一種染料敏化太陽(yáng)能電池光陽(yáng)極及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于太陽(yáng)能電池技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種染料敏化太陽(yáng)能電池光陽(yáng)極及其制備 方法。 二、
【背景技術(shù)】
[0002] 可再生能源的開發(fā)利用是解決化石燃料危機(jī)和全球變暖的主要解決方案。到目 前為止，在眾多的可再生能源中，太陽(yáng)能是一種取之不盡、用之不竭、清潔可再生能源，具 有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)和巨大的開發(fā)利用潛力，是未來最具發(fā)展前途的新能源。自從1991年由 格蘭澤爾（GKUzd)教授等第一次制備了多孔二氧化鈦納米材料的染料敏化太陽(yáng)能電池 (Dye-SensitizedSolarCell，以下簡(jiǎn)稱DSSC)以來，由于其具有較高的光電轉(zhuǎn)換效率、低 廉的成本和簡(jiǎn)單的制備方法而被認(rèn)為是在可再生能源領(lǐng)域中最有前途的太陽(yáng)能電池。通 常，一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的染料敏化太陽(yáng)能電池的光陽(yáng)極包括染料敏化納米晶二氧化鈦多孔膜、對(duì)電 極和電解質(zhì)。
[0003] 光陽(yáng)極在染料敏化太陽(yáng)能電池中起著非常重要的作用，是光敏化劑的載體，也是 收集電子和傳輸電子的介質(zhì)。為了提高染料敏化太陽(yáng)能電池的光電轉(zhuǎn)換效率，科研工作 者們采用了不同的技術(shù)和方法，如控制二氧化鈦光陽(yáng)極的各種納米結(jié)構(gòu)形貌，以及提高染 料對(duì)可見光和近紅外光的有效吸收能力等。吸附在多孔二氧化鈦表面上的染料在吸收太 陽(yáng)光方面起著重要的作用。但是，染料敏化太陽(yáng)能電池不能有效吸收近紅外和紅外光，限 制了電池的光子-電子轉(zhuǎn)換效率。為了克服這個(gè)不足，能夠?qū)⒓t外光轉(zhuǎn)變?yōu)榭梢姽獾纳?轉(zhuǎn)換材料引入染料敏化太陽(yáng)能電池，被認(rèn)為是最有潛力的解決辦法，并且已經(jīng)被用于該電 池。目前公認(rèn)的效率最高的稀土摻雜上轉(zhuǎn)換發(fā)光材料為e-NaYF4:Er3+，Yb3+。雖然關(guān)于 0 -NaYF4:Er3+，Yb3+在染料敏化太陽(yáng)能電池中的應(yīng)用已經(jīng)有很多報(bào)導(dǎo)，但已有的方法在工藝 的復(fù)雜程度和產(chǎn)品性能上并不能達(dá)到令人滿意的程度。三、
【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明是為避免上述現(xiàn)有技術(shù)所存在的不足之處，提供一種工藝簡(jiǎn)單、能更加有 效改善電池的光電轉(zhuǎn)換性能、提高太陽(yáng)能電池的光電轉(zhuǎn)換效率的染料敏化太陽(yáng)能電池光陽(yáng) 極及其制備方法。
[0005] 本發(fā)明解決技術(shù)問題采用如下技術(shù)方案：
[0006] 本發(fā)明染料敏化太陽(yáng)能電池光陽(yáng)極，其特點(diǎn)在于：是以稀土摻雜上轉(zhuǎn)換發(fā) 光材料與TiO2的復(fù)合材料作為光陽(yáng)極材料。其中，所述稀土摻雜上轉(zhuǎn)換發(fā)光材料為 0 -NaYF4:Er3+，Yb3+上轉(zhuǎn)換材料。在所述復(fù)合材料中稀土摻雜上轉(zhuǎn)換發(fā)光材料占TiO2質(zhì)量 的 2. 5 ~20%。
[0007] 上述染料敏化太陽(yáng)能電池光陽(yáng)極的制備方法，其特點(diǎn)在于按如下步驟進(jìn)行：
[0008] a、制備摻雜 0 -NaYF4 =Er3+,Yb3+的TiO2漿料：
[0009] 將0 -NaYF4:Er3+，Yb3+上轉(zhuǎn)換材料與二氧化鈦混合并研磨均勾，依次加入乙酸和去 離子水，攪拌均勻；再依次加入無水乙醇、松油醇和乙基纖維素，最后磁力攪拌、超聲分散、 旋蒸，獲得摻雜0 -NaYF4 :Er3+，Yb3+的TiO2衆(zhòng)料；
[0010] 步驟a中二氧化鈦、乙酸、去離子水、無水乙醇、松油醇和乙基纖維素的用量比為： 0? 5g:0?ImL:50yL:50mL:1. 8g:0? 25g;所述 0 -NaYF4 =Er3+,Yb3+上轉(zhuǎn)換材料的質(zhì)量占二氧 化鈦質(zhì)量的2. 5~20%。
[0011]b、制備0 -NaYF4:Er3+，Yb3+OTiO2復(fù)合材料光陽(yáng)極薄膜
[0012] 將FTO導(dǎo)電玻璃浸泡在TiCl4水溶液中進(jìn)行TiCl4預(yù)處理，然后在馬弗爐中500°C 煅燒30min;采用絲網(wǎng)印刷法將步驟a制得的摻雜0 -NaYF4 =Er3+，Yb3+的TiO2衆(zhòng)料印刷于 FTO導(dǎo)電玻璃上，靜置、干燥，然后置在馬弗爐中500°C下煅燒30min;自然降溫至室溫后，再 浸泡在TiCl4水溶液中進(jìn)行TiCl4后處理，取出后再次置于馬弗爐中500°C下煅燒30min，即 在FTO導(dǎo)電玻璃表面形成0 -NaYF4 :Er3+，Yb3+OTiO^合材料光陽(yáng)極薄膜；
