專利名稱：原位生長二氧化鈦薄膜電極的方法、光陽極、電池的制作方法
技術領域：
本發(fā)明屬于太陽能電池制造技術領域，具體涉及一種原位生長二氧化鈦薄膜電極的方法、染料敏化太陽能電池用的光陽極及染料敏化太陽能電池。
背景技術：
由于全球性能源危機日益嚴重，人類迫切希望找到一種可持續(xù)發(fā)展的綠色能源。太陽能作為一種取之不盡的天然能源，成為人們的重要選擇之一，日益受到世界各國的關注。染料敏化太陽能電池作為新型電池，與傳統(tǒng)電池比較，具有成本低廉，綠色環(huán)保，制作簡單的巨大優(yōu)勢。染料敏化電池主要由以下幾個部分組成導電基底層、二氧化鈦薄膜、染料敏化層、電解質(zhì)和對電極。光陽極包括導電基底層和二氧化鈦薄膜，其中，常規(guī)的導電基底層通 常選擇透明導電玻璃，因為玻璃本身屬于剛性材料，所以選擇透明導電玻璃作為導電基底只能做出剛性的染料敏化太陽能電池。同時，由于導電玻璃質(zhì)量大，無法彎曲，剛性電池的安裝和攜帶不方便，嚴重影響了染料敏化太陽能電池的應用范圍。光陽極中的二氧化鈦薄膜的制備方法存在制備成本高，提高了染料敏化太陽能電池的成本。光陽極中的二氧化鈦薄膜與導電基底層的結(jié)合力差，嚴重影響了光陽極中的電子傳輸，不利于太陽能電池光電性能的提升。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術問題是針對現(xiàn)有技術中存在的上述不足，提供了一種原位生長二氧化鈦薄膜電極的方法、染料敏化太陽能電池用的光陽極及染料敏化太陽能電池。該原位生長二氧化鈦薄膜電極的制備工藝簡單、成本低，實現(xiàn)了二氧化鈦薄膜與鈦箔片基底的有效連接，且二氧化鈦薄膜與鈦箔片基底的結(jié)合力強，從而實現(xiàn)了光陽極中電子的有效傳輸，有利于太陽能電池光電性能的提升。解決本發(fā)明技術問題所采用的技術方案是提供一種原位生長二氧化鈦薄膜電極的方法，包括以下步驟(I)將第一鈦箔片放入到堿溶液中水熱反應，得到第二鈦箔片；(2)取出第二鈦箔片，在惰性氣氛下灼燒，得到原位生長的二氧化鈦薄膜電極。優(yōu)選的是，所述步驟(I)中堿溶液中的堿為氫氧化鉀、氫氧化鈉、氫氧化鈣、四甲基氫氧化銨、四乙基氫氧化銨中的一種或者幾種混合物，其中堿的濃度為0. 1M 15M。優(yōu)選的是，所述步驟(I)中水熱反應的溫度為10(T20(TC，水熱反應的時間為廣24小時。優(yōu)選的是，所述步驟(2)的灼燒的溫度為20(T60(TC，灼燒的時間為30 480分鐘。優(yōu)選的是，在所述步驟(I)和所述步驟(2)之間還包括步驟(m)將第二鈦箔片放入到酸溶液中處理。優(yōu)選的是，所述步驟(m)中的酸溶液中的酸為硝酸、氯化氫、氫氟酸、磷酸、醋酸、乳酸中的一種或者幾種的混合物，其中，酸的濃度為1X10_4]\T10M，酸處理的時間為3 48小時。優(yōu)選的是，在所述步驟(2)之后還包括步驟(n)將步驟(2)得到的原位生長二氧化鈦薄膜電極放入到酸中處理。優(yōu)選的是，所述步驟(n)中的酸溶液中的酸為硝酸、氯化氫、氫氟酸、磷酸中的一種或者幾種混合物，其中，酸的濃度為lX10_5iTlX10_2M，酸處理的時間為f 30分鐘。本發(fā)明還提供一種染料敏化太陽能電池用的光陽極，其為上述的方法得到的原位生長的二氧化鈦薄膜電極。本發(fā)明還提供一種染料敏化太陽能電池，其包括上述的染料敏化太陽能電池用的光陽極。本發(fā)明的有益效果該方法制得的原位生長二氧化鈦薄膜電極用作柔性染料敏 化太陽能電池的光陽極，不僅實現(xiàn)了在低溫條件下在鈦箔片基底上形成二氧化鈦薄膜，而且實現(xiàn)了二氧化鈦薄膜與鈦箔片基底的有效連接，且二氧化鈦薄膜與鈦箔片基底的結(jié)合力強，從而實現(xiàn)了光陽極中電子的有效傳輸，有利于太陽能電池光電性能的提升。使用該原位生長二氧化鈦薄膜電極做成柔性染料敏化太陽能電池后，該電池重量較導電玻璃封裝的剛性電池減輕約709^80%，提高了太陽能電池生產(chǎn)和應用的便利性。該原位生長二氧化鈦薄膜制備成本低，大大降低了柔性染料敏化太陽能電池的制作成本。


