一種染料敏化太陽(yáng)能電池光陽(yáng)極材料的制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于功能材料及新型復(fù)合材料領(lǐng)域，特別設(shè)及一種氧化儀顆粒/二氧化鐵 納米棒復(fù)合材料的制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 近年來(lái)，染料敏化太陽(yáng)能電池值SSCs)由于其低成本、易組裝等特點(diǎn)受到了廣泛 的關(guān)注。DSSCs的核屯、部分是納米晶半導(dǎo)體光陽(yáng)極，它通常由納米Ti〇2多孔薄膜構(gòu)成，是太 陽(yáng)能電池最重要部分。光陽(yáng)極對(duì)太陽(yáng)能電池光電性能起著重要的作用：如提供電子傳輸?shù)?路徑，吸附染料W及保證充分的液相通道等。
[0003] 研究發(fā)現(xiàn)制約染料敏化太陽(yáng)能電池的光電性能主要有兩方面的因素：一方面是電 池薄膜對(duì)太陽(yáng)光的吸收，另一方面是電子在二氧化鐵半導(dǎo)體薄膜中的傳輸。二氧化鐵半導(dǎo) 體光陽(yáng)極的性能?chē)?yán)重制約著電池的光電轉(zhuǎn)換效率。作為光陽(yáng)極的重要組成部分，二氧化鐵 材料的形貌和結(jié)構(gòu)決定了光陽(yáng)極的電子傳輸動(dòng)力學(xué)性能。特別是二氧化鐵具有較多的結(jié)構(gòu) 缺陷，導(dǎo)致電子在光陽(yáng)極膜內(nèi)的傳輸時(shí)間長(zhǎng)、電子壽命短。
[0004] 在眾多形貌中，二氧化鐵納米棒或納米線(xiàn)運(yùn)種材料具有一維圓柱幾何體構(gòu)型，能 夠提供發(fā)射電場(chǎng)，使電子遠(yuǎn)離納米棒或納米線(xiàn)的表面，減少表面電子密度，增加有效的電荷 分離。更重要的是，光生電子沿著一維長(zhǎng)軸方向的傳輸可W有效地減少晶界對(duì)光電子的捕 獲，加速電子的傳輸速率，減弱光生電子的復(fù)合，有助于提高染料敏化太陽(yáng)能電池的光電轉(zhuǎn) 換效率。但納米棒光陽(yáng)極材料存在著不可忽視的問(wèn)題：比表面積太小、光散射效果差，導(dǎo)致 電池的短路電流過(guò)低。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題在于：納米棒光陽(yáng)極材料比表面積太小，為解決運(yùn)一 技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為：
[0006] 提供了一種氧化儀顆粒/二氧化鐵納米棒復(fù)合材料的制備方法：
[0007] (1)將濃度為1~15M的堿液與質(zhì)量為1~5g的二氧化鐵粉末混合，并攬拌、超聲 半小時(shí)； 陽(yáng)00引 似將步驟（1)中得到的混合體系轉(zhuǎn)移到100mL的反應(yīng)蓋中，160°C~200°C水熱 反應(yīng)12~60小時(shí)；
[0009] (3)將步驟（2)反應(yīng)后的體系離屯、，并分別用稀鹽酸溶液、蒸饋水洗涂，得到的產(chǎn) 品在60°C下烘干2地，得到質(zhì)子鐵酸鹽納米棒，
[0010] 其中，離屯、機(jī)轉(zhuǎn)速為6000巧m/min，稀鹽酸的濃度為0.Imol.L1，洗涂2次，蒸饋水 洗涂3次； 1] (4)將0. 1~0. 5g步驟（3)中制備的質(zhì)子鐵酸鹽納米棒加入體積為10~100mL 的NiClz溶液中攬拌10分鐘后，加入尿素調(diào)節(jié)抑值為10,然后80°C水浴反應(yīng)2~10個(gè)小 時(shí)后自然冷卻， 陽(yáng)〇1引 其中；NiClz溶液中NiCl2為IOmmol;
