在DSSC中的应用交流阻抗谱EIS
电化学交流阻抗在量子点敏化太阳电池中的应用
电化学交流阻抗在量子点敏化太阳电池中的应用靳斌斌【摘要】研究量子点敏化太阳电池(QDSSCs)电极界面电荷转移,抑制电极界面电荷复合,促进电荷的正向流动成为提高QDSSCs效率急需解决的问题.特别是寻找一种能有效研究光阳极/电解液界面的电荷转移和复合以及对电极催化活性的表征方法.电化学交流阻抗(EIS)是一种常用的研究电极界面阻抗和电容的分析方法.利用EIS可以对QDSSCs光阳极/电解液界面电荷转移,对电极催化活性进行有效的评价.%Studying interface charge transfer,inhibiting interface charge recombination at the electrodes and promoting the forward flow of the charge become an urgent problem to improve the efficiency of quantum dot sensitized solar cells(QDSSCs),especially exploring an effective characterization method to study the charge transfer,recombination at photoanode/electrolyte interface and catalytic activity of the counter electrode.Electrochemical impedance spectroscopy(EIS)is a common analysis method,which is used to research the impedance and capacitance of electrode interfaces.EIS is used to evaluate the charge transfer at photoanode/electrolyte interface and catalytic activity of the counter electrode in QDSSCs.【期刊名称】《广州化工》【年(卷),期】2017(045)005【总页数】3页(P4-6)【关键词】电化学交流阻抗;电极;界面;量子点敏化太阳电池【作者】靳斌斌【作者单位】陕西国防工业职业技术学院化学工程学院化工研究所,陕西西安710300;陕西师范大学材料科学与工程学院,陕西西安 710062【正文语种】中文【中图分类】TQ152近年来，面对能源危机和环境问题，QDSSCs由于低的生产成本和高的理论光电转换效率受到了研究者的广泛关注。
以DSSC为例,图解EIS(电化学阻抗谱)原理、表征和Zview拟合
以DSSC为例，图解EIS（电化学阻抗谱）原理、表征和Zview拟合首先以DSSC为例，其工作原理及结构如图1所示：图1 DSSC结构及工作原理DSSC中的电子过程分以下几个部分：图2为上述过程的图解图2. DSSC电子过程1.EIS 工作基本原理电化学阻抗谱方法是一种以小振幅正弦波电位(或电流)为扰动信号的电化学测量方法。
对于一个稳定的线性系统M,如以一个角频率为w的正弦波电信号(电压或电流)x为激励信号输入该系统,相应的从该系统输出一个角频率为w的正弦波电信号(电流或电压)Y,Y即是响应信号。
Y与x之间的关系为:Y= G(w)·X式中G为频率的函数,即频响函数,它反映系统M的频响特性,由M的内部结构所决定。
因而可以从G随x与Y的变化情况获得线性系统内部结构的有用信息。
如染料敏化太阳能电池的内部电子传输过程可以看作一个黑箱模型M, 对M进行动态处理如图3所示如果扰动信号X为正弦波电流信号,而Y为正弦波电压信号,则称G为系统M的阻抗。
对于阻抗一般用z来表示,阻抗是一个随频率变化的矢量,用变量为角频率w的复变函数表示。
