專利名稱：染料敏化納米晶太陽能電池的光陽極及其制備方法和應(yīng)用的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種染料敏化納米晶太陽能電池的光陽極，還涉及其制備方法，本發(fā)
明還公開了該光陽極在太陽能電池中的應(yīng)用。
背景技術(shù)：
羧酸聯(lián)吡啶釕配合物敏化多孔二氧化鈦納米結(jié)構(gòu)光陽極的光伏電池——染料敏 化太陽能電池，為光電化學(xué)電池的發(fā)展帶來了革命性的創(chuàng)新，光電轉(zhuǎn)換效率高、價格又遠低 于傳統(tǒng)半導(dǎo)體太陽能電池，二氧化鈦納米結(jié)構(gòu)光陽極主要包括透明導(dǎo)電基片和涂覆于其上 的二氧化鈦納米顆粒涂膜，透明導(dǎo)電基片常采用導(dǎo)電玻璃。該方面的技術(shù)文獻可參考申請 號為200810041804. 0的中國發(fā)明申請公開《染料敏化太陽能電池光陽極的制備方法》(公 開號:C訓(xùn)1339851A)。 作為染料敏化納米晶太陽能電池光陽極的二氧化鈦薄膜起著吸附染料敏化劑，有 效快速的向外電路傳輸電子的重要作用。單純由二氧化鈦納米粒子涂覆的二氧化鈦薄膜， 對長波段可見光的吸收較弱，這對提高電池的光電轉(zhuǎn)換效率不利。理論和實驗都證實，加 入大的散射粒子會增加光在二氧化鈦薄膜中的傳播路徑，增加光被二氧化鈦薄膜吸收的幾 率，這有助于電池光電轉(zhuǎn)換效率的提高。 為此，清華大學(xué)公開了一種利用金屬化合物來修飾二氧化鈦光陽極的方法，來改 善光電轉(zhuǎn)換效率，參考申請?zhí)枮?00710090556.4的中國發(fā)明申請公開《染料敏化太陽能電 池光陽極及其制備方法》(公開號CN101030607A)，該申請在導(dǎo)電基底上制備Ti02納米多 孔薄膜，用金屬化合物對該膜進行表面修飾后，再吸附染料，通過金屬化合物層的修飾，形 成表面勢壘、提高半導(dǎo)體能級、抑制表面態(tài)等不同機理，大大改善電池的光電轉(zhuǎn)換性能，提 高太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的第一個技術(shù)問題是針對上述的技術(shù)現(xiàn)狀而另外提供一種能提 高太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率的染料敏化納米晶太陽能電池的光陽極。 本發(fā)明所要解決的第二個技術(shù)問題是提供一種染料敏化納米晶太陽能電池光陽 極的制備方法。 本發(fā)明所要解決的第三個技術(shù)問題是提供一種染料敏化納米晶太陽能電池光陽 極在太陽能電池上應(yīng)用。 本發(fā)明解決上述技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案為一種染料敏化納米晶太陽能電池 光陽極，包括透明導(dǎo)電基片和涂覆于透明導(dǎo)電基片的涂膜，該涂膜中含有二氧化鈦納米顆 粒，其特征在于所述的涂膜中還均勻混合有銳鈦礦二氧化鈦空心球。 —種染料敏化納米晶太陽能電池光陽極的制備方法，其特征在于包括如下步驟
①膠體碳球的制備，配制質(zhì)量百分比為16.6% 33.4%的糖類水溶液，密封，水 熱，將所得產(chǎn)物分離，取固體物質(zhì)，洗滌后烘干，得到膠體碳球；
