓度 | 果汁种类 | 室温 |
|---|---|---|---|
| 1h | 10% | 蔓越莓 | 20 |
| 二氧化钛直径 | 暗伏安特性 | 开路电压 | 短路电流 | 输出特性 |
|---|---|---|---|---|
| 5-10nm(锐钛) | ||||
| 21nm(P25) | ||||
| 30nm(未知晶型) | ||||
| 40nm(锐钛) | ||||
| 60nm(锐钛) | ||||
| 100nm(锐钛) | ||||
| 非纳米尺度(未知晶型) |
测试2：果汁种类对光电效率的影响
在进行对比实验前，可以测一下各种果汁的吸收峰。
| 染色时间 | 碘液浓度 | 二氧化钛直径 | 室温 |
|---|---|---|---|
| 1h | 10% | 21nm | 20 |
| 果汁种类 | 暗伏安特性 | 开路电压 | 短路电流 | 输出特性 |
|---|---|---|---|---|
| 蓝莓 | ||||
| 蔓越莓 |
测试3：碘液浓度对光电效率的影响
| 染色时间 | 果汁种类 | 二氧化钛直径 |
|---|---|---|
| 1h | 蔓越莓 | 21nm |
| 碘液浓度 | 暗伏安特性 | 开路电压 | 短路电流 | 输出特性 |
|---|---|---|---|---|
| 10% | ||||
| 5% | ||||
| 2.5% | ||||
| 1% |
测试4：二氧化钛层厚度对光电效率的影响
| 碘液浓度 | 果汁种类 | 二氧化钛直径 |
|---|---|---|
| 10% | 蔓越莓 | 21nm |
| 二氧化钛层厚度 | 暗伏安特性 | 开路电压 | 短路电流 | 输出特性 |
|---|---|---|---|---|
| 10um | ||||
| 20um | ||||
| 50um | ||||
| 100um |
正式实验遇到的问题以及改进
- 为测量“效率”，即光电转化效率，测量入射光功率是必要的，但我们并没有找到合适的仪器测量光功率。
- 颗粒直径不同的二氧化钛粉末密度差别较大，具体表现为颗粒直径越小的二氧化钛粉末密度越小，因此控制“水-醋酸-洗洁精-二氧化钛分散系”的质量浓度会导致颗粒数浓度差别较大，在涂抹玻璃片时的表现为有的已经非常浓，有的还非常稀薄。
改进方案：可以控制体积分数，比如用药匙粗略定量。 - 二氧化钛浓度太大导致最后涂层过厚，降低了二氧化钛在玻璃上的附着度，明显降低了电池的效率。
改进方案：配二氧化钛悬浊液时尽量降低浓度到一个适宜的范围
启发：二氧化钛层厚度也是一个重要的变量，但是需要找到合适的加工或测量工具定量改变涂层厚度或测出涂层厚度。
已解决 (2024.3.8)已找到合适的方法控制厚度--刮刀法。
(2024.3.20)已验证，刮刀法涂出的膜质量非常好, 并且能定量改变涂膜厚度。
涂膜所用的二氧化钛浆配料表如下：
| 试剂 | 量 |
|---|---|
| P25 TiO2 | 12g |
| 清水 | 19.6mL |
| 乙酸 | 0.4mL |
| Triton X-100 | 0.1mL |
配制方法： 先向12g
TiO2中加入3.6mL水和0.4mL乙酸，搅拌5min(虽然显得有点离谱，但经过搅拌，TiO2的体积明显减小，并且有聚成团的现象。)
再加入16mL水和0.1mL
X-100，继续搅拌10min以上，最终得到没有凝结核的、均匀的TiO2浆。
