一種染料敏化太陽能電池光陽極的制備方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種染料敏化太陽能電池光陽極的制備方法,包括：清洗FTO玻璃，利用刮刀法在基底導(dǎo)電面上刮涂一層TiO2致密層，真空干燥；刮涂第二層即TiO2復(fù)合結(jié)構(gòu)層，其中TiO2粉末由3D納米網(wǎng)、3D空心球、P25、2D納米片組成，然后分別添加納米貴金屬；一定溫度下，在染料中浸泡，并用無水乙醇沖洗。本發(fā)明設(shè)計了一種新型TiO2光陽極結(jié)構(gòu)，并加以貴金屬修飾，利用Au、Ag的等離子體共振效應(yīng)，可增強染料對可見光的吸收強度和增大吸收范圍，并能增加光散射，進而增加電池的短路電流和光電轉(zhuǎn)換效率，使得染料敏化太陽能電池的性能得到顯著提升。
【專利說明】
一種染料敏化太陽能電池光陽極的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明屬于太陽能電池領(lǐng)域，具體涉及一種染料敏化太陽能電池光陽極的制備方法，特別地，涉及一種貴金屬修飾的染料敏化太陽能電池分等級T i02光陽極的制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]自從1991年瑞士的Gratzel教授等人首次對染料敏化太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率取得突破性進展以來，染料敏化太陽能電池就以其低廉的成本，簡單的制作工藝和良好的應(yīng)用前景而廣受關(guān)注，成為繼硅晶太陽能電池后被認(rèn)為最有潛力的第三代太陽能電池之一。一般地，染料敏化太陽能電池由光陽極，光敏化劑，氧化還原電解質(zhì)和對電極組成一個三明治結(jié)構(gòu)。其中，光陽極在光伏性能中起主導(dǎo)作用。并且，T12以它獨特的光電性能成為最適合的染料敏化太陽能電池光陽極材料。
[0003]T12光陽極的多孔結(jié)構(gòu)和結(jié)晶性對染料敏化太陽能電池的光電性能起主要作用。然而目前染料敏化太陽能電池中，會遇到對光的利用率低，光生電子的轉(zhuǎn)移效率低等問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的在于提供了一種染料敏化太陽能電池光陽極的制備方法，通過光陽極的分等級復(fù)合結(jié)構(gòu)薄膜的設(shè)計，以及貴金屬納米結(jié)構(gòu)的添加引起的表面等離子體共振效應(yīng)，提高了光吸收以及光生電子的轉(zhuǎn)移效率，提高了光電轉(zhuǎn)換效率等光伏性能。
[0005]為了實現(xiàn)以上目的，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是:
[0006]—種染料敏化太陽能電池光陽極的制備方法，其制備步驟如下:
[0007]I)用洗潔精、去離子水、丙酮、和乙醇依次超聲波清洗FTO基底15min，然后用氮氣吹干以防止氧化；
[0008]2)將第一 T12漿料鍍在FTO導(dǎo)電玻璃基底的導(dǎo)電面?zhèn)?，形成T12致密層，然后在70°(:下真空干燥；；
[0009]3)然后將第二 T12漿料鍍在所述FTO導(dǎo)電玻璃基底的導(dǎo)電面?zhèn)?，形成T12復(fù)合結(jié)構(gòu)薄膜，然后添加納米貴金屬，在70°C下真空干燥，干燥完后以ScCmin-1的速率加熱到450°C，并保溫煅燒30min，冷卻到室溫，再用UV處理30min，然后在80°C下保溫；。
[0010]4)將在800C下保溫的薄膜樣品浸泡在N719染料中，在50°C遮光情況下保溫12h進行敏化，然后用無水乙醇沖洗，并在80°C下干燥2h。
[0011 ]步驟2)和步驟3)中鍍膜方法為刮刀法、旋涂法、浸漬提拉法、或者溶膠凝膠法等。
[0012]步驟2)中T12致密層的漿料質(zhì)量配比為，T12:松油醇:乙基纖維素=1:0.5:4，在研缽中至少研磨30min使楽料混合均勾。
[0013]步驟2)中T12的粒徑為5-10nm。
[0014]步驟2)中致密層厚度約為4-6um，作為連接層。