②C/Ti02復(fù)合球的制備，取步驟①中的膠體碳球，溶于有機溶劑中，分散均勻，然 后滴加鈦酸四丁酯，然后在充滿惰性氣體或氮氣的真空手套箱中攪拌，再將所得溶液旋轉(zhuǎn) 分離，取固體物質(zhì)，洗滌，得到C/Ti02復(fù)合球； ③制備漿料，將步驟②中的C/Ti02復(fù)合球與磨好的二氧化鈦納米顆粒酒精懸浮液 摻混，攪拌，得到均勻的漿料； ④煅燒獲得光陽極，上述漿料均勻的涂覆于透明導(dǎo)電基片上，得到涂膜，然后煅 燒，碳球在煅燒過程中被燒掉，透明導(dǎo)電基片上就形成了由銳鈦礦二氧化鈦空心球和二氧 化鈦納米顆粒構(gòu)成的光陽極， 其中，步驟②中碳球與鈦酸四丁酯質(zhì)量比為1 : 5 1 : 20。 —種染料敏化納米晶太陽能電池的制備方法，其特征在于包括如下步驟 ①膠體碳球的制備，配制質(zhì)量百分比為16.6% 33.4%的糖類水溶液，密封，水
熱，將所得產(chǎn)物分離，取固體物質(zhì)，洗滌后烘干，得到膠體碳球； ②C/Ti02復(fù)合球的制備，取步驟①中的膠體碳球，溶于有機溶劑中，分散均勻，然 后滴加鈦酸四丁酯，然后在充滿惰性氣體或氮氣的真空手套箱中攪拌，再將所得溶液旋轉(zhuǎn) 分離，取固體物質(zhì)，洗滌，得到C/Ti02復(fù)合球； ③制備漿料，將步驟②中的C/Ti02復(fù)合球與磨好的二氧化鈦納米顆粒酒精懸浮液 摻混，攪拌，得到均勻的漿料； ④煅燒獲得光陽極，上述漿料均勻的涂覆于透明導(dǎo)電基片上，得到涂膜，然后煅 燒，碳球在煅燒過程中被燒掉，透明導(dǎo)電基片上就形成了由銳鈦礦二氧化鈦空心球和二氧 化鈦納米顆粒構(gòu)成的光陽極， ⑤光陽極經(jīng)過染料敏化，滴加電解液，加上鉑對電極，即可組裝成染料敏化納米晶 太陽能電池， 其中，步驟②中碳球與鈦酸四丁酯質(zhì)量比為1 : 5 1 : 20。 步驟①中所述的糖類可以是蔗糖或葡萄糖，步驟②中的有機溶劑可以是無水乙醇 或甲苯。 作為優(yōu)選，步驟①中所述的水熱在高壓釜中進行，并且，水熱溫度為160 220°C ， 水熱時間為4 12小時。 作為優(yōu)選，步驟①中所得的膠體碳球直徑為400 1000nm。 作為優(yōu)選，步驟④中漿料均勻的涂覆于導(dǎo)電玻璃所得的膜的厚度為10 16iim。 作為優(yōu)選，步驟④中在馬福爐中完成煅燒，煅燒溫度為400 500°C。 作為優(yōu)選，光陽極涂膜中二氧化鈦空心球與二氧化鈦納米顆粒質(zhì)量比為l : 10
i : 30之間。 步驟⑤中所用的電解液成分為1M的LiI，O. 1M的I2，0. 5M的4_ 丁基吡啶，溶劑為
乙腈和碳酸丙烯酯，其中乙腈和碳酸丙烯酯的體積比為i : i。 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點在于將二氧化鈦空心球作為散射粒子用于染料 敏化納米晶太陽能電池的光陽極，增加了光被二氧化鈦納米薄膜吸收的幾率，使電池的光 電轉(zhuǎn)換效率有較大的提高。本發(fā)明的制備方法制備簡單，環(huán)保，成本低廉，對設(shè)備沒有特殊 要求。
具體實施例方式
以下結(jié)合實施例對本發(fā)明作進一步詳細描述。 實施例1 :由0. 2g 600nm碳球和4. 0g TBT所得二氧化鈦空心球與含2. 5g 二氧化 鈦納米顆粒酒精懸浮液均勻混合所涂覆的二氧化鈦薄膜電極的光電轉(zhuǎn)換性能。
