一种光纤拉曼探针在染料敏化太阳能电池中的原位监测方法

本发明涉及一种光纤拉曼探针在染料敏化太阳能电池中的原位监测方法，属于光纤传感技术应用于染料敏化太阳能电池。

背景技术：

1、染料敏化太阳能电池是继硅太阳能电池后出现的一种新型薄膜太阳能电池，其具备高效捕获太阳能的特性。该电池制备方法简单，成本较低，并且使用材料相对环保，这使其在大规模商业生产中展现出了显著的优势。目前，基于电化学研究的染料敏化太阳能电池性能监测面临着一系列挑战，包括难以精确表征特定分子在电极表面的吸附和还原行为，限制了对染料敏化太阳能电池阳极活性物质的准确评估。且传统的方法难以满足对染料敏化太阳能电池内部微观结构和光电转换机制深入理解的需求，因此对其性能的精确优化受到了限制。所以必须寻找一种高效、低成本的染料敏化太阳能电池的监测方法。

2、原位即在线测量，原位拉曼技术可实现对样品变化过程中的连续测量，不间断地收集拉曼信号。此外，利用光纤体积小、柔性好、抗腐蚀等特点，将光纤拉曼探针植入染料敏化太阳能电池中。通过对染料敏化太阳能电池进行原位拉曼实时采集，并同时对其施加不同偏压，从而监测染料敏化太阳能电池原位拉曼光谱的拉曼位移偏移，实现对电池内部反应全面、精准的分析和监测。

技术实现思路

1、本发明为解决上述染料敏化太阳能电池性能检测无法准确表征特定分子、难以适应深入微观研究需求以及解释电化学反应机理困难的问题，提供一种光纤拉曼探针应用系统及监测方法，用于实时监测染料敏化太阳能电池原位拉曼光谱变化。本发明通过对染料敏化太阳能电池进行原位拉曼实时采集的同时对其施加0.1 v-0.6 v电压，监测其拉曼光谱的位移偏移，以实现对染料敏化太阳能电池中自发光伏效应和内部电子浓度在不同偏压下的变化分析。这一技术为染料敏化太阳能电池性能优化提供了新的手段。

2、本发明通过以下技术手段来实现：

3、一种光纤拉曼探针在染料敏化太阳能电池中的原位监测方法，该方法通过电化学工作站对染料敏化太阳能电池施加0.1 v-0.6 v电压，同时利用光纤拉曼探针实时监测染料敏化太阳能电池的二氧化钛光阳极和聚苯胺薄膜对电极上的n719染料与碘系电解液相互作用的原位拉曼光谱。其构建的原位拉曼监测系统包括：785 nm激光器、便携式拉曼光谱仪、y型光纤、fc接口连接器、光纤拉曼探针、二氧化钛光阳极、聚苯胺薄膜对电极、太阳光模拟器及电化学工作站组成。所述的785 nm激光器、便携式拉曼光谱仪与y型光纤连接器连接，拆除原有的拉曼探头棒，将其改进成带有fc接口的连接器设计。该fc接口连接器一端与原有的拉曼探头主体连接，另一端通过fc接口连接器与带有fc接口的多模光纤拉曼探针连接。随后将光纤拉曼探针探测端植入染料敏化太阳能电池中，使其能够对染料敏化太阳能电池进行实时光谱分析。

4、本技术方案中，光纤拉曼探针的探测端主要制备方法为：将带有fc接口的多模光纤跳线切割至所需长度，通过光纤热剥钳去除一端的涂覆层和包层后，多模光纤经光纤切割刀切割后形成平整的端面，最终获得光纤拉曼探针。

5、设计fc接口连接器：将原有的拉曼光谱仪探头前端拆卸，并制备fc接口连接器，该fc接口连接器的一端与原有的拉曼探头主体连接，另一端配备fc接口连接器以连接带有fc接口的多模光纤拉曼探针。通过调节拉曼探头主体和连接到fc接口之间的准直透镜的位置的光纤光路，以保证光路的稳定性和准确性。