[0013] (5)將步驟（4)反應(yīng)后的體系離屯、，并分別用去離子水、無(wú)水乙醇洗涂至抑值為 7,60°C烘干后，空氣中500度燒結(jié)化，得到氧化儀顆粒/二氧化鐵納米棒復(fù)合材料，
[0014] 其中，離屯、機(jī)轉(zhuǎn)速為6000rpm/min，依次用去離子水和無(wú)水乙醇分別洗涂沉淀物3 次和1次。
[0015] 本發(fā)明所制備的染料敏化太陽(yáng)能電池，是W氧化儀顆粒/二氧化鐵納米棒復(fù)合材 料為光陽(yáng)極半導(dǎo)體材料，N719染料為光敏化劑，銷(xiāo)電極為對(duì)電極，與液體艦電解液組成染料 敏化太陽(yáng)能電池。
[0016] 本發(fā)明的有益效果是通過(guò)采用所述制備方法得到的氧化儀顆粒/二氧化鐵納米 棒復(fù)合材料，有效地提高了光陽(yáng)極的比表面積和光散射效應(yīng)，大的比表面積能夠吸附更多 的染料分子，增加相應(yīng)電池的短路電流，進(jìn)而提高電池的光電轉(zhuǎn)換效率，同時(shí)氧化儀和二氧 化鐵表面所形成的P-N結(jié)構(gòu)能夠有效的分離光生電子并促進(jìn)電子的傳輸，電子復(fù)合幾率大 大降低，電子的收集效率得到提高，相應(yīng)電池的性能也得到了極大的提高。W本發(fā)明所述 的氧化儀顆粒/二氧化鐵納米棒復(fù)合材料為電池光陽(yáng)極材料，組裝成的染料敏化太陽(yáng)能電 池，具有成本低廉、光電轉(zhuǎn)換效率高、制備工藝簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。
【附圖說(shuō)明】
[0017] 圖1W氧化儀顆粒/二氧化鐵納米棒復(fù)合材料為光陽(yáng)極材料的太陽(yáng)能電池的光電 流-電壓曲線(xiàn)；
[0018] 圖2W氧化儀顆粒/二氧化鐵納米棒復(fù)合材料為光陽(yáng)極材料的太陽(yáng)能電池的交流 阻抗曲線(xiàn)。
【具體實(shí)施方式】
[0019] 實(shí)施例1 :
[0020] (1)將濃度為IOM的堿液與質(zhì)量為3g的二氧化鐵粉末混合，并攬拌、超聲半小時(shí)； 陽(yáng)02U 似將步驟（1)中得到的體系轉(zhuǎn)移到100mL的反應(yīng)蓋中，180°C水熱反應(yīng)48小時(shí)； 陽(yáng)02引 做將步驟似反應(yīng)后的體系在轉(zhuǎn)速為6000rpm/min的情況下進(jìn)行離心并分別 用0.Imol.L1的稀鹽酸溶液、蒸饋水和乙醇各洗涂2次、3次和1次，得到的產(chǎn)品在60°C下 烘干2地，得到質(zhì)子鐵酸鹽納米棒，
[0023] BET檢測(cè)上述質(zhì)子鐵酸鹽納米棒的比表面積為ISmVg;
[0024] (4)將0. 5g步驟（3)中制備的質(zhì)子鐵酸鹽納米棒加入體積為50ml的含IOmmol NiClz的溶液中攬拌10分鐘后，加入尿素調(diào)節(jié)抑值為10,然后80°C水浴反應(yīng)6小時(shí)后自然 冷卻；
[0025] (5)將步驟（4)反應(yīng)后的體系在轉(zhuǎn)速為6000巧m/min的情況下進(jìn)行離屯、，并分別用 去離子水、無(wú)水乙醇洗涂至抑值為7,60°C烘干后，空氣中500度燒結(jié)化，得到氧化儀顆粒 /二氧化鐵納米棒復(fù)合材料。 陽(yáng)0%] BET檢測(cè)上述氧化儀顆粒/二氧化鐵納米棒復(fù)合材料的比表面積為82mVg。
