全 文 ：第 33 卷第 4 期 东 北 电 力 大 学 学 报 Vol． 33，No． 4
2013 年 8 月 Journal Of Northeast Dianli University Aug．，2013
收稿日期:2013 － 01 － 14
基金项目:东北电力大学博士基金项目(BSJXM －201006) ;吉林市科技局基金(201112210)
作者简介:孙旭辉(1966 － ) ，女，辽宁省大连市人，东北电力大学化学工程学院副教授，博士，主要研究方向:可见光响应光催化剂．
文章编号:1005 － 2992(2013)04 － 0056 － 04
美人蕉花青素 /N719 染料共敏化太阳能电池性能
孙旭辉1 ，庹万权1 ，包塔娜2 ，史洪波1 ，王 磊1
(1．东北电力大学 化学工程学院，吉林 吉林 132012;2．山东电力建设第三工程公司，山东 青岛 266100)
摘 要:为了拓宽染料电池对太阳光谱的响应范围，提高光电转化效率，从天然植物美人蕉中提取
了天然花青素染料，作为染料电池的共敏化剂。测试了花青素乙醇溶液的紫外 －可见光谱，利用循环伏
安法研究了它的氧化还原行为，并测试了其与 N719 共同敏化后的染料敏化太阳能电池的光学性能。结
果表明:美人蕉花青素符合光敏染料的电子注入驱动力的要求;与 N719 的最优共敏化条件是花青素敏
化 60 min，N719 敏化 24 h。共敏化后电池光电压为 0． 8 V，短路电流密度为 5． 97 mA /cm2，填充因子 F为
0． 55。光电转换效率为 2． 65%，比 N719 单独敏化提高了 61%。说明美人蕉的花青素染料作为共敏化
剂使用，能够拓展对太阳光谱的吸收范围，并且有助于提高染料电池性能。
关 键 词:染料敏化太阳能电池;美人蕉花青素;N719;共敏化
中图分类号:O 69 文献标识码:A
1991 年，瑞士洛桑高等工业学院的 Gratzel 教授及其小组报道了染料敏化纳米晶太阳能电池
(Dye-Sensitized Solar Cells，DSSC)的光电转化效率为 7． 1%［1］，从此，由于其低廉的价格、简单的制作工
艺、以及比较高的转换效率，成为当前广大科学研究工作者研究的热点和重点。染料敏化太阳能电池中
光敏染料起着关键的作用，它可以吸收可见光并提供电子。在过去的研究中，已合成的近千种光敏染料
中，仅有一小部分具有很好的敏化效果，主要是钌的联吡啶配合物［2 － 4］。一些研究表明单一染料的吸收
光谱不够理想，使用复合染料或多种染料进行敏化，能够拓宽电池对太阳光的吸收光谱，获得良好的敏
化效果，最终得以提高电池的光电转换效率以及其它性能［5 － 7］。Yasushi等人［8］的研究表明尽管高级植
物的能量吸收和电子转移在单一染料的作用下即可实现，但是这会产生严重的光生载流子猝灭，从而导
致入射光量子效率的降低，而一些复合染料的共同敏化，会使染料能够吸收更大波长范围的光，因而使
太阳能电池更容易获取比较多的能量。基于上述原理，我们拟从颜色鲜艳的植物美人蕉花瓣中提取天
然染料，并与无机染料共同敏化作为太阳能电池的光阳极，考察两种不同类型染料进行共敏化后对电池
性能的影响。
1 实验部分
1． 1 实验试剂与仪器
试剂:ZnO、松油醇、乙基纤维素、氯仿、丙酮、N719、电解液、无水乙醇、N，N －二甲基甲酰胺、四丁基
六氟硅酸铵，以上药品均为分析纯。
仪器:电化学工作站 CHI660C(上海辰华)、紫外可见分光光度计(UV －2450，日本岛津)、45 W氙灯
电源、导电玻璃(方块电阻)。
1． 2 天然染料的提取
提取方法参考梁婵等人的方法［9］，具体如下:将采集的美人蕉花瓣洗净、晾干，在研钵中将其磨碎，
加入适量乙醇和水静置 48 h，将溶液中的固体残余物过滤，将澄清溶液浓缩、干燥，得到的粉末再溶于乙
醇溶液中，即美人蕉染料的乙醇溶液，装入棕色容量瓶中备用。
1． 3 ZnO薄膜的制备、敏化及其电池的组装
按照松油醇乙基纤维素 ZnO =79． 3% 4． 5% 16． 2%的质量百分比制备 ZnO 浆料，在磁力搅拌器
上使其分散均匀，用粉末涂敷法制备 ZnO薄膜(5 mm × 5 mm)［10］。在暗室中将膜浸泡在提取好的美人
蕉的乙醇溶液中 24 h，取出，风干，即为美人蕉单独敏化;将制好的薄膜浸泡在 N719 溶液中 24 h，取出，
风干，即为 N719 单独敏化;将薄膜先在浸泡美人蕉溶液一定时间，取出，风干，再继续浸泡于 N719 溶液