600nm碳球由1M的葡萄糖水溶液，放入高壓釜中密封，水熱8小時，保持溫度 200°C ，將所得產(chǎn)物旋轉(zhuǎn)分離，取固體物質(zhì)，用乙醇和蒸餾水反復(fù)洗滌四次，然后80°C ， 5小 時烘干，得到600nm碳球。將該碳球O. 2g溶于30ml甲苯，100 600W的大功率超聲分散后， 滴入4. OgTBT，在充滿氮氣的真空手套箱中攪拌16小時，再將所得溶液旋轉(zhuǎn)分離，取固體物 質(zhì)，用乙醇和水反復(fù)洗滌四次，得到C/Ti02復(fù)合球。然后將復(fù)合球與已經(jīng)在球磨機球磨24 小時的2. 5g 二氧化鈦納米顆粒酒精懸浮液摻混，再經(jīng)攪拌4小時，得到均勻漿料，然后用粉 末涂覆法在透明導(dǎo)電基片上涂膜，膜厚為15iim。將涂好膜的導(dǎo)電玻璃在馬福爐中42(TC， 2小時煅燒，得到具有銳鈦礦二氧化鈦空心球涂膜的染料敏化納米晶太陽能電池的光陽極。 將該光陽極浸泡于濃度為5X 10—4mmol/L的N3 (分子式為RuL2 (NCS)2H4 41120，購自澳大利 亞的DYESOL公司，下同)溶液24小時，光陽極被染料充分敏化。然后將光陽極與鉑對電極 對接，滴入電解液，在氙燈模擬太陽光源下測試其效率。電解液的成分為1M的Lil， 0. 1M的 12，0.5的M的4-丁基吡啶，溶劑為乙腈和碳酸丙烯酯(PC)(體積比為1 : 1)。測效率所使 用氙燈模擬太陽光，光強為90.4mW/cm2(光強計北京師范大學(xué)，型號FZ-A).在該光強下， 測得該薄膜電極所組成的電池光電轉(zhuǎn)換效率為6. 47%，比單純由P25納米粒子涂膜所得電 池的效率5.82%提高了 11.2%。實施例中透明導(dǎo)電基片采用導(dǎo)電玻璃。
實施例2 :由0. 2g 600nm的碳球和4. Og TBT所得二氧化鈦空心球與含5. Og 二氧 化鈦納米顆粒酒精懸浮液均勻混合所涂覆的二氧化鈦薄膜電極的光電轉(zhuǎn)換性能。
600nm碳球由1M的葡萄糖水溶液，放入高壓釜中密封，水熱8小時，保持溫度 200°C ，將所得產(chǎn)物旋轉(zhuǎn)分離，取固體物質(zhì)，用乙醇和蒸餾水反復(fù)洗滌四次，然后80°C ， 5小 時烘干，得到600nm碳球。將該碳球0. 2g溶于30ml甲苯，100 600W的大功率超聲分散 后，滴入4. OgTBT，在充滿氮氣的真空手套箱中攪拌16小時，再將所得溶液旋轉(zhuǎn)分離，取固 體物質(zhì)，用乙醇和水反復(fù)洗滌四次，得到C/Ti02復(fù)合球。然后與已經(jīng)在球磨機球磨24小時 的5. Og 二氧化鈦納米顆粒酒精懸浮液摻混，再經(jīng)攪拌4小時后在導(dǎo)電玻璃上涂膜，膜厚為 15iim。將涂好膜的導(dǎo)電玻璃在馬福爐中42(TC，2小時煅燒，得到染料電池的光陽極。將該 光陽極浸泡于濃度為5X 10—4mmol/L的N3溶液24小時，光陽極被染料充分敏化。將光陽極 與鉑對電極對接，滴入電解液，在氙燈模擬太陽光源下測試其效率。電解液的成分為1M的 Lil，0.1M的l2，0.5M的4-丁基吡啶，溶劑為乙腈和碳酸丙烯酯(PC)(體積比為1 : 1)。測 效率所使用氙燈模擬太陽光，光強為90. 4mW/cm2 (光強計北京師范大學(xué)，型號FZ-A).在 該光強下，測得該薄膜電極所組成的電池光電轉(zhuǎn)換效率為6. 72%，比單純由二氧化鈦納米 顆粒涂膜所得電池的效率5. 82%提高了 15.5%。 實施例3 :由0. 2g 600nm碳球和4. Og TBT所得二氧化鈦空心球與含6. 5g 二氧化
鈦納米顆粒酒精懸浮液均勻混合所涂覆的二氧化鈦薄膜電極的光電轉(zhuǎn)換性能。 600nm碳球由1M的葡萄糖水溶液，放入高壓釜中密封，水熱8小時，保持溫度
200°C ，將所得產(chǎn)物旋轉(zhuǎn)分離，取固體物質(zhì)，用乙醇和蒸餾水反復(fù)洗滌四次，然后80°C ， 5小