[0015]步驟3)中T12復(fù)合結(jié)構(gòu)層的漿料質(zhì)量配比同第一層一樣，也需在研缽中研磨至少30mino
[0016]步驟3)中T12復(fù)合結(jié)構(gòu)層包括3D納米網(wǎng)、3D空心球、P25和2D納米片，其中納米網(wǎng)、空心球、納米片均為水熱法制取的銳鈦礦型T12,制備方法簡單，易操作。
[0017]步驟3)中T12復(fù)合結(jié)構(gòu)層中質(zhì)量比為，3D納米網(wǎng):3D空心球:P25: 2D納米片= 2:3:4:6，增加光散射。
[0018]步驟3)中當(dāng)加入lgTi02粉末時，添加的Au納米粒子、Ag納米粒子、Au納米線或者Ag納米線的體積分別為1.16mL、157.14uL、1.5mL和1.5mL。
[0019]步驟3)中雙層結(jié)構(gòu)薄膜厚度約為10_15um，有利于電子轉(zhuǎn)移和傳輸。
[0020]步驟4)中N719染料為0.3mM N719的乙醇溶液。制備方法為:把0.178gN719粉末放進500mL無水乙醇的棕色瓶內(nèi)超聲lOmin，并把瓶底擦干，防止水分進入染料溶液中使染料分解。
[0021]本發(fā)明的有益效果:
[0022]本發(fā)明通過設(shè)計一種新型復(fù)合結(jié)構(gòu)的T12分等級光陽極，能夠增加光散射，加以貴金屬納米結(jié)構(gòu)的修飾，利用Au和Ag的等離子體共振效應(yīng)，可提高光吸收強度，增加光吸收范圍并且提尚光生電子的轉(zhuǎn)移效率，整體上提尚染料對光的吸收，進而提尚電池的短路電流和光電轉(zhuǎn)換效率，使得基于這種新型復(fù)合結(jié)構(gòu)的T12分等級光陽極的染料敏化太陽能電池的光伏性能得到整體提高。
[0023]本發(fā)明中貴金屬修飾的染料敏化太陽能電池分等級T12光陽極的制作方法，制備工藝簡單，操作簡便，便于推廣利用。
【附圖說明】
[0024]圖1為實施例1?5中制備的分等級T12光陽極薄膜的紫外-可見漫反射吸收光譜圖；
[0025]圖2a和2b為實施例1?5中制備的分等級T12光陽極薄膜的吸附-解吸等溫線和孔徑分布圖；
[0026]圖3為實施例1?5中制備的不同納米貴金屬修飾的Ti 02光陽極對染料敏化太陽能電池光伏性能的影響(J-V曲線)。
【具體實施方式】
[0027]下面將結(jié)合本發(fā)明的實施例中的附圖，對本發(fā)明實施例中的技術(shù)方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發(fā)明一部分實施例，而不是全部的實施例?；诒景l(fā)明中的實施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發(fā)明保護的范圍。
[0028]實施例1
[0029]制備3D銳鈦礦型T12納米網(wǎng):
[0030]1)0.1g P25加入到60mL，1molL-1的NaOH溶液中，超聲波處理、磁力攪拌各5min。
[0031]2)溶液轉(zhuǎn)移到10mL聚四氟乙烯內(nèi)襯的高壓釜中，加入8mL質(zhì)量分?jǐn)?shù)30%的H2O2溶液，攪拌。烘箱中150 °C保溫90min。獲得白色粉末。
[0032]3)先用0.2 M的H CI溶液清洗3次至P H = 6.5，再用去離子水洗3次，最后乙醇浸泡24h。所得產(chǎn)物抽濾后在真空干燥箱60°C干燥5h。然后以1tCmirT1的加熱速率加熱到450 °C保溫2h煅燒。即得3D銳鈦礦型T12納米網(wǎng)。
[0033]制備3D銳鈦礦型T12空心球:
[0034]l)0.015mol Ti(SO4)2加入到150mL去離子水中，攪拌30min。
[0035]2)將0.015mol NH4F和0.3mol尿素加入到上述溶液中，攪拌30min。
[0036]3)所得混合溶液轉(zhuǎn)移到200mL聚四氟乙烯內(nèi)襯的高壓釜中，180°C保溫12h。得到白色沉淀。
[0037]4)所得白色沉淀，先用去離子水洗3遍再用乙醇洗3遍。然后在真空干燥箱80°C干燥2h。即得3D銳鈦礦型T12空心球。
[0038]制備2D銳鈦礦型T12納米片:
