本申請(qǐng)涉及染料敏化太陽能的光陽極材料領(lǐng)域，尤其涉及一種基于雙層復(fù)合結(jié)構(gòu)的光陽極。
背景技術(shù)：
在現(xiàn)階段，染料敏化太陽能電池的發(fā)展具備很好的前景，染料敏化太陽能電池以廉價(jià)的成本和簡(jiǎn)單的制作工藝成為太陽能電池的主流。染料敏化太陽能電池主要包括對(duì)電極、光陽極、染料敏化劑、電解質(zhì)等構(gòu)成，其中，光陽極是電池中的核心部件，目前，光陽極主要是納米晶的二氧化鈦薄膜。
隨著染料敏化太陽能電池研究的深入，納米晶二氧化鈦薄膜漿料、電解液、各種染料、對(duì)電極等的研究均正在展開，同時(shí)也有更多的企業(yè)、研究機(jī)構(gòu)將其產(chǎn)業(yè)化，因此，在現(xiàn)有基礎(chǔ)上，進(jìn)一步提高光電轉(zhuǎn)換效率、降低成本、提高穩(wěn)定性是發(fā)展的必然趨勢(shì)。由于二氧化鈦薄膜光陽極存在各種缺陷，因此，開發(fā)更好性能的光陽極對(duì)于染料敏化太陽能電池的發(fā)展至關(guān)重要。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
本發(fā)明旨在提供一種基于雙層復(fù)合結(jié)構(gòu)的光陽極，以解決上述提出問題。
本發(fā)明的實(shí)施例中提供了一種基于雙層復(fù)合結(jié)構(gòu)的光陽極，該光陽極具體結(jié)構(gòu)為：以fto為基底，在fto基底表面水熱生長(zhǎng)有二氧化鈦納米棒層，然后在二氧化鈦納米棒層之間設(shè)有氧化鋅微球?qū)?、在二氧化鈦納米棒層之上設(shè)有二氧化鈦空心球?qū)印?/p>
本發(fā)明的實(shí)施例提供的技術(shù)方案可以包括以下有益效果：
本發(fā)明的光陽極中，以fto為基底，在fto基底表面水熱生長(zhǎng)有二氧化鈦納米棒層，然后在二氧化鈦納米棒層之間設(shè)有氧化鋅微球?qū)?、在二氧化鈦納米棒層之上設(shè)有二氧化鈦空心球?qū)?；二氧化鈦納米棒層和二氧化鈦空心球?qū)訕?gòu)成雙層結(jié)構(gòu)，同時(shí)二氧化鈦納米棒層之間設(shè)有氧化鋅微球?qū)?，進(jìn)一步構(gòu)成雙層復(fù)合結(jié)構(gòu)光陽極，實(shí)現(xiàn)了二氧化鈦光陽極的多功能化，在上述二氧化鈦納米棒、氧化鋅微球、二氧化鈦空心球三種物質(zhì)的協(xié)同作用下，使得本申請(qǐng)的光陽極在比表面積、電子傳輸性能、染料吸附性能、光散射性能方面均有較大的提高，有效提高了光電轉(zhuǎn)換效率。
本申請(qǐng)附加的方面和優(yōu)點(diǎn)將在下面的描述中部分給出，部分將從下面的描述中變得明顯，或通過本申請(qǐng)的實(shí)踐了解到。應(yīng)當(dāng)理解的是，以上的一般描述和后文的細(xì)節(jié)描述僅是示例性和解釋性的，并不能限制本申請(qǐng)。
附圖說明
利用附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說明，但附圖中的實(shí)施例不構(gòu)成對(duì)本發(fā)明的任何限制，對(duì)于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員，在不付出創(chuàng)造性勞動(dòng)的前提下，還可以根據(jù)以下附圖獲得其它的附圖。
圖1是本發(fā)明光陽極的結(jié)構(gòu)示意圖；
其中，23-fto基底，24-二氧化鈦納米棒層，25-氧化鋅微球?qū)樱?6-二氧化鈦空心球?qū)印?/p>
具體實(shí)施方式