時烘干，得到600nm碳球。將該碳球0. 2g溶于30ml甲苯，100 600W的大功率超聲分散后，滴入4. OgTBT，在充滿氮氣的真空手套箱中攪拌16小時，再將所得溶液旋轉(zhuǎn)分離，取固 體物質(zhì)，用乙醇和水反復(fù)洗滌四次，得到C/Ti02復(fù)合球，然后與已經(jīng)在球磨機球磨了 24小 時的6. 5g 二氧化鈦納米顆粒酒精懸浮液摻混，再經(jīng)攪拌4小時后在導(dǎo)電玻璃上涂膜，膜厚 為15iim。將涂好膜的導(dǎo)電玻璃在馬福爐中42(TC，2小時煅燒，得到染料電池的光陽極。將 該光陽極浸泡于濃度為5X 10—4mmol/L的N3溶液24小時，光陽極被染料充分敏化。將光陽 極與鉑對電極對接，滴入電解液，在氙燈模擬太陽光源下測試其效率。電解液的成分為1M 的Lil，0.1M的l2，0.5M的4-丁基吡啶，溶劑為乙腈和碳酸丙烯酯(PC)(體積比為1 : 1)。 測效率所使用氙燈模擬太陽光，光強為90. 4mW/cm2 (光強計北京師范大學(xué)，型號FZ-A). 在該光強下，測得該薄膜電極所組成的電池光電轉(zhuǎn)換效率為6. 02%，比單純由二氧化鈦納 米顆粒涂膜所得電池的效率5. 82%提高了 3.4%。 對比實施例二氧化鈦納米顆粒(26nm)5g，加入0. 4ml曲拉通，O. 8ml乙酰丙酮， 30ml乙醇，球磨機球磨24小時。將所得漿料在導(dǎo)電玻璃上均勻涂膜，膜厚為15iim。然后 420°C，2小時煅燒，得到染料電池的光陽極。將該光陽極浸泡于濃度為5X10—4mmol/L的 N3溶液24小時，光陽極被染料充分敏化。將光陽極與鉑對電極對接，滴入電解液，在氙燈 模擬太陽光源下測試其效率。電解液的成分為1M的LiI，O. 1M的I2，0. 5M的4- 丁基吡啶， 溶劑為乙腈和碳酸丙烯酯(PC)(體積比為1 : 1)。測效率所使用氙燈模擬太陽光，光強為 90.4mW/cm2(光強計北京師范大學(xué)，型號FZ-A)。在該光強下，測得該薄膜電極所組成的 電池光電轉(zhuǎn)換效率為5. 82%。
權(quán)利要求
一種染料敏化納米晶太陽能電池光陽極，包括透明導(dǎo)電基片和涂覆于透明導(dǎo)電基片的涂膜，該涂膜中含有二氧化鈦納米顆粒，其特征在于所述的涂膜中還均勻混合有銳鈦礦二氧化鈦空心球。
2. —種染料敏化納米晶太陽能電池光陽極的制備方法，其特征在于包括如下步驟① 膠體碳球的制備，配制質(zhì)量百分比為16. 6% 33. 4%的糖類水溶液，密封，水熱，將 所得產(chǎn)物分離，取固體物質(zhì)，洗滌后烘干，得到膠體碳球；② C/Ti02復(fù)合球的制備，取步驟①中的膠體碳球，溶于有機溶劑中，分散均勻，然后滴加鈦酸四丁酯，然后在充滿惰性氣體或氮氣的真空手套箱中攪拌，再將所得溶液旋轉(zhuǎn)分離， 取固體物質(zhì)，洗滌，得到C/Ti02復(fù)合球；③ 制備漿料，將步驟②中的C/Ti02復(fù)合球與磨好的二氧化鈦納米顆粒酒精懸浮液摻 混，攪拌，得到均勻的漿料；④ 煅燒獲得光陽極，上述漿料均勻的涂覆于透明導(dǎo)電基片上，得到涂膜，然后煅燒，碳 球在煅燒過程中被燒掉，透明導(dǎo)電基片上就形成了由銳鈦礦二氧化鈦空心球和二氧化鈦納 米顆粒構(gòu)成的光陽極，其中，步驟②中碳球與鈦酸四丁酯質(zhì)量比為1 : 5 1 : 20。