即(用Z'表示实部,Z''表示虚部)征,从这两种图中就可以对系统进行阻抗分析。
2．拟合原理和表征利用zview拟合可以直接获得样品的传输电阻(R t)、界面电阻（R ct）、界面电容C ch等等效电路元件信息,从而为研究DSC内部的电子传输特性提供依据图4.DSSC的传输线模型对于理想DSC来说,R t与R ct主要决定电池在稳态下的工作输出。
DSC在EIS测试中的基本相应为高频段是一段直线,一般称作韦伯(warburg)特性,低频段是一个半圆。
直线对应电子传输过程,半圆对应于电子的转移过程。
图5a中可以看到(R t固定为100欧),半圆的直径对应R ct的值,随着R ct的增加而增加;图5(b)显示(R ct固定为300欧),R t的值为直线在实轴上投影的3倍,随着R t的增加,直线的长度增加。
交流阻抗谱介绍
EIS 交流阻抗谱交流阻抗谱交流阻抗谱（EIS ）是一种强大的工具，可以在很宽的频率范围内得到测试样品的阻抗特性谱。
这是通过在样品上施加具有特定频率范围的正弦AC 电压激励信号并测量产生的电流响应来完成。
该响应电流也是正弦信号，但由于响应时间延迟，其相位和施加的电压相位有差别（图1）。
图1： 交流电压和电流幅度和相位根据交流电压的幅度，电流幅度和相位角，可以计算出阻抗，导纳，电容，介电常数等参数以及他们的实部和虚部，从而得到在不同频率下的各种曲线图形。
交流阻抗可以理解为一个复函数，具有实部和虚部。
对于纯电阻，相应的阻抗是实数（虚部以及相角为零）。
对于纯电容或纯电感，阻抗的实部（Z'）为零，相角为-90°或+ 90°。
通常，诸如质量传递，电极和电解质之间的电荷转移等过程的阻抗具有和频率相关的实部和虚部，并且可以通过它们的来判断化学过程的行为。
EIS 交流阻抗谱测试对一个测试体系施加一个固定频率的小幅正弦电压激励信号（例如10mV ），测量未知体系的电流响应值，从而计算出在该频率下的阻抗值。
改变不同的频率，就会得到一系列的数据点集，从而得到交流阻抗谱图。
图2表示了EIS 的测试过程。
EIS 谱图包含了丰富的关于测试体系的信息。
Z ω =E(ω)I(ω)E(ω)=随频率变化的输入电压值 I(ω) =随频率变化的输出电流值 ω=2πf 角频率图2：EIS 测试示意图由于施加的电压信号的幅度很小，使得交流阻抗测试对研究的系统没有破坏性，并且交流阻抗还可以进行原位测试并获得丰富的息，所以EIS 方法已经广泛的应用于储能元件，金属腐蚀，电极表面的吸附与解析，电化学合成，催化剂动态，传感器等领域。
进行EIS测试时，严格来讲，需要满足以下三个条件，这样才能保证交流阻抗的结果的可靠性。
1．因果关系：当用一个正弦波的电压信号对测试体系进行扰动时，测试体系只对施加的扰动信号有响应。
2. 线性条件：施加扰动信号和响应信号在一个线性范围内，这就要求扰动信号足够小时，才能保证线性响应。
药物分析中的电化学阻抗谱技术应用研究
药物分析中的电化学阻抗谱技术应用研究电化学阻抗谱（EIS）技术是一种用于测量电化学系统中的阻抗变化的非毁坏性测试方法。
由于其高精度和高灵敏性，EIS技术在药物分析领域中得到了广泛应用。
本文将详细介绍药物分析中的EIS技术应用研究，并探讨其在药物质量控制和药物相容性研究中的潜力。
1. EIS技术概述EIS技术通过在电化学系统中施加交流电信号，并测量系统响应，来获取电化学过程中的阻抗谱。
它可以提供物理和化学过程的定量信息，如电化学反应速率、电荷传输等。
EIS技术具有非破坏性、高精度和高灵敏性的特点，因此在药物分析中得到了广泛应用。
2. 药物质量控制中的EIS技术应用2.1 药物释放测试药物释放测试是评估药物制剂的质量和性能的重要方法之一。
传统的释放测试方法需要分析样品，然后测量药物释放量。
而使用EIS技术，可以直接测量药物释放过程中的电化学反应，提供更为精确和实时的药物释放信息。
2.2 药物稳定性研究药物稳定性是衡量药物品质优劣的关键指标之一。
传统的稳定性研究方法通常需要消耗大量的药物样品，并且测试时间较长。