24 h，取出，风干，即为美人蕉与 N719 进行共敏化。敏化好的薄膜电极用作光阳极，镀好 Pt的导电玻璃
作为对电极，两电极间滴入电解质溶液，组装成简易电池，进行电池性能的测试。
1． 4 测试方法
使用日本岛津公司的 UV － 2450 紫外 －可见分光光度计测试美人蕉乙醇溶液在可见光范围内的
UV-Vis吸收性能，扫描步长为 1 nm。使用荧光光谱仪测试美人蕉乙醇溶液的荧光性能，扫描步长为
1 nm。配制美人蕉的 N，N － 二甲基甲酰胺溶液，用三电极体系，以铂电极为工作电极和对电极，
Hg /Hg2Cl2电极为参比电极，四丁基六氟硅酸铵(0． 10 mol /L)为支持电解质，利用循环伏安法测量上述
溶液的循环伏安曲线。
在模拟太阳光(AM1． 5，100 mW/cm2)照射下，使用电化学工作站测试电池的光伏性能以及交流阻
抗，得到电池的开路电压 Voc、短路电流密度 Jsc、填充因子 F和光电转换效率 η。
2 结果与讨论
图 1 美人蕉所含的花青素结构
2． 1 美人蕉乙醇溶液的紫外 －可见光谱
从文献中可知美人蕉的基本化学组成是花青
素［11，12］，他们将花青素单独应用于染料敏化太阳能
电池，该花青素在乙醇和水的混合液中显示玫瑰红
色，其结构图如图 1 所示。花青素吸附到半导体氧
化锌表面是一个快速的反应，花青素分子上的羟基
与氧化锌上的羟基形成化学键合，牢固地吸附在半
导体表面。这种花青素在结构上满足做为光敏染料
的要求。
图 2 美人蕉花青素乙醇溶液的 UV-Vis光谱图
美人蕉花青素溶液的吸收光谱曲线如图 2，从图中可以看出:美人蕉在 400 － 450 nm 有很宽的吸收
峰。由于花青素的分子结构会受酸度影响，在碱性
条件下分子结构会发生改变［13］，所以它的吸收光谱
是在酸性条件下测定的。
2． 2 美人蕉的电化学性质
作为染料敏化太阳能电池的光敏染料，染料的
激发态氧化还原电位值必须小于 ZnO 的导带能级
值，而基态的氧化还原电位值必须大于 I － / I －3 的氧
化还原电位值。
染料的基态氧化电位(Eox，即 HOMO 能级)即
循环伏安曲线(如图 3 所示)中的第一氧化电位
值［14］，通过 Origin分峰得到这个值，为 0． 87 ev，大于
75第 4 期 孙旭辉等:美人蕉花青素 /N719 染料共敏化太阳能电池性能
I － / I －3 的氧化还原电位 0． 4 V(vs，NHE)。染料的激发能 E0 －0由染料的吸收光谱和荧光光谱相交处的波
长估算得到(如图 4 所示)2． 56 ev，使用公式 E = 1 240 /λ。染料激发态的还原电位(Es + ls* ，即 LOMO能
级)等于基态氧化电位减去染料的激发能即:Es + ls* = Eox － E0 － 0 = 0． 87 ev － 2． 56 ev = － 1． 69 ev，比 ZnO
的导带电位 0 V(vs，NHE)更负，满足作为光敏染料的电子注入驱动力的要求［15］。
图 3 美人蕉染料的循环伏安曲线图 图 4 美人蕉染料 E0 －0能级估算示意图
2． 3 染料敏化太阳能电池的光伏性能
共敏化后 DSSC的光电流 －光电压特性曲线见图 5。由图 5 中的到得的 DSSC 的光伏性能参数记
图 5 所组合的染料敏化太阳能电池的光电流 －电压曲线图
入表 1。从图中可以看出美人蕉溶液与 N719 染料共
敏化不同时间后电池的性能，可以明显看出美人蕉
的敏化时间为 60 min 时，得到的电池各项性能均最
好，得到的光电压为 0． 8 v，短路电流密度为
5． 97 mA /cm2，光电转换效率 η 为 2． 65%。这是因
为两种染料的协同作用，使得对太阳光的吸收光谱
更宽。在复合染料的共敏化过程中，若美人蕉染料
的敏化时间过长，得到的电池性能会下降，这可能是
因为光敏染料在半导体表面的吸附是单层吸附，当
天然染料吸附过多，即占据了过多的吸附位而减小
了 N719 染料在半导体表面的吸附，导致了电池的光
学性能降低。
表 1 所组合的染料敏化太阳能电池的光伏性能
DSSC染料组合 Jsc /mA /cm2 Voc /V F η /%
单独美人蕉 0． 27 0． 59 0． 61 0． 1
单独 N719 4． 19 0． 72 0． 55 1． 65
美人蕉(60 min)/N719 5． 97 0． 80 0． 55 2． 65
美人蕉(120 min)/N719 2． 16 0． 73 0． 53 1． 04