圖I是本發(fā)明實施例I制備的染料敏化太陽能電池光陽極的結(jié)構示意圖；圖中1-鈦箔片基底；2_ 二氧化鈦薄膜。
具體實施例方式為使本領域技術人員更好地理解本發(fā)明的技術方案，下面結(jié)合附圖和具體實施方式
對本發(fā)明作進一步詳細描述。在以下各實施例中，在實施光陽極的制備方法之前，需要先對鈦箔片進行預處理，以便除去鈦箔片表面的有機物和無機物。該預處理的過程可為先用洗滌劑清洗鈦箔片，再在水中超聲清洗1(T20分鐘，除去水分后，在I X IO-5M^l X IO-2M的氫氟酸中浸泡f 30分鐘，取出后放入水中超聲清洗5 10分鐘，干燥后得到的鈦箔片備用。由于對鈦箔片的預處理過程是本領域技術人員公知的，故在下述各實施例中不再對其詳細描述。下述實施例中所使用的鈦箔片，均為經(jīng)過該預處理過程處理過的鈦箔片。實施例I本實施例提供一種原位生長二氧化鈦薄膜電極的制備方法，包括以下步驟(I)將一側(cè)貼有塑料膜的鈦箔片放入到4M的氫氧化鉀溶液中，在120°C下水熱反應16小時，鈦箔片表面上的鈦會與堿反應生成納米的二氧化鈦，這樣即在鈦箔片的表面原位生長出非晶態(tài)的二氧化鈦。(2)取出鈦箔片洗凈，放入2M的鹽酸溶液中浸泡處理24小時，可以除去鈦箔片表面的特別小的非晶態(tài)的二氧化鈦。
(3)再取出鈦箔片洗凈，在惰性氣氛下，在400°C下灼燒240分鐘，非晶態(tài)的二氧化鈦反應生成晶態(tài)的二氧化鈦。(4)將灼燒后的鈦箔片放入I X IO-3M的醋酸溶液中，浸泡15分鐘，取出洗凈后干燥，可以除去鈦箔片表面的非常小的晶態(tài)的二氧化鈦，即得到原位生長的二氧化鈦薄膜電極。該原位生長的二氧化鈦薄膜電極可以用作柔性染料敏化太陽能電池的光陽極。如圖I所示，柔性染料敏化太陽能電池的光陽極包括鈦箔片基底I和二氧化鈦薄膜2。其中，鈦箔片基底I用作光陽極的導電基底層，鈦箔片基底I不僅僅重量輕，而且還是一種很好的柔性導電基底層，鈦箔片基底I的表面原位生長出來的二氧化鈦薄膜2與其牢牢地結(jié)合在一起，可以實現(xiàn)光電子在鈦箔片基底I和二氧化鈦薄膜2之間的有效傳輸。將該光陽極浸泡于濃度為5X 10_4mol/L的釕配合物N719染料[英文名RuL2 (NCS)2 2TBA (L=2,2，-bipyridyl-4,4，-dicarboxylic acid)]溶液中 24h,光陽極被染料充分敏化。然后將該光陽極與鉬對電極對接，滴入電解液，組裝成電池，電解液包括IM的Lil、0. IM的I2、0. 5M的4- 丁基吡唆，其中溶劑為丁腈和碳酸丙烯酯(PC)(體積比為I I)。測效率時使用氙燈模擬太陽光，光強為lOOmW/cm2 (用標準硅光電二極管測定光 強)，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3. 8%。該方法制得的原位生長二氧化鈦薄膜電極用作柔性染料敏化太陽能電池的光陽極，不僅實現(xiàn)了在低溫條件下在鈦箔片基底上形成二氧化鈦薄膜，而且實現(xiàn)了二氧化鈦薄膜與鈦箔片基底的有效連接，且二氧化鈦薄膜與鈦箔片基底的結(jié)合力強，從而實現(xiàn)了光陽極中電子的有效傳輸，有利于太陽能電池光電性能的提升。使用該原位生長二氧化鈦薄膜電極做成柔性染料敏化太陽能電池后，該電池重量較導電玻璃封裝的剛性電池減輕約709^80%，提高了太陽能電池生產(chǎn)和應用的便利性。