而利用EIS技术，可以通过测量药物在电化学系统中的阻抗变化，实时监测药物的稳定性变化，提高稳定性研究的效率和准确性。
3. 药物相容性研究中的EIS技术应用药物相容性研究是评估不同药物组分之间相互作用的重要环节。
传统的相容性研究方法通常需要大量的试剂和设备，并且测试周期较长。
而使用EIS技术，可以通过测量药物相互作用过程中的阻抗变化，提供对不同药物组分相容性的快速评估。
4. EIS技术在药物分析中的优势和挑战4.1 优势EIS技术具有非破坏性、高精度和高灵敏性的优势，可以提供实时监测和定量分析。
与传统分析方法相比，EIS技术更为快速、方便且经济高效。
4.2 挑战EIS技术在药物分析中仍面临一些挑战。
首先，药物样品的复杂性和多样性可能会影响EIS技术的准确性和可行性。
其次，EIS技术的仪器设备和数据处理系统需要较高的技术水平和成本投入。
电化学阻抗谱简介 (EIS) ppt课件
Charge-transfer at the platinum counter electrode
High (kHz)
Photoinjected electrons within the TiO2
Nernstian diffusion within the electrolyte
Middle(10~100 Hz ) Low (mHz)
• 以小幅值的正弦波对称的围绕稳定电位极化，不会引 起严重的瞬间浓度变化及表面变化。
• 由于通过交变电流是在同一电极上交替地出现阳极过 程和阴极过程，即使测量信号长时间作用于电解池， 也不会导致极化现象的积累性发展。（准稳态方法）
• 速度较快的子过程的阻抗谱出现在比较高的频率域， 而速度较慢的子过程的阻抗谱则出现在比较低的频率 域，可据此判断子过程的数目及其动力学特征。
• 稳定性条件
– 电极系统在受到扰动后时，其内部结构所发生的变化不 大，可以在受到小幅度扰动之后又回到原先的状态。
曹楚南pp、t课张件鉴清著，《电化学阻抗谱导论》，52002年
如何测量得到EIS?
• 装置简图
Lock-in amplifier (EG&G, M5210).
Potentiostat (EG&G, M273)
为扰动信号的电化学测量方法。
角频率为 正弦波信号X
电流或者电位
电极系统
角频率为 正弦波信号Y
电位或者电流
Y = G()X
G()为阻抗或者导纳
在一系列下测得的一组这种频响函数值就是电极系统的EIS，即G()～
曹楚南pp、t课张件鉴清著，《电化学阻抗谱导论》，32002年
献给被电化学阻抗谱（EIS）困扰的你
献给被电化学阻抗谱（EIS）困扰的你撰文：圆的方块编辑：卢帮安所属专栏：电化学天地这篇文章会介绍一些电化学阻抗谱（Electrochemical Impedance Spectroscopy，EIS）的基础知识。
1. 核心逻辑一个电化学反应和一个电路，有什么共同点呢？二者，外加一个电压信号，就会产生一个电流信号。
因为同样具备这种“输入-输出”关系，我们可以把电化学反应和电路联系起来。
一个电路中，直流电受到阻碍，我们称之为电阻。
将这个概念延伸到交流电中，我们就可以得到阻抗（impedance，Z）。
阻抗：电路中的交流电所遇到的阻碍。
阻抗（Z）与电压（E）, 电流（I）的关系，在形式上就是电阻的欧姆定律：因为交流电具有频率，因此，阻抗也会随着频率而改变。
不同频率下，阻抗会更接近于某种器件，如电阻或电容等。
综合以上两点，得到EIS技术的核心：整个电化学反应可以表示为一个阻抗。
输入细微扰动，输出不同频率下的阻抗信息。
2. 基础概念与原理•EIS输入输出信号EIS的测试中，输入信号往往是小幅度正弦交流信号，进而测量系统的阻抗，从而进行等效电路的分析。
阻抗的输入信号有三个特征，振幅，频率。
输出信号也是。
•EIS谱图特征阻抗是一个复数，可表示为实部Z Re和虚部Z Im的两部分，因此，所得到的EIS谱图也是以这两部分为x，y轴。
举两个最简单的例子：当电路中仅存在电容C时，EIS图谱是一条重合于Y轴的直线，即只有虚部的阻抗Z。