6、本技术方案中，染料敏化太阳能电池二氧化钛光阳极采用刮涂法制备而成，具体包括以下步骤：

7、步骤一：制备二氧化钛浆料，具体操作过程为：

8、s1，将质量为6 g的二氧化钛粉末与容量为1 ml的乙酸混合，并进行研磨混合。

9、s2，依次添加剂量为1 ml的水研磨五次。

10、s3，混入溶剂量为1 ml的乙醇研磨，重复十五次。

11、s4，进行超声处理和磁力搅拌。

12、s5，添加松油醇并进行搅拌。

13、s6，将乙基纤维素溶解于乙醇中，进行蒸发处理。

14、步骤二：将fto导电玻璃片进行超声清洗处理，晾干后将隐形胶贴于导电面，并露出一个面积为0.16 cm2的正方形区域，用以制备二氧化钛光阳极。

15、步骤三：将步骤一制备好的二氧化钛浆料用刀片刮涂到步骤二贴好隐形胶的fto导电玻璃上，然后在烘箱中干燥，此步骤重复三次。

16、步骤四：彻底烘干后撕去隐形胶，在马弗炉中490℃烧结30分钟后置于80℃的干燥箱中冷却。

17、进一步限定，二氧化钛光阳极完成制备后，需趁热将其置于以乙醇作为溶剂的0.5mm n719染料与离心处理后的金纳米球的混合溶液中，在暗处静置24小时，以实现最佳性能的光阳极表面染料吸附效果的最大化。

18、其中，所述金纳米球采用柠檬酸钠还原法制备而成。具体地，取1 ml氯金酸加入100 ml去离子水，通过调节磁力搅拌器的温度和转速使其均匀分散在纯水中，沸腾搅拌状态下添加1 ml的1%的柠檬酸钠并反应一段时间，当溶液颜色逐渐变为酒红色时，表明溶液中已经生成金纳米球。

19、本技术方案中，染料敏化太阳能电池对电极由电泳法制备的聚苯胺薄膜电极而成，具体包括以下步骤：

20、步骤一：对fto导电玻璃片进行丙酮和乙醇超声清洗，以确保其表面干净。

21、 步骤二：涂覆隐形胶在玻璃片上，并露出一个面积为0.16 cm2的正方形区域，用以制备聚苯胺薄膜。

22、步骤三：将一定配比的苯胺与高氯酸混合配制成含有聚苯胺单体的水溶液。

23、步骤四：连接三电极系统到电化学分析仪，采用电化学循环法在fto导电玻璃面上制备聚苯胺膜。

24、本技术方案中，染料敏化太阳能电池由上述制备的二氧化钛光阳极、聚苯胺薄膜电极与碘系电解液而成，使用刀刃直径为0.2 mm的玻璃钻头在光阳极与对电极fto导电玻璃面径直方向进行打孔加工，将光纤拉曼探针沿预打孔径直植入染料敏化太阳能电池中，并进行封装。封装完成后，将带有fc接口的多模光纤拉曼探针与fc接口连接器相连接。

25、进一步限定，碘系电解液由0.5 m lii, 0.05 m i2, 0.5m 4-叔丁基吡啶的乙腈溶液混合而成。

26、 本技术方案中，采用电化学工作站设置所需施加的电压范围，并指定间隔为0.1v。将染料敏化太阳能电池分别与电化学工作站三电极相连接，启动太阳光模拟器，监测对其施加0.1 v-0.6 v电压时染料敏化太阳能电池的原位拉曼光谱，并通过拉曼位移的偏移进行分析。

27、本发明具有以下优势：本发明提供一种用于实时监测染料敏化太阳能电池原位拉曼光谱变化的光纤拉曼探针应用系统及监测方法。通过将光纤拉曼探针植入染料敏化太阳能电池中，实现对染料敏化太阳能电池光照情况下施加不同偏压的原位拉曼光谱实时监测。

28、首先，光纤具有体积小、耐腐蚀性强及成本低等优点，本发明将光纤传感技术与拉曼光谱监测相结合，通过光纤拉曼探针实现对染料敏化太阳能电池的实时原位监测。本发明设计的光纤拉曼探针具备高灵敏度和快速实时等特性，适用于动态过程的监测和控制。其能检测到微量的样品成分和结构变化，为揭示电池内部反应机制提供更为全面、准确的监测数据。

29、其次，与现有技术相比，本发明解决了传统的方法无法准确表征特定分子、难以适应深入微观研究需求以及解释电化学反应机理困难的问题，开发了一种基于光纤拉曼原位表征技术，通过对染料敏化太阳能电池进行原位拉曼实时采集的同时对其施加0.1 v-0.6v电压，监测染料敏化太阳能电池原位拉曼光谱的拉曼位移的偏移，实现对染料敏化太阳能电池界面动态演变过程的监测，及染料敏化太阳能电池中自发光伏效应和内部电子浓度在不同偏压下的变化分析，该技术有助于在分子层面上深入了解染料敏化太阳能电池的反应。

30、最后，本发明设计的光纤拉曼探针为监测其他类型的电池提供了一种全新的手段和思路。这种新型原位实时监测手段为电池材料的优化设计和电池性能的改进提供了关键的技术支持。