該原位生長二氧化鈦薄膜制備成本低，大大降低了柔性染料敏化太陽能電池的制作成本。實施例2本實施例提供一種原位生長二氧化鈦薄膜電極的制備方法，包括以下步驟(I)將一側(cè)貼有塑料膜的鈦箔片放入到7M的氫氧化鉀和氫氧化鈉的混合溶液中(其中氫氧化鉀和氫氧化鈉的質(zhì)量比為I : 5)，在150°C下水熱反應12小時，鈦箔片表面上的鈦會與堿反應生成納米的二氧化鈦，這樣即在鈦箔片的表面原位生長出非晶態(tài)的二氧化鈦。(2)取出鈦箔片洗凈，放入IX 10_4M的氫氟酸溶液中浸泡處理5小時，可以除去鈦箔片表面的特別小的非晶態(tài)的二氧化鈦。(3)再取出鈦箔片洗凈，在惰性氣氛下，在300°C下灼燒300分鐘，非晶態(tài)的二氧化鈦反應生成晶態(tài)的二氧化鈦。(4)將灼燒后的鈦箔片放入8X 10_4M的乳酸溶液中，浸泡20分鐘，取出洗凈后干燥，可以除去鈦箔片表面的非常小的晶態(tài)的二氧化鈦，即得到原位生長的二氧化鈦薄膜電極。該原位生長的二氧化鈦薄膜電極可以用作柔性染料敏化太陽能電池的光陽極。其中，鈦箔片用作光陽極的導電基底，鈦箔片不僅僅重量輕，而且還是一種很好的柔性導電基底，鈦箔片的表面原位生長出來的二氧化鈦薄膜與鈦箔片牢牢地結(jié)合在一起。該方法制得的原位生長二氧化鈦薄膜電極用作柔性染料敏化太陽能電池的光陽極，使用本實施例中光陽極制備染料敏化太陽能電池的方法如同實施例1，測效率時使用氙燈模擬太陽光，光強為lOOmW/cm2 (用標準硅光電二極管測定光強)，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4. 1%。實施例3本實施例提供一種原位生長二氧化鈦薄膜電極的制備方法，包括以下步驟(I)將一側(cè)貼有塑料膜的鈦箔片放入到15M的氫氧化鈉溶液中，在100°C下水熱反應24小時，鈦箔片表面上的鈦會與堿反應生成納米的二氧化鈦，這樣即在鈦箔片的表面原位生長出非晶態(tài)的二氧化鈦。(2)取出鈦箔片洗凈，放入IOM的磷酸溶液中浸泡處理3小時，可以除去鈦箔片表面的特別小的非晶態(tài)的二氧化鈦。(3)再取出鈦箔片洗凈，在惰性氣氛下，在600°C下灼燒30分鐘，非晶態(tài)的二氧化 鈦反應生成晶態(tài)的二氧化鈦。(4)將灼燒后的鈦箔片放入I X IO-5M的氫氟酸溶液中，浸泡10分鐘，取出洗凈后干燥，可以除去鈦箔片表面的非常小的晶態(tài)的二氧化鈦，即得到原位生長的二氧化鈦薄膜電極。該原位生長的二氧化鈦薄膜電極可以用作柔性染料敏化太陽能電池的光陽極。其中，鈦箔片用作光陽極的導電基底，鈦箔片不僅僅重量輕，而且還是一種很好的柔性導電基底，鈦箔片的表面原位生長出來的二氧化鈦薄膜與鈦箔片牢牢地結(jié)合在一起。該方法制得的原位生長二氧化鈦薄膜電極用作柔性染料敏化太陽能電池的光陽極，使用本實施例中光陽極制備染料敏化太陽能電池的方法如同實施例1，測效率時使用氙燈模擬太陽光，光強為lOOmW/cm2 (用標準硅光電二極管測定光強)，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3. 5%。實施例4本實施例提供一種原位生長二氧化鈦薄膜電極的制備方法，包括以下步驟(I)將一側(cè)貼有塑料膜的鈦箔片放入到0. IM的四乙基氫氧化銨溶液中，在200°C下水熱反應I小時，鈦箔片表面上的鈦會與堿反應生成納米的二氧化鈦，這樣即在鈦箔片的表面原位生長出非晶態(tài)的二氧化鈦。(2)取出鈦箔片洗凈，放入4M的硝酸溶液中浸泡處理10小時，可以除去鈦箔片表面的特別小的非晶態(tài)的二氧化鈦。(3)再取出鈦箔片洗凈，在惰性氣氛下，在500°C下灼燒100分鐘，非晶態(tài)的二氧化鈦反應生成晶態(tài)的二氧化鈦。