[0027] (6)將0. 5g上述制備的氧化儀顆粒/二氧化鐵納米棒復(fù)合材料與0. 5ml無(wú)水乙醇 添加到研鉢中，研磨成漿糊狀，用玻璃棒將其均勻地涂在導(dǎo)電玻璃上。干燥后，于450°C溫度 下燒結(jié)0.化，然后在N-719染料溶液中浸泡2地，制成光陽(yáng)極； 陽(yáng)02引 （7)WPt電極為對(duì)電極，組裝成太陽(yáng)能電池。電解液為含0. 5MLil、0. 05MIz和 0. 5MTBP(4-te;rt-but5dpy;ridine)的乙臘溶液，檢測(cè)電池的有效測(cè)試面積為0. 25cm2。
[0029] 用太陽(yáng)模擬器（氣燈，AM1. 5,lOOmW/cm2)和CIMPS-2電化學(xué)工作站測(cè)量電池的光 伏性能。如圖1和表1所示，氧化儀顆粒/二氧化鐵納米棒復(fù)合材料電池的短路電流明顯 高于納米棒的短路電流，通過(guò)計(jì)算得到電池的光電轉(zhuǎn)換效率，氧化儀顆粒/二氧化鐵納米 棒復(fù)合材料電池的轉(zhuǎn)換效率為1. 13%，明顯高于納米棒電池的0. 28%。
[0030] 用太陽(yáng)模擬器（氣燈，AM1. 5,lOOmW/cm2)和CIMPS-2電化學(xué)工作站測(cè)量電池的交 流阻抗性能，如圖2所示。樣品譜線(xiàn)是由一個(gè)典型的半圓構(gòu)成，指派為電荷的轉(zhuǎn)移電阻，半 圓直徑越大表明電荷轉(zhuǎn)移電阻越大，由此可W看出，復(fù)合材料電池的電阻小于納米棒，表明 電子在復(fù)合材料傳輸受到的阻力小于納米棒，復(fù)合材料的pn結(jié)結(jié)構(gòu)對(duì)電子的傳輸起了推 動(dòng)作用。
[0031] 采用CIMPS-2電化學(xué)工作站，光源由PP210驅(qū)動(dòng)的波長(zhǎng)為470皿的藍(lán)色發(fā)光二極 管提供，測(cè)定電池的強(qiáng)度調(diào)制光電流譜（IMP巧和強(qiáng)度調(diào)制光電壓譜（IMV巧。計(jì)算結(jié)果如表 2所示，從表中可W看出復(fù)合材料的電子傳輸時(shí)間（Td)明顯縮短，電子壽命增長(zhǎng)（T。)，表 明復(fù)合材料具有良好的電子傳輸動(dòng)力學(xué)性能，復(fù)合材料的pn結(jié)結(jié)構(gòu)對(duì)電子傳輸動(dòng)力學(xué)性 能起到了改善的作用。
[0032] 根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，采用本發(fā)明所述的制備方法制備的氧化儀顆粒/二氧化鐵納米棒 復(fù)合材料，比單一的納米棒的性能有了相當(dāng)大的提高，借助于復(fù)合材料的pn結(jié)結(jié)構(gòu)，電子 傳輸動(dòng)力學(xué)性能得到明顯改善。如圖所示，圖1是原始納米棒的I-V曲線(xiàn)W及本發(fā)明所述 的氧化儀顆粒/二氧化鐵納米棒復(fù)合材料的I-V曲線(xiàn)；表1是根據(jù)I-V曲線(xiàn)計(jì)算出來(lái)的性 能參數(shù)；圖2是原始納米棒W及本發(fā)明所述的氧化儀顆粒/二氧化鐵納米棒復(fù)合材料的交 流阻抗曲線(xiàn)；表2是根據(jù)和IMVS計(jì)算出來(lái)的性能參數(shù)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種氧化鎳顆粒/二氧化鈦納米棒復(fù)合材料的制備方法，其特征在于：所述的制備 方法為， (1) 將濃度為1~15M的堿液與質(zhì)量為1~5g的二氧化鈦粉末混合，并攪拌、超聲半小 時(shí)； (2) 將步驟⑴中得到的體系轉(zhuǎn)移到100ml的反應(yīng)釜中，160°C~200°C水熱反應(yīng)12~ 60小時(shí)； (3) 將步驟（2)反應(yīng)后的體系離心，并分別用稀鹽酸溶液、蒸餾水洗滌，得到的產(chǎn)品在 60°C下烘干24h，得到質(zhì)子鈦酸鹽納米棒； (4) 將0. 