CN101409158A - 染料敏化太阳电池分级微纳结构ZnO电极材料及电极的制备方法 - Google Patents

染料敏化太阳电池分级微纳结构ZnO电极材料及电极的制备方法 Download PDF

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Abstract

染料敏化太阳电池分级微纳结构ZnO电极材料的制备方法,通过溶剂热反应制备一种具有分级微纳结构的ZnO电极材料。将醋酸锌和二元醇按0.01~1mol/L的比例投入高压釜中,加热至120~250℃,搅拌反应1~24小时,待自然冷却至室温后,经离心分离,洗涤,干燥,即得分级微纳结构ZnO粉体。所得到的微纳结构ZnO电极材料置于乙醇中,超声分散制备浆料,然后经涂布的方法在导电基底上涂覆一层1~20um厚的薄膜,烘干后,80℃趁热放入0.1~1mmol/L的光敏化剂溶液中浸泡0.5~8小时,取出用乙醇将多余光敏化剂冲洗干净即得染料敏化太阳电池工作电极。

Description

染料敏化太阳电池分级微纳结构ZnO电极材料及电极的制备方法
技术领域
本发明属于纳米材料技术领域,涉及一种染料敏化太阳电池分级微纳结构ZnO电极材料及电极的制备方法,也属于新能源技术领域。
背景技术
作为解决能源危机和环境污染的焦点,太阳能光伏转换近年来越来越受到各国政府的重视。目前市场上成熟的,得到广泛应用的主要是硅基太阳能电池,但是其生产工艺复杂,材料价格昂贵。染料敏化太阳能电池(Dye Sensitized Solar Cells,简称DSSC)彻底摒弃了传统硅太阳能电池工艺,另辟蹊径成为廉价太阳电池的新宠。
DSSC电池的核心部分是半导体电极。一个好的半导体电极应满足以下4个条件:(a)必须具有足够大的比表面积,从而能够吸附大量的染料;(b)纳米多孔薄膜吸附染料的方式必须保证电子能有效地注入薄膜的导带;(c)电子在薄膜中有较快的传输速度,从而减少薄膜中电子和电解质的复合;(d)光子在薄膜中有较大的光程,减少反射和透射损失。为了提高半导体薄膜电极的性能,人们对其进行了很多研究,主要包括表面化学改性,离子掺杂,复合其它氧化物薄