[0039]I)將50mL鈦酸四丁酯和6mL 40%的氫氟酸，攪拌均勻后，加入到200mL水熱爸中，180 0C保溫24h ο得到白色沉淀。
[0040]2)所得白色沉淀，先用去離子水洗3遍再乙醇洗3遍。然后在真空干燥箱80°C干燥6h。即得2D銳鈦礦型T12納米片。
[0041 ]制備分等級T12光陽極薄膜:
[0042]I)用洗潔精、去離子水、丙酮、乙醇依次超聲波清洗FTO基底15min，用氮氣吹干；
[0043]2)將第一 T12漿料鍍在FTO導(dǎo)電玻璃基底的導(dǎo)電面?zhèn)?，形成T12致密層，然后在70°C下真空干燥，厚度約4-6um;
[0044]3)然后將第二 T12漿料鍍在所述FTO導(dǎo)電玻璃基底的導(dǎo)電面?zhèn)龋纬蒚12復(fù)合結(jié)構(gòu)薄膜，在7(rC下真空干燥，干燥完后以2tlCmin-1的速率加熱到450 V，并保溫煅燒30min，冷卻到室溫，再用UV處理30min，然后在80 °C下保溫；
[0045]4)將在800C下保溫的薄膜樣品浸泡在N719染料中，在50°C遮光情況下保溫12h進行敏化，然后用無水乙醇沖洗，并在80°C下干燥2h。
[0046]利用N719染料進行敏化:
[0047]I)配制0.3mM的N719的無水乙醇溶液。
[0048]2)從80 °C取出的薄膜樣品浸泡在N719染料中，50 °C保溫12h進行敏化。
[0049]3)用無水乙醇沖洗膜電極，80°C干燥2h，即得敏化后的光陽極。
[0050]染料敏化太陽能電池的組裝:
[0051]I)將膜電極兩邊用透明膠帶粘上，然后將鉑對電極覆蓋在敏化電極上，兩電極之間形成一個約50um的空腔，完成一個三明治型的電池組裝。
[0052]2)采用一個剪有圓形的黑色遮光片將膜完全覆蓋，以保證電池的工作面積為圓形開口的面積(圓形開口面積為礎(chǔ)2，其中，R = 2.5mm)。即得一個組裝好的染料敏化太陽能電池。
[0053]實施例2
[0054]實施例2與實施例1大體相同，其不同之處在于以下步驟:
[0055]制備分等級T12光陽極薄膜:
[0056]I)用洗潔精、去離子水、丙酮、乙醇依次超聲波清洗FTO基底15min，氮氣吹干；
[0057]2)將第一 T12漿料鍍在FTO導(dǎo)電玻璃基底的導(dǎo)電面?zhèn)龋纬蒚12致密層，然后在700C下真空干燥;厚度約4-6um;
[0058]3)然后將第二 T12漿料鍍在T12致密層上，形成T12復(fù)合結(jié)構(gòu)薄膜，加入Au納米粒子溶液，在70°C下真空干燥，干燥完后以2cCmin-1的速率加熱到450 V，并保溫煅燒30min，冷卻到室溫，再用UV處理30min，然后在80°C下保溫；
[0059]4)將在800C下保溫的薄膜樣品浸泡在N719染料中，在50°C遮光情況下保溫12h進行敏化，然后用無水乙醇沖洗，并在80 V下干燥2h
[0060]其中，Ti02和Au納米溶液比例為Ig T12:1.16mLAu納米溶液。
[0061 ] 實施例3
[0062]實施例3與實施例1大體相同，其不同之處在于以下步驟:
[0063]制備分等級T12光陽極薄膜:
[0064]I)用洗潔精、去離子水、丙酮、乙醇依次超聲波清洗FTO基底15min，氮氣吹干；
[0065]2)將第一 T12漿料鍍在FTO導(dǎo)電玻璃基底的導(dǎo)電面?zhèn)?，形成T12致密層，然后在70°C下真空干燥，厚度約4-6um;
[0066]3)然后將第二 T12漿料鍍在所述T12致密層上，形成T12復(fù)合結(jié)構(gòu)薄膜，加入Ag納米粒子溶液，在70°C下真空干燥，干燥完后以ScCmin-1的速率加熱到450 V，并保溫煅燒30min，冷卻到室溫，再用UV處理30min，然后在80°C下保溫；
[0067]4)將在800C下保溫的薄膜樣品浸泡在N719染料中，在50°C遮光情況下保溫12h進行敏化，然后用無水乙醇沖洗，并在80 V下干燥2h
[0068]其中，T12和Au納米溶液比例為IgT12:157.14uL Ag納米溶液。
[0069]實施例4
[0070]實施例4與實施例1大體相同，其不同之處在于以下步驟:
[0071]制備分等級T12光陽極薄膜:
[0072]I)用洗潔精、去離子水、丙酮、乙醇依次超聲波清洗FTO基底15min，氮氣吹干；