3 结 论
从植物中提取美人蕉天然染料，得到的染料能够吸附在 ZnO的表面。它的 HOMO能级电势比氧化
还原电解质电对 I － / I －3 的电势高，LOMO 能级电势比 ZnO 的导带电位低，能级与 I
－ / I －3 、ZnO 的能级相
匹配，单独作为太阳能电池的敏化剂是可行的。当美人蕉染料与 N719 染料进行共敏化的时候，得到的
电池表现出了更好的光学性能，而且，由共敏化得到高性能电池的方法比开发新型的高效敏化剂进行敏
化得到电池的方法更简单，更容易，成本更低。
85 东北电力大学学报 第 33 卷
参 考 文 献
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Dye-sensitised Solar Cell Performance with Co-sensitization
of Canna Anthocyanin and N719
SUN Xu-hui1，TUO Wan-quan1，BAO Ta-na2，SHI Hong-bo1，WANG Lei1，
(1． School of Chemical Engineering，Northeast Dianli University，Jilin Jilin 132012;2． SEPCOIII Electric Power Construction
Corporation，Qingdao Shandong 266100)
Abstract:In order to enlarge the response to sunlight spectrum and increase the conversion efficiency of photo
to electricity，the natural anthocyanin dye was extracted from natural plant canna and was used as co-sensitizing
agent of dye-sensitised solar cells． The UV-visible spectra of anthocyanin alcohol solution were tested，and its
redox behavior was studied by cyclic voltammetry method． The optic performance of the cell after using co-sen-
sitized dyestuff of N719 and anthocyanin was determined． The results indicate that canna anthocyanin fits the
requirements of the driving force for electrons;the optimum condition of co-sensitizing is that the sensitization
time for canna anthocyanin is 60minutes，and for N719 is 24 hours． After cosensitation，the photovoltage of the
cell is 0． 8 V，and its short circuit current is 5． 971mA /cm2 ． The fill factor F is 0． 55． The photoelectricity con-
version efficiency is 2． 65%，which is 61% higher than single N719． This experiment shows that canna antho-
cyanin can be used as a co-sensitizing agent to enlarge the absorbance to sunlight spectrum and improve the
performance of dye-sensitised solar cell．
Key words:Dye-sensitised solar cells;Canna anthocyanin;N719;Co-sensitization
95第 4 期 孙旭辉等:美人蕉花青素 /N719 染料共敏化太阳能电池性能