[0013] c、制備染料敏化太陽(yáng)能電池光陽(yáng)極
[0014] 在步驟b中表面形成有0 -NaYF4:Er3+，Yb3+OTiO2M合材料光陽(yáng)極薄膜的FTO導(dǎo)電 玻璃降溫至100-120°C時(shí)，浸泡在N719染料中，取出后用無水乙醇沖洗、吹干，即獲得以稀 土摻雜上轉(zhuǎn)換發(fā)光材料與TiO2的復(fù)合材料作為光陽(yáng)極材料的染料敏化太陽(yáng)能電池光陽(yáng)極。
[0015] 上述染料敏化太陽(yáng)能電池光陽(yáng)極的制備方法優(yōu)選為：
[0016] a、制備摻雜 0 -NaYF4 =Er3+,Yb3+的TiO2漿料：
[0017] 取P25粉0. 5g，將0-似￥?451'3+，￥13 3+上轉(zhuǎn)換材料與？25粉混合并研磨均勻得混合 物料；以每次10yL的加入量、分10次向混合物料中加入0.ImL乙酸，每次加入乙酸后研磨 3min;再以每次10yL的加入量、分5次向混合物料中加入50yL去離子水，每次加入去離 子水后研磨3min;再向所述混合物料中滴加IOmL無水乙醇，并研磨攪拌均勾；最后再向所 述混合物料中加入40mL無水乙醇，獲得混合液；
[0018] 將所述混合液移入燒杯中，磁力攪拌20min，再交替進(jìn)行超聲分散和磁力攪拌各 20次，每次Imin;然后向所述混合液中加入I.Sg松油醇，交替進(jìn)行超聲分散和磁力攪拌各 20次，每次Imin;再向所述混合液中加入0. 25g乙基纖維素，交替進(jìn)行超聲分散和磁力攪拌 各20次，每次Imin;最后將混合液在旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀中50-55°C下旋轉(zhuǎn)蒸餾1. 5-2小時(shí)，獲得摻 雜 0 -NaYF4:Er3+，Yb3+的TiO2漿料；
[0019] b、制備0-NaYF4:Er3+，Yb3+OTiO2復(fù)合材料光陽(yáng)極薄膜
[0020] 將FTO導(dǎo)電玻璃浸泡在0? 5mM的TiCl4水溶液中，70°C保持30min，進(jìn)行TiCl4預(yù)處 理，然后在馬弗爐中500°C煅燒30min;采用絲網(wǎng)印刷法，用300-450目的絲網(wǎng)將步驟a制得 的摻雜0 -NaYF4:Er3+,Yb3+的TiO2漿料印刷于FTO導(dǎo)電玻璃上，靜置3min、125°C干燥6min， 重復(fù)印刷、靜置和干燥，重復(fù)的次數(shù)根據(jù)所要求的0 -NaYF4:Er3+，￥133+@1102復(fù)合材料光陽(yáng)極 薄膜的厚度來決定；
[0021] 然后置在馬弗爐中500°C下煅燒30min;自然降溫至室溫后，再浸泡在0. 5mM的 TiCl4水溶液中，70°C下保持30min，進(jìn)行TiCl4后處理，取出后再次置于馬弗爐中500°C下 煅燒30min，即在FTO導(dǎo)電玻璃表面形成0 -NaYF4 =Er3+, ￥133+@1102復(fù)合材料光陽(yáng)極薄膜；
[0022] c、制備染料敏化太陽(yáng)能電池光陽(yáng)極
[0023] 在步驟b中表面形成有0 -NaYF4:Er3+，Yb3+OTiO^合材料光陽(yáng)極薄膜的FTO導(dǎo)電 玻璃降溫至100-120°C時(shí)，放入濃度為50mM的N719染料的無水乙醇溶液中浸泡12-24小 時(shí)，取出后用無水乙醇沖洗去除表面殘留的染料，最后吹干，即獲得以稀土摻雜上轉(zhuǎn)換發(fā)光 材料與TiO2的復(fù)合材料作為光陽(yáng)極材料的染料敏化太陽(yáng)能電池光陽(yáng)極。
[0024] 與已有技術(shù)相比，本發(fā)明有益效果體現(xiàn)在：
[0025] 1、本發(fā)明使用稀土摻雜上轉(zhuǎn)換發(fā)光材料與二氧化鈦復(fù)合材料制備的光陽(yáng)極薄膜 與FTO導(dǎo)電玻璃接觸良好、膜面平整，通過改變稀土摻雜上轉(zhuǎn)換發(fā)光材料的摻雜量，實(shí)現(xiàn)對(duì) 復(fù)合材料光陽(yáng)極的吸收光譜、比表面積、空隙率等的有效控制，拓寬了吸收光譜范圍，使光 電子能夠有效在光陽(yáng)極薄膜中散射，提高光的利用率，顯著提高電流密度和開路電壓，得到 電池的效率可達(dá)9%以上，比純二氧化鈦提高了 55%以上，極大地改善電池的光電轉(zhuǎn)換性 能，提高太陽(yáng)能電池的光電轉(zhuǎn)換效率。
[0026] 2、本發(fā)明制備工藝簡(jiǎn)單，重復(fù)性良好，成本低廉，光的利用率和電池的效率大大提 高，不僅可以應(yīng)用于染料敏化太陽(yáng)能電池材料，還可以在光催化、傳感器件等領(lǐng)域應(yīng)用。 四、
【附圖說明】
[0027] 圖1為摻雜不同質(zhì)量比的0 -NaYF4 =Er3+，Yb3+的TiO2衆(zhòng)料的XRD圖。
[0028] 圖2