1~0. 5g步驟（3)中制備的質(zhì)子鈦酸鹽納米棒加入體積為10~100ml的 NiCU容液中攪拌10分鐘后，加入尿素調(diào)節(jié)pH值為10,然后80°C水浴反應(yīng)2~10個(gè)小時(shí) 后自然冷卻； (5) 將步驟（4)反應(yīng)后的體系離心，并分別用去離子水、無(wú)水乙醇洗滌至pH值為7， 60 °C烘干后，空氣中500度燒結(jié)2h，得到氧化鎳顆粒/二氧化鈦納米棒復(fù)合材料。2. 如權(quán)利要求1所述的氧化鎳顆粒/二氧化鈦納米棒復(fù)合材料的制備方法，其特征在 于：步驟（3)中，離心時(shí)轉(zhuǎn)速為6000rpm/min。3. 如權(quán)利要求1所述的氧化鎳顆粒/二氧化鈦納米棒復(fù)合材料的制備方法，其特征在 于：步驟（3)中，稀鹽酸的濃度為0.lmol.L、4. 如權(quán)利要求1所述的氧化鎳顆粒/二氧化鈦納米棒復(fù)合材料的制備方法，其特征在 于：步驟（3)中，稀鹽酸洗滌2次，蒸餾水洗滌3次。5. 如權(quán)利要求1所述的氧化鎳顆粒/二氧化鈦納米棒復(fù)合材料的制備方法，其特征在 于：步驟⑷中，NiCl2溶液中NiCl2為lOmmol。6. 如權(quán)利要求1所述的氧化鎳顆粒/二氧化鈦納米棒復(fù)合材料的制備方法，其特征在 于：步驟（5)中，離心時(shí)轉(zhuǎn)速為6000rpm/min。7. 如權(quán)利要求1所述的氧化鎳顆粒/二氧化鈦納米棒復(fù)合材料的制備方法，其特征在 于：步驟（5)中，去離子水和無(wú)水乙醇分別洗滌沉淀物3次和1次。8. 如權(quán)利要求1所述的氧化鎳顆粒/二氧化鈦納米棒復(fù)合材料的應(yīng)用，其特征在于： 所述的應(yīng)用為，以所述的氧化鎳顆粒/二氧化鈦納米棒復(fù)合材料為光陽(yáng)極半導(dǎo)體材料， N719染料為光敏化劑，鉑電極為對(duì)電極，與液體碘電解液組成染料敏化太陽(yáng)能電池。
【專(zhuān)利摘要】一種染料敏化太陽(yáng)能電池光陽(yáng)極材料的制備方法，本發(fā)明屬于功能材料及新型復(fù)合材料領(lǐng)域，具體為氧化鎳顆粒/二氧化鈦納米棒復(fù)合材料。該氧化鎳顆粒/二氧化鈦納米棒復(fù)合材料具有較大的比表面積、良好的光散射效應(yīng)，同時(shí)氧化鎳顆粒/二氧化鈦納米棒復(fù)合材料所構(gòu)建的PN結(jié)結(jié)構(gòu)能加速電子的快速傳輸，因此本發(fā)明里的氧化鎳顆粒/二氧化鈦納米棒復(fù)合材料用于染料敏化太陽(yáng)能電池時(shí)展現(xiàn)了良好光電性能。同時(shí)其制備方法簡(jiǎn)便，具有實(shí)用前景。
【IPC分類(lèi)】H01G9/042, H01G9/20
【公開(kāi)號(hào)】CN105321721
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510870776
【發(fā)明人】曲婕, 袁寧一, 丁建寧
【申請(qǐng)人】常州大學(xué)
【公開(kāi)日】2016年2月10日
【申請(qǐng)日】2015年12月2日