[0073]2)將第一 T12漿料鍍在FTO導(dǎo)電玻璃基底的導(dǎo)電面?zhèn)?，形成T12致密層，然后在70°C下真空干燥，厚度約4-6um;
[0074]3)然后將第二 T12漿料鍍在所述T12致密層上，形成T12復(fù)合結(jié)構(gòu)薄膜，加入Au納米線溶液，在70 °C下真空干燥，干燥完后以2 cCmin-1的速率加熱到450 °C，并保溫煅燒30min，冷卻到室溫，再用UV處理30min，然后在80°C下保溫；
[0075]4)將在800C下保溫的薄膜樣品浸泡在N719染料中，在50°C遮光情況下保溫12h進行敏化，然后用無水乙醇沖洗，并在80°C下干燥2h。
[0076]其中，T12和Au納米溶液比例為IgT12:1.5ml Au納米線溶液。
[0077]實施例5
[0078]實施例3與實施例1大體相同，其不同之處在于以下步驟:
[0079]制備分等級T12光陽極薄膜:
[0080]I)用洗潔精、去離子水、丙酮、乙醇依次超聲波清洗FTO基底15min，氮氣吹干；
[0081 ] 2)將第一 T12漿料鍍在FTO導(dǎo)電玻璃基底的導(dǎo)電面?zhèn)?，形成T12致密層，然后在70°C下真空干燥，厚度約4-6um;
[0082]3)然后將第二 T12漿料鍍在所述T12致密層上，形成T12復(fù)合結(jié)構(gòu)薄膜，加入Au納米線溶液，在70 °C下真空干燥，干燥完后以2 cCmin-1的速率加熱到450 °C，并保溫煅燒30min，冷卻到室溫，再用UV處理30min，然后在80°C下保溫;4)將在80°C下保溫的薄膜樣品浸泡在N719染料中，在50°C遮光情況下保溫12h進行敏化，然后用無水乙醇沖洗，并在80 V下干燥2h。。
[0083]其中，T12和Au納米溶液比例為IgT12:1.5ml Ag納米線溶液。
[0084]實驗數(shù)據(jù)
[0085]1、紫外-可見漫反射吸收光譜分析
[0086]取實施例1?5中制備的浸染料后的分等級Ti02光陽極薄膜作紫外-可見漫反射吸收光譜分析，光譜圖見圖1，圖中I?5#依次對應(yīng)實施例1?5。
[0087]從圖1可以看出，通過貴金屬納米結(jié)構(gòu)修飾后，T12光陽極對可見光的響應(yīng)顯著增強。并且，添加Ag納米線的光陽極，有最強的吸收值。
[0088]2、氮吸附-解吸等溫線和孔徑分布圖
[0089]取實施例1?5中制備的分等級T12光陽極薄膜作BET測試，吸附-解吸等溫線見圖2a，孔徑分布見圖2b，圖中I?5#依次對應(yīng)實施例1?5。
[0090]從圖2a中可以看出吸附-解吸等溫線是典型的類型IV和H3的滯后回線。在高的相對壓力P/Po時，有窄的毛細(xì)凝聚，表明了碟狀粒子的聚集和狹縫狀孔的存在。從圖2b可以看出有比較窄的孔徑分布，孔徑峰約在4nm。添加Ag納米線的光陽極的孔徑和孔體積相對于其他，均有所增大，有利于電子傳輸和轉(zhuǎn)移。
[0091]3、J_V 曲線
[0092]取實施例1?5中制備的基于不同貴金屬修飾的Ti02光陽極的染料敏化太陽能電池作J-V光伏特性分析。通過步驟S1-S6，制備出完整的染料敏化太陽能電池。在標(biāo)準(zhǔn)測試條件下，10mAcnf2光強(AM 1.5G光照)下，對電池的光電性能進行了測試，所得J-V曲線如圖3。圖中I?5#依次對應(yīng)實施例1?5。其中，1#:器件光電轉(zhuǎn)換效率達(dá)到4.58%，填充因子為70.59%，開路電壓為0.70V，短路電流密度為11.83mAcm—2; 2#:器件光電轉(zhuǎn)換效率達(dá)到4.76%，填充因子為66.98%，開路電壓為0.67￥，短路電流密度為10.6511^011-2;3#:器件光電轉(zhuǎn)換效率達(dá)到4.81%，填充因子為66.98 %，開路電壓為0.67V，短路電流密度為10.74mAcm—2 ； 4#:器件光電轉(zhuǎn)換效率達(dá)到5.10%,填充因子為64.26%,開路電壓為0.65V，短路電流密度為12.12mAcm—2; 5#:器件光電轉(zhuǎn)換效率達(dá)到5.74%，填充因子為65.22%，開路電壓為0.68V，短路電流密度為13.02mAcm—2。