這里將詳細(xì)地對(duì)示例性實(shí)施例進(jìn)行說明，其示例表示在附圖中。下面的描述涉及附圖時(shí)，除非另有表示，不同附圖中的相同數(shù)字表示相同或相似的要素。以下示例性實(shí)施例中所描述的實(shí)施方式并不代表與本發(fā)明相一致的所有實(shí)施方式。相反，它們僅是與如所附權(quán)利要求書中所詳述的、本發(fā)明的一些方面相一致的裝置和方法的例子。
本申請(qǐng)涉及一種基于雙層復(fù)合結(jié)構(gòu)的光陽極，該光陽極應(yīng)用于染料敏化太陽能電池中，一般來說，染料敏化太陽能電池包括光陽極、對(duì)電極和電解質(zhì)，其中，光陽極表面吸附染料敏化劑。
本申請(qǐng)的光陽極，為一種雙層復(fù)合結(jié)構(gòu)的光陽極，具體結(jié)構(gòu)為：以fto為基底，在fto基底23表面水熱生長(zhǎng)有二氧化鈦納米棒層24，然后在二氧化鈦納米棒層24之間設(shè)有氧化鋅微球?qū)?5、在二氧化鈦納米棒層24之上設(shè)有二氧化鈦空心球?qū)?6，具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。
現(xiàn)階段染料敏化太陽能電池的光陽極中，主要應(yīng)用單一結(jié)構(gòu)的二氧化鈦顆粒材料，在二氧化鈦顆粒材料表面吸附染料分子，用以吸收光能，顆粒形貌的材料雖然具有較大的比表面積，但是其顆粒與顆粒接觸時(shí)存在較大的阻抗，不能提供電子傳輸?shù)捻槙惩ǖ馈?/p>
因此本申請(qǐng)的光陽極中，結(jié)合二氧化鈦納米棒材料和空心球材料，構(gòu)成雙層復(fù)合結(jié)構(gòu)的光陽極，實(shí)現(xiàn)了二氧化鈦光陽極的多功能化，在這樣結(jié)構(gòu)的光陽極中，二氧化鈦納米棒與二氧化鈦空心球結(jié)合，納米棒提供電子傳輸?shù)捻槙惩ǖ?，二氧化鈦空心球提供較大的比表面積。
在一種優(yōu)選地實(shí)施方式中，該光陽極中，二氧化鈦納米棒層厚度為6μm，二氧化鈦納米棒直徑為150nm。
該二氧化鈦納米棒層設(shè)于二氧化鈦空心球與fto基底之間，解決了二氧化鈦空心球與fto基底接觸性能不好的問題，同時(shí)，二氧化鈦納米棒與二氧化鈦空心球同屬二氧化鈦材料，有效提高了電子傳輸?shù)倪B通性，此外，每根二氧化鈦納米棒整齊的設(shè)于fto基底上，兩兩之間形成“u”形結(jié)構(gòu)，在這種“u”形結(jié)構(gòu)中，當(dāng)光線射入時(shí)，會(huì)產(chǎn)生駐波效應(yīng)，延遲光線在二氧化鈦納米棒層中的傳播路徑，從而提高光陽極對(duì)光的吸收。
在一種優(yōu)選地實(shí)施方式中，該光陽極中，氧化鋅微球?qū)雍穸葹?μm，該氧化鋅微球的直徑為500nm，上述的氧化鋅微球是由氧化鋅納米顆粒團(tuán)聚而成的，該氧化鋅納米顆粒直徑為20nm。
在二氧化鈦納米棒之間還設(shè)有氧化鋅微球，氧化鋅是一種具有多種功能的半導(dǎo)體材料，其在氣體傳感器、場(chǎng)致電子發(fā)射等領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用，將氧化鋅材料與二氧化鈦材料結(jié)合作為光陽極材料的技術(shù)方案不多，本申請(qǐng)中，在二氧化鈦納米棒層之間設(shè)有氧化鋅微球，氧化鋅與二氧化鈦具有相似的禁帶寬度和電子親和性，二氧化鈦納米棒與氧化鋅微球結(jié)合，使得染料的吸附大大增加，對(duì)光陽極的光電轉(zhuǎn)換效率的提高產(chǎn)生了積極效果。
在一種優(yōu)選地實(shí)施方式中，該光陽極中，該二氧化鈦空心球直徑為20μm，該二氧化鈦空心球是以花粉為模板制備的，該二氧化鈦空心球的球殼層是由二氧化鈦納米晶團(tuán)聚而成。