(4)將灼燒后的鈦箔片放入I X 10_4M的鹽酸溶液中，浸泡30分鐘，取出洗凈后干燥，可以除去鈦箔片表面的非常小的晶態(tài)的二氧化鈦，即得到原位生長的二氧化鈦薄膜電極。該原位生長的二氧化鈦薄膜電極可以用作柔性染料敏化太陽能電池的光陽極。其中，鈦箔片用作光陽極的導電基底，鈦箔片不僅僅重量輕，而且還是一種很好的柔性導電基底，鈦箔片的表面原位生長出來的二氧化鈦薄膜與鈦箔片牢牢地結(jié)合在一起。該方法制得的原位生長二氧化鈦薄膜電極用作柔性染料敏化太陽能電池的光陽極，使用本實施例中光陽極制備染料敏化太陽能電池的方法如同實施例1，測效率時使用氙燈模擬太陽光，光強為lOOmW/cm2 (用標準硅光電二極管測定光強)，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4. 3%。實施例5
本實施例提供一種原位生長二氧化鈦薄膜電極的制備方法，包括以下步驟(I)將一側(cè)貼有塑料膜的鈦箔片放入到IM的氫氧化鈣溶液中，在180°C下水熱反應5小時，鈦箔片表面上的鈦會與堿反應生成納米的二氧化鈦，這樣即在鈦箔片的表面原位生長出非晶態(tài)的二氧化鈦。(2)取出鈦箔片洗凈，放入6M的醋酸溶液中浸泡處理48小時，可以除去鈦箔片表面的特別小的非晶態(tài)的二氧化鈦。(3)再取出鈦箔片洗凈，在惰性氣氛下，在200°C下灼燒480分鐘，非晶態(tài)的二氧化鈦反應生成晶態(tài)的二氧化鈦。(4)將灼燒后的鈦箔片放入I X 10_2M的磷酸和鹽酸的混合溶液中(其中磷酸和氯化氫的質(zhì)量比為8 1)，浸泡I分鐘，取出洗凈后干燥，可以除去鈦箔片表面的非常小的晶態(tài)的二氧化鈦，即得到原位生長的二氧化鈦薄膜電極。該原位生長的二氧化鈦薄膜電極可以用作柔性染料敏化太陽能電池的光陽極。其中，鈦箔片用作光陽極的導電基底，鈦箔片不 僅僅重量輕，而且還是一種很好的柔性導電基底，鈦箔片的表面原位生長出來的二氧化鈦薄膜與鈦箔片牢牢地結(jié)合在一起。該方法制得的原位生長二氧化鈦薄膜電極用作柔性染料敏化太陽能電池的光陽極，使用本實施例中光陽極制備染料敏化太陽能電池的方法如同實施例1，測效率時使用氙燈模擬太陽光，光強為lOOmW/cm2 (用標準硅光電二極管測定光強)，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3. 9%。實施例6本實施例提供一種原位生長二氧化鈦薄膜電極的制備方法，包括以下步驟(I)將一側(cè)貼有塑料膜的鈦箔片放入到0. SM的四甲基氫氧化銨溶液中，在160°C下水熱反應8小時，鈦箔片表面上的鈦會與堿反應生成納米的二氧化鈦，這樣即在鈦箔片的表面原位生長出非晶態(tài)的二氧化鈦。(2)取出鈦箔片洗凈，放入SM的乳酸和鹽酸溶液中浸泡處理12小時(其中乳酸和氯化氫的質(zhì)量比為10 I)，可以除去鈦箔片表面的特別小的非晶態(tài)的二氧化鈦。(3)再取出鈦箔片洗凈，在惰性氣氛下，在450°C下灼燒120分鐘，非晶態(tài)的二氧化鈦反應生成晶態(tài)的二氧化鈦。(4)將灼燒后的鈦箔片放入5X 10_3M的硝酸溶液中，浸泡10分鐘，取出洗凈后干燥，可以除去鈦箔片表面的非常小的晶態(tài)的二氧化鈦，即得到原位生長的二氧化鈦薄膜電極。該原位生長的二氧化鈦薄膜電極可以用作柔性染料敏化太陽能電池的光陽極。其中，鈦箔片用作光陽極的導電基底，鈦箔片不僅僅重量輕，而且還是一種很好的柔性導電基底，鈦箔片的表面原位生長出來的二氧化鈦薄膜與鈦箔片牢牢地結(jié)合在一起。