- “太阳能电池特性实验”所测试的电池是更加成熟的硅光电池，能够产生的电压足够高，因此使用的电表分度很大，大概在100mV量级，无法测量我们所能做出的10mV量级的电池。
改进方案：自己搭建电路
| 所需仪器 | 数目 |
|---|---|
| KEITHLEY 2000多用电表 | 1 |
| 6位电阻箱 | 1 |
| 导线 | 若干 |
实际上直接测出通过负载的电流是很困难的，因为该电池电压极低(
此外，我利用KEITHLEY 2000的串口功能，写了一个Labview程序，大大简化了读取数据的过程。 (实际上并没有完全实现自动化读数)
- 碘钨灯的发热是很明显的，温度改变会大大改变电池电解质的电迁移速率以及二氧化钛的光催化效率，我们观察到的现象为：随着照射升温，电池的电压从0.05mV一路上升至0.2mV左右，不能保持稳定。因此实验台上近距离照射的碘钨灯不能作为光源使用。
解决方案：借来了带有水平导轨的横向碘钨灯，可以将电池放在距离光源较远的位置，这样可以大大减小热效应。 - 放置一段时间后，电池两极之间的碘液就已蒸发殆尽了，这必然会影响电池效率，我们观察到的现象为：4中的同一个电池，在碘钨灯照射一段时间后，电压急剧下降，检查发现此时碘液已经几乎烤干了。
解决方案：用胶将组装好的电池边缘封装起来，这样不仅能保持碘液不因蒸发导致浓度变化，也可以使电池使用时间更长。(目前还没有实践) - 鳄鱼夹与导电玻璃之间的电气连接并不可靠，接触部位电阻可能会比较大，并且夹子的移动会显著影响电压测量的准确性。
解决方案：可以寻找玻璃上蚀刻并引出金属电极的工艺，但这已经远远超出本题的范畴了。折中的解决方案使在夹持接触部位涂上导电石墨胶，以确保连接稳定性。 - 在和天欣同学交流后得知了一个笔者没有观察到的现象：电池的电压会出现周期性的波动，波动周期是
分钟量级的。在查阅文献后得知，某些溶液体系下存在离子浓度的震荡，又称化学震荡，如碘钟现象就属于此类。该电池电解液同样为 共存体系，所以电压的周期性波动确实有可能来源于化学震荡。但是，目前为止，并没有看到化学震荡与光催化化学电池同时研究的文献记载。
新方案：可以先制作用胶密封好的、可较长时间稳定工作的电池，利用笔者设计的设备，长时间检测电压变化，尝试分析出电压波动的规律。(2024.3.14)已弃用，参见下文
碘的化学震荡效应不是这题要求的现象，也不应该出现，因此应该调整碘液浓度到一合适的值，使这一现象不明显影响实验效果。 - 填充因子是衡量电池性能的重要参数
新方案：测量这个数值需要测出整条I-V曲线，我们仍然可以按照硅光电池实验的方法来搭建电路，描点画图，测出I-V曲线。
- 利用碘钨灯作为光源的合理性仍然未知 解决方案：我们有必要测出碘钨灯的光谱分布，或者换用更专业的的AM 1.5G模拟太阳光源(如果资金充足)。
- 电流过小的原因是内阻过大，而内阻过大的原因是我们使用的是碘的酒精溶液，其电导率很低。 解决方案：因此，非常有必要将其用水稀释后使用。
- 已验证石墨胶电阻过大，而除此之外负极石墨层如何与玻璃紧密附着仍然未知
新方案：
改用“一大杯0.05%碘液-石墨棒-染色二氧化钛-玻璃”形式的电池。(2024.3.20)已弃用，参见下文 - “一大杯0.05%碘液-石墨棒-染色二氧化钛-玻璃”形式的电池已验证不可靠，表现为组装好后，电压急剧降低，在5min内从0.2V左右降至0.02V以下，观察发现染色已几乎全部褪去。分析原因可能是溶液量过多导致大量染料分散至碘液中，导致光电转换效率降低。并且碘液会吸收部分波长的光，这是与“玻璃-染色二氧化钛层-碘液-石墨层-玻璃”形式的电池相比最大的缺陷。 未完待续