由于上述二氧化鈦空心球以花粉為模板制備，因此，其球殼層表面表現(xiàn)為類似花粉的開放的孔網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，在該種結(jié)構(gòu)下，具有較大的比表面積和多孔結(jié)構(gòu)，使其不僅能有效增加吸附染料，而且同時(shí)有利于電解質(zhì)的擴(kuò)散和光的散射，從而提高光電轉(zhuǎn)化效率。
綜上，在本申請(qǐng)的光陽極中，在上述二氧化鈦納米棒、氧化鋅微球、二氧化鈦空心球三種物質(zhì)的協(xié)同作用下，使得本申請(qǐng)的光陽極在比表面積、電子傳輸性能、染料吸附性能、光散射性能方面均有較大的提高，有效提高了光電轉(zhuǎn)換效率。
下面通過實(shí)施例比較本申請(qǐng)的光陽極(實(shí)施例1)與沒有設(shè)置氧化鋅微球?qū)?實(shí)施例2)或沒有設(shè)置二氧化鈦空心球?qū)?實(shí)施例3)光陽極的性能。
實(shí)施例1
在本實(shí)施例的染料敏化太陽能電池中，該光陽極包括fto基底、二氧化鈦納米棒層、二氧化鈦空心球?qū)雍脱趸\微球?qū)?，所述光陽極的制備過程如下：
步驟1，制備二氧化鈦納米棒層
首先，取25ml的鹽酸滴加到25ml的去離子水中，攪拌均勻，然后用移液槍取1ml的ti(oc4h9)逐滴滴加到正在攪拌的鹽酸水溶液中，攪拌30min，得到前驅(qū)體溶液，將此前驅(qū)體溶液轉(zhuǎn)移到水熱釜中，同時(shí)往水熱釜中放入清洗干凈的fto玻璃，導(dǎo)電面朝上，在180℃下水熱5h，取出fto玻璃用去離子水和乙醇反復(fù)清洗干凈，在空氣中晾干，即可在fto基底上得到二氧化鈦納米棒層；
步驟2，制備氧化鋅微球?qū)?/p>
首先，取500ml的甲醇溶液和8g的二水乙酸鋅，在磁力攪拌下將二水乙酸鋅完全溶于甲醇溶液中，攪拌均勻，然后將上步得到的fto基底放入該甲醇溶液中，導(dǎo)電面朝上，恒溫60℃反應(yīng)24h，然后清洗、干燥后，將該fto基底在360℃下煅燒50min，升溫速率為9℃/min，煅燒后自然降溫，在fto基底的二氧化鈦納米棒層之間得到氧化鋅微球?qū)樱?/p>
步驟3，制備二氧化鈦空心球?qū)?/p>
a)首先制備二氧化鈦空心球：首先，篩選出直徑20μm的油菜花花粉，取6g用酒精漂洗、干燥；
然后，向150ml的去例子水中加入3g的ti(so4)2，攪拌20min，再向上述去離子水中加入0.42g的氟化銨和1.2g的尿素，攪拌30min，再向上述去離子水中加入6g花粉，攪拌10min，然后將上述去離子水轉(zhuǎn)移到水熱釜中，將其在180℃水熱反應(yīng)15h，反應(yīng)結(jié)束后，收集水熱釜中白色沉淀，并將其清洗干凈，在干燥箱中80℃下干燥10h后得到二氧化鈦空心球；
b)制備二氧化鈦空心球?qū)樱菏紫?，取上述得到的二氧化鈦空心?g，松油醇7g，10％的乙基纖維素乙醇溶液9g，將上述物質(zhì)放入30ml的無水乙醇溶液中，不斷磁力攪拌，直至乙醇揮發(fā)變?yōu)檎承詽{料，得到二氧化鈦空心球漿料；
取少量二氧化鈦空心球漿料涂覆在步驟2中得到的fto基底表面，晾干后，放入馬弗爐中440℃退火1h，480℃退火1h，升溫速率為1℃/min，退火結(jié)束后，得到本申請(qǐng)雙層復(fù)合結(jié)構(gòu)的光陽極。
實(shí)施例2
在本實(shí)施例中，該光陽極包括fto基底、二氧化鈦納米棒層、二氧化鈦空心球?qū)?，所述光陽極的制備過程如下：
步驟1，制備二氧化鈦納米棒層
首先，取25ml的鹽酸滴加到25ml的去離子水中，攪拌均勻，然后用移液槍取1ml的ti(oc4h9)逐滴滴加到正在攪拌的鹽酸水溶液中，攪拌30min，得到前驅(qū)體溶液，將此前驅(qū)體溶液轉(zhuǎn)移到水熱釜中，同時(shí)往水熱釜中放入清洗干凈的fto玻璃，導(dǎo)電面朝上，在180℃下水熱5h，取出fto玻璃用去離子水和乙醇反復(fù)清洗干凈，在空氣中晾干，即可在fto基底上得到二氧化鈦納米棒層；