当电阻R与电容C串联时，阻抗的实部Z Re有了数值，得到一个垂直于X轴的直线，与X轴交于R。
然而，文献中很多EIS结果是“半圆+尾巴”的曲线，如下图所示，那么，这种EIS结果是如何造成的呢？这可通过电化学反应的基本模型来进行解释。
•典型电化学反应模型与其等效电路典型的电化学过程包含一些基本构成，比如双电层和法拉第反应等，这些可有下图模型近似表示：与之对应，该过程的总阻抗可以抽象为三种电学元件，分别为：内阻RΩ，双电层电容C d，法拉第阻抗Z f其中，内阻：电解液和电极的内阻。
eis 分析
EIS(电化学阻抗谱分析) 首先以DSSC为例,其工作原理及结构如图1所示:图1 DSSC结构及工作原理DSSC中的电子过程分以下几个部分:图2为上述过程的图解图2、DSSC电子过程1.EIS 工作基本原理电化学阻抗谱方法就是一种以小振幅正弦波电位(或电流)为扰动信号的电化学测量方法。
对于一个稳定的线性系统M,如以一个角频率为w的正弦波电信号(电压或电流)x为激励信号输入该系统,相应的从该系统输出一个角频率为w的正弦波电信号(电流或电压)Y,Y即就是响应信号。
Y与x之间的关系为:Y= G(w)·X式中G为频率的函数,即频响函数,它反映系统M的频响特性,由M的内部结构所决定。
因而可以从G随x与Y的变化情况获得线性系统内部结构的有用信息。
如染料敏化太阳能电池的内部电子传输过程可以瞧作一个黑箱模型M, 对M进行动态处理如图3所示图3、阻抗测试模型如果扰动信号X为正弦波电流信号,而Y为正弦波电压信号,则称G为系统M的阻抗。
对于阻抗一般用z来表示,阻抗就是一个随频率变化的矢量,用变量为角频率w的复变函数表示。
即(用Z'表示实部,Z''表示虚部)阻抗的表示有两种方式:(1)奈奎斯特(Nyquist)图:阻抗就是一个矢量,用其实部为横轴,虚部为纵轴来绘图,以表示体系频一谱特征的阻抗平面图,称之为奈奎斯特(Nyquist)图。
(2)波特(Bode)图:另一种表示阻抗频谱特征的就是以logf为横坐标,分别以logZ与相位角为纵坐标绘成两条曲线,这种图为波特(Bode)图。
这两种图都能反映出被测系统的阻抗频谱特征,从这两种图中就可以对系统进行阻抗分析。
2.拟合原理与表征利用zview拟合可以直接获得样品的传输电阻(R t)、界面电阻(R ct)、界面电容C ch等等效电路元件信息,从而为研究DSC内部的电子传输特性提供依据图4、DSSC的传输线模型对于理想DSC来说,R t与R ct主要决定电池在稳态下的工作输出。
燃料电池交流阻抗测量方法
燃料电池交流阻抗测量方法
燃料电池交流阻抗测量方法通常使用电化学阻抗谱（EIS）来
进行。
以下是一种常见的方法：
1. 准备工作：将燃料电池系统连接到频率响应分析仪（FRA），同时保持燃料电池工作状态稳定。
2. 设定频率范围：选择一个适当的频率范围进行测量。
通常选择0.01 Hz到100 kHz的频率范围。
3. 施加小信号激励：在所选频率范围内以较小的振幅施加交流电信号激励到燃料电池系统。
4. 采集响应信号：通过FRA测量系统的响应信号。
这包括测
量电流和电压响应。
5. 计算阻抗：使用阻抗测量原理和基本公式，计算出燃料电池系统的阻抗。
6. 绘制阻抗谱：将计算得到的阻抗数据绘制为阻抗谱图，其中横轴是频率，纵轴是阻抗幅值和相位。
7. 分析结果：根据阻抗谱的形状和特征，分析燃料电池系统的电化学性能和性能损失机制。
需要注意的是，燃料电池交流阻抗测量涉及复杂的电化学反应和传输过程，需要合理选择适当的测量条件和数据处理方法，
以获得准确和可靠的阻抗结果。
同时，可以通过改变测量条件（如温度、湿度、压力等）来研究燃料电池系统在不同工作条件下的电化学特性。
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0.4
0.6
0.8
U(V)
暗态下I-V曲线的测试
I/mA
0
-0.001
-0.002
-0.0
-0.006
-0.007
-0.008
-0.009
-0.01
0
0.2
测试条件：无光照
0.4 U/V
无致密层 有致密层
0.6
偏压：0-0.7V
开路电压衰减（OCVD）测试
U/(V)
0.9 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1
RS
R1
R2
R3
R:Ω/cm2 C:F/cm2
采用不同工艺制备的DSSC的阻抗
分析原因：
可归因于丝网印刷和刮涂法所形成的孔道结构的差异，丝印 所形成的孔道结构使吸附的染料分子数相对较多而且其孔道结构有利 于I-向孔道内扩散及孔道内形成的I3-向电解液本体扩散，从而使电 极/电解液界面的光生载流子传输更有利，TiO2薄膜内的载流子浓度 更高。
工作汇报
指导老师：冯亚青 学生：杨雁博
2012. 11 .10
主要工作
学习交流阻抗（EIS）的测试，并结合DSSC 光电转化效率进行解释
EIS测试在DSSC领域的应用 采用不同工艺制备的DSSC的阻抗 不同TiO2薄膜厚度的阻抗 致密层对DSSC的阻抗的影响
交流阻抗谱（EIS）在DSSC中的应用
R:Ω/cm2 C:F/cm2
致密层对DSSC的阻抗的影响
分析原因：
1)在光阳极上引入致密层，增加了电子的传输路径，外电路电阻 变大。
2)致密层阻挡了导电玻璃上的电子与电解液中I3-的复合，使流向 对电极的电子数增多，在Pt对电极上发生还原反应I3-分子数增加， 使Pt/电解质溶液的界面电荷转移的阻抗弧减小。
2）电流增加，回到基态的染料阳离子也会增多，它们会氧化与薄 膜相接触的电解液中的I-，使之生成更多I3-，同时对电极上的电 子增多， I3-与之结合生成更多I-，由于较大的浓度差存在导致了 扩散速度的加快，扩散阻值随之减小。
致密层对DSSC的阻抗的影响
致密层对DSSC的阻抗的影响
等效电路：RS(C1R1)(C2R2)(C3R3)
3)致密层阻挡了导电玻璃上的电子与电解液中I3-的复合，使光阳 极附近电解液中I3-的浓度增大，阴阳两极附近的浓度差增大，进 而电对在电解液的扩散阻力减小（费克扩散第一定律）。
具有致密层的光阳极横截面EIS图
有无致密层效率的对比
J(mA/cm2）
14
有致密层
12
无致密层
10
8
6
4
2
0
0
0.2
EIS高频区：Pt/电解质溶液的界面电荷转移 EIS中频区：TiO2薄膜/电解质溶液界面电荷转移 EIS低频区：I-/I3-氧化还原电对在电解质溶液的扩散
采用不同工艺制备的DSSC的阻抗
采用不同工艺制备的DSSC的阻抗
等效电路：RS(C1R1)(C2R2)(C3R3)
C1
C2
C3
0 0
无致密层 有致密层
5
10
15
t（s）
光电压的衰减反映了FTO上电子密度的减小，电子密度的减小由 电子的复合引起。光电压衰减速率直接反映了电子的复合速率。
电子寿命（）的测试
（dU/dt）-1
n
kBT e
( dVoc )1 dt
80
70
60
无致密层
50
有致密层
40
30
20
10
0
0
0.2
0.4
电化学阻抗谱方法是一种以小振幅正弦波电位（或电流）为扰 动信号的电化学测试方法
X:激励信号 频率为ω的正弦波电流信号 Y:响应信号 频率为ω的正弦波电压信号
Y=G(ω)X 在一系列不同角频率下测得的一组G(ω)就是电极系统的电化学阻 抗谱
交流阻抗谱（EIS）在DSSC中的应用
交流阻抗谱（EIS）在DSSC中的应用
0.6
0.8
1
U(V)
下一步计划
X射线衍射测试，确定致密层中TiO2粒子的晶型。 尝试对已制备TiO2致密层进行掺杂改性，或者合成复合
粒子，实现光电压的提高。
谢谢
不同TiO2薄膜厚度的阻抗
4 4
5 5
6 6
7 7
不同TiO2薄膜厚度的阻抗
等效电路：RS(C1R1)(C2R2)(C3R3)
R:Ω/cm2 C:F/cm2
不同TiO2薄膜厚度的阻抗
分析原因：
1）当膜厚逐渐增大时，中频区的TiO2薄膜的电阻先变小，可理 解为并联一个相当于一层膜厚阻值的电阻；后变大，可理解为串 联一个相当于一层膜厚阻值的电阻。