[0093]從以上結(jié)果可以看出，金屬納米結(jié)構(gòu)添加后的染料敏化太陽能電池的光伏性能均有所提尚。并且光陽極中添加Ag納米線的電池獲得最尚光電轉(zhuǎn)換效率，相對于對比樣提尚了 25.3%。這和紫外-可見漫反射吸收光譜圖的分析結(jié)果是一致的。
[0094]對于本領(lǐng)域技術(shù)人員而言，顯然本發(fā)明不限于上述示范性實施例的細(xì)節(jié)，而且在不背離本發(fā)明的精神或基本特征的情況下，能夠以其他的具體形式實現(xiàn)本發(fā)明。因此，無論從哪一點來看，均應(yīng)將實施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本發(fā)明的范圍由所附權(quán)利要求而不是上述說明限定，因此旨在將落在權(quán)利要求的等同要件的含義和范圍內(nèi)的所有變化囊括在本發(fā)明內(nèi)。不應(yīng)將權(quán)利要求中的任何附圖標(biāo)記視為限制所涉及的權(quán)利要求。
【主權(quán)項】
1.一種染料敏化太陽能電池光陽極的制備方法，其特征在于，包括以下步驟: SI，用洗潔精、去離子水、丙酮、和乙醇依次超聲波清洗FTO導(dǎo)電玻璃基底15min，然后用氮氣吹干； S2，將第一 T12漿料鍍在所述FTO導(dǎo)電玻璃基底的導(dǎo)電面?zhèn)?，形成T12致密層，然后在70°C下真空干燥； S3，將第二 T12漿料鍍在所述T12致密層上，形成T12復(fù)合結(jié)構(gòu)薄膜，然后添加納米貴金屬，在70°C下真空干燥，干燥完后以2cCmin-1的速率加熱到450°C，并保溫煅燒30min，冷卻到室溫，再用紫外線處理30min，然后在80 V下保溫； S4，將在80 0C下保溫的薄膜樣品浸泡在N719染料中，在50 °C遮光情況下保溫12h進行敏化，然后用無水乙醇沖洗，并在80 0C下干燥2h。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于，所述第一T12漿料和所述第二 T12的漿料包括T12粉末、松油醇和乙基纖維素，其質(zhì)量比為，T12粉末:松油醇:乙基纖維素=I:0.5:4o3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于，所述T12致密層中T12的粒徑為5-1Onm04.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于，所述T12致密層厚度為4-6um。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于，步驟S3中所述T12光陽極總厚度為10-15um06.根據(jù)權(quán)利要求2所述的制備方法，其特征在于:所述T12復(fù)合結(jié)構(gòu)薄膜中，包括3D納米網(wǎng)、3D空心球、P25和2D納米片，所述3D納米網(wǎng)、3D空心球和2D納米片都由銳鈦礦T12構(gòu)成。7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的制備方法，其特征在于:所述T12復(fù)合結(jié)構(gòu)薄膜中的組分質(zhì)量比為，3D納米網(wǎng):3D空心球:P25:2D納米片=2:3:4:6。8.根據(jù)權(quán)利要求1-7任一所述的制備方法，其特征在于:所述納米貴金屬為Au納米粒子、Ag納米粒子、Au納米線或Ag納米線。9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的制備方法，其特征在于:所述納米貴金屬為Ag納米線。10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于:步驟S4中所述N719染料為0.3mMN719的乙醇溶液。
【文檔編號】B82Y30/00GK106098385SQ201610509740
【公開日】2016年11月9日
【申請日】2016年6月28日
【發(fā)明人】范佳杰, 冉慧麗, 劉永強, 黃浩, 仝可蒙, 范向偉
【申請人】鄭州大學(xué)