步驟2，制備二氧化鈦空心球?qū)?/p>
a)首先制備二氧化鈦空心球：首先，篩選出直徑20μm的油菜花花粉，取6g用酒精漂洗、干燥；
然后，向150ml的去例子水中加入3g的ti(so4)2，攪拌20min，再向上述去離子水中加入0.42g的氟化銨和1.2g的尿素，攪拌30min，再向上述去離子水中加入6g花粉，攪拌10min，然后將上述去離子水轉(zhuǎn)移到水熱釜中，將其在180℃水熱反應(yīng)15h，反應(yīng)結(jié)束后，收集水熱釜中白色沉淀，并將其清洗干凈，在干燥箱中80℃下干燥10h后得到二氧化鈦空心球；
b)制備二氧化鈦空心球?qū)樱菏紫?，取上述得到的二氧化鈦空心?g，松油醇7g，10％的乙基纖維素乙醇溶液9g，將上述物質(zhì)放入30ml的無水乙醇溶液中，不斷磁力攪拌，直至乙醇揮發(fā)變?yōu)檎承詽{料，得到二氧化鈦空心球漿料；取少量二氧化鈦空心球漿料涂覆在步驟1中得到的fto基底表面，晾干后，放入馬弗爐中440℃退火1h，480℃退火1h，升溫速率為1℃/min，退火結(jié)束后，得到光陽極。
實(shí)施例3
在本實(shí)施例中，該光陽極包括fto基底、二氧化鈦納米棒層、氧化鋅微球?qū)?，所述光陽極的制備過程如下：
步驟1，制備二氧化鈦納米棒層
首先，取25ml的鹽酸滴加到25ml的去離子水中，攪拌均勻，然后用移液槍取1ml的ti(oc4h9)逐滴滴加到正在攪拌的鹽酸水溶液中，攪拌30min，得到前驅(qū)體溶液，將此前驅(qū)體溶液轉(zhuǎn)移到水熱釜中，同時(shí)往水熱釜中放入清洗干凈的fto玻璃，導(dǎo)電面朝上，在180℃下水熱5h，取出fto玻璃用去離子水和乙醇反復(fù)清洗干凈，在空氣中晾干，即可在fto基底上得到二氧化鈦納米棒層；
步驟2，制備氧化鋅微球?qū)?/p>
首先，取500ml的甲醇溶液和8g的二水乙酸鋅，在磁力攪拌下將二水乙酸鋅完全溶于甲醇溶液中，攪拌均勻，然后將上步得到的fto基底放入該甲醇溶液中，導(dǎo)電面朝上，恒溫60℃反應(yīng)24h，然后清洗、干燥后，將該fto基底在360℃下煅燒50min，升溫速率為9℃/min，煅燒后自然降溫，在fto基底的二氧化鈦納米棒層之間得到氧化鋅微球?qū)樱玫焦怅枠O。
將制備好的上述三種光陽極放入50mmol/ln719釕染料的無水乙醇溶液中浸泡24h，取出后用無水乙醇洗去表面殘留的染料敏化劑，吹干后避光保存；在事先打過一個(gè)小孔并清洗干凈的fto基底上印刷一層鉑漿料，在馬弗爐中420℃下燒結(jié)30min，得到負(fù)載有鉑電極的對(duì)電極。
然后將上述得到的吸附有染料的三種光陽極分別與對(duì)電極對(duì)疊，封裝，注入電解液，封住小孔，組裝成染料敏化太陽能電池。
其中，以實(shí)施例1所制備的光陽極得到的電池記為電池1，以實(shí)施例2所制備的光陽極得到的電池記為電池2，以實(shí)施例3所制備的光陽極得到的電池記為電池3。
采用keithley2400數(shù)字電源表和太陽光模擬器(光源500w的氙燈，am＝1.5)測(cè)試得到的電池1～3的i-v特征曲線，從測(cè)試結(jié)果中得到三種染料電池的開路電壓voc，短路電流密度jsc，光電轉(zhuǎn)換效率η，其結(jié)果如下表1三種不同染料敏化太陽能電池性能對(duì)照表。
表1三種不同染料敏化太陽能電池性能對(duì)照表
對(duì)比電池1～3，可以發(fā)現(xiàn)，電池1的光陽極包括二氧化鈦納米棒層、二氧化鈦空心球?qū)雍脱趸\微球?qū)?，其開路電壓為0.83v，短路電流密度為19.66ma/cm2，光電轉(zhuǎn)換效率為10.58％，相較于電池1、電池2，表現(xiàn)較高的光電轉(zhuǎn)換效率。
以上所述僅為本發(fā)明的較佳方式，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。