該方法制得的原位生長二氧化鈦薄膜電極用作柔性染料敏化太陽能電池的光陽極，使用本實施例中光陽極制備染料敏化太陽能電池的方法如同實施例1，測效率時使用氙燈模擬太陽光，光強為lOOmW/cm2 (用標準硅光電二極管測定光強)，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3. 7%?？梢岳斫獾氖牵陨蠈嵤┓绞絻H僅是為了說明本發(fā)明的原理而采用的示例性實施方式，然而本發(fā)明并不局限于此。對于本領域內(nèi)的普通技術人員而言，在不脫離本發(fā)明的精神和實質(zhì)的情況下，可以做出各種變型和改進，這些變型和改進也視為本發(fā)明的保護范圍。
權利要求
1.一種原位生長二氧化鈦薄膜電極的方法，其特征在于，包括以下步驟 (1)將第一鈦箔片放入到堿溶液中水熱反應，得到第二鈦箔片； (2)取出第二鈦箔片，在惰性氣氛下灼燒，得到原位生長的二氧化鈦薄膜電極。
2.根據(jù)權利要求I所述的原位生長二氧化鈦薄膜電極的方法，其特征在于，所述步驟(1)中堿溶液中的堿為氫氧化鉀、氫氧化鈉、氫氧化鈣、四甲基氫氧化銨、四乙基氫氧化銨中的一種或者幾種混合物，其中堿的濃度為O. 1Μ 15Μ。
3.根據(jù)權利要求I所述的原位生長二氧化鈦薄膜電極的方法，其特征在于，所述步驟(O中水熱反應的溫度為10(T200°C，水熱反應的時間為廣24小時。
4.根據(jù)權利要求I所述的原位生長二氧化鈦薄膜電極的方法，其特征在于，所述步驟(2)的灼燒的溫度為20(T600°C，灼燒的時間為3(Γ480分鐘。
5.根據(jù)權利要求I所述的原位生長二氧化鈦薄膜電極的方法，其特征在于，在所述步驟(I)和所述步驟(2 )之間還包括 步驟(m)將第二鈦箔片放入到酸溶液中處理。
6.根據(jù)權利要求5所述的原位生長二氧化鈦薄膜電極的方法，其特征在于，所述步驟Cm)中的酸溶液中的酸為硝酸、氯化氫、氫氟酸、磷酸、醋酸、乳酸中的一種或者幾種的混合物，其中，酸的濃度為1Χ10_4Μ 10Μ，酸處理的時間為3 48小時。
7.根據(jù)權利要求I所述的原位生長二氧化鈦薄膜電極的方法，其特征在于，在所述步驟(2)之后還包括 步驟(η)將步驟(2)得到的原位生長二氧化鈦薄膜電極放入到酸中處理。
8.根據(jù)權利要求7所述的原位生長二氧化鈦薄膜電極的方法，其特征在于，所述步驟(η )中的酸溶液中的酸為硝酸、氯化氫、氫氟酸、磷酸中的一種或者幾種混合物，其中，酸的濃度為I X 10_5iTl X 10_2Μ，酸處理的時間為f 30分鐘。
9.一種染料敏化太陽能電池用的光陽極，其特征在于，其為權利要求Γ8任意一項所述的方法得到的原位生長的二氧化鈦薄膜電極。
10.一種染料敏化太陽能電池，其特征在于，其包括權利要求9所述的染料敏化太陽能電池用的光陽極。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種原位生長二氧化鈦薄膜電極的方法、光陽極、太陽能電池。該原位生長二氧化鈦薄膜電極的方法，包括以下步驟(1)將第一鈦箔片放入到堿溶液中水熱反應，得到第二鈦箔片；(2)取出第二鈦箔片，在惰性氣氛下灼燒，得到原位生長的二氧化鈦薄膜電極。該方法制得的原位生長二氧化鈦薄膜電極用作柔性染料敏化太陽能電池的光陽極，不僅實現(xiàn)了在低溫條件下在柔性導電膜基底上形成二氧化鈦薄膜，而且實現(xiàn)了二氧化鈦薄膜與柔性導電膜基底的有效連接，且二氧化鈦薄膜與柔性導電膜基底的結(jié)合力強，從而實現(xiàn)了光陽極中電子的有效傳輸，有利于太陽能電池光電性能的提升。
文檔編號H01G9/20GK102800495SQ201210284908
公開日2012年11月28日 申請日期2012年8月10日 優(yōu)先權日2012年8月10日
發(fā)明者盧磊, 曾紹忠, 焦方方, 陳效華 申請人:奇瑞汽車股份有限公司