3. —種染料敏化納米晶太陽能電池的制備方法，其特征在于包括如下步驟 ①膠體碳球的制備，配制質(zhì)量百分比為16. 6% 33. 4%的糖類水溶液，密封，水熱，將所得產(chǎn)物分離，取固體物質(zhì)，洗滌后烘干，得到膠體碳球； C/Ti02復(fù)合球的制備，取步驟①中的膠體碳球，溶于有機溶劑中，分散均勻，然后滴 加鈦酸四丁酯，然后在充滿惰性氣體或氮氣的真空手套箱中攪拌，再將所得溶液旋轉(zhuǎn)分離， 取固體物質(zhì)，洗滌，得到C/Ti02復(fù)合球；③ 制備漿料，將步驟②中的C/Ti02復(fù)合球與磨好的二氧化鈦納米顆粒酒精懸浮液摻 混，攪拌，得到均勻的漿料；④ 煅燒獲得光陽極，上述漿料均勻的涂覆于透明導(dǎo)電基片上，得到涂膜，然后煅燒，碳 球在煅燒過程中被燒掉，透明導(dǎo)電基片上就形成了由銳鈦礦二氧化鈦空心球和二氧化鈦納 米顆粒構(gòu)成的光陽極，⑤ 光陽極經(jīng)過染料敏化，滴加電解液，加上鉑對電極，即可組裝成染料敏化納米晶太陽 能電池，其中，步驟②中碳球與鈦酸四丁酯質(zhì)量比為1 : 5 1 : 20。
4. 根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的制備方法，其特征在于步驟①中所述的糖類為蔗糖或葡 萄糖，步驟②中的有機溶劑為無水乙醇或甲苯。
5. 根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的制備方法，其特征在于步驟①中所述的水熱在高壓釜中 進行，并且，水熱溫度為160 22(TC，水熱時間為4 12小時。
6. 根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的制備方法，其特征在于步驟①中所得的膠體碳球直徑為 400 1000nm。
7. 根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的制備方法，其特征在于步驟④中漿料均勻的涂覆于導(dǎo)電 玻璃所得的膜的厚度為10 16 ii m。
8. 根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的制備方法，其特征在于步驟④中在馬福爐中完成煅燒，煅 燒溫度為400 500°C。
9. 根據(jù)權(quán)利要求1或2或3所述的制備方法，其特征在于光陽極涂膜中二氧化鈦空心球與二氧化鈦納米顆粒質(zhì)量比為i : io i : 30之間。
10. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的制備方法，其特征在于步驟⑤中所用的電解液成分為1M的 LiI，O. 1M的12，0. 5M的4-丁基吡啶，溶劑為乙腈和碳酸丙烯酯，其中乙腈和碳酸丙烯酯的體積比為i : i。
全文摘要
一種染料敏化納米晶太陽能電池的光陽極，包括透明導(dǎo)電基片和涂覆于透明導(dǎo)電基片的涂膜，該涂膜中含有二氧化鈦納米顆粒，其特征在于所述的涂膜中還均勻混合有銳鈦礦二氧化鈦空心球。本發(fā)明還公開了該光陽極的制備方法和在太陽能電池中的應(yīng)用。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點在于將二氧化鈦空心球作為散射粒子用于染料敏化納米晶太陽能電池光陽極，增加了光被二氧化鈦納米薄膜吸收的幾率，使電池的光電轉(zhuǎn)換效率有較大的提高。
文檔編號H01M4/00GK101783247SQ20091009571
公開日2010年7月21日 申請日期2009年1月16日 優(yōu)先權(quán)日2009年1月16日
發(fā)明者張京, 張延偉, 楊廣濤, 王培卿, 諸躍進 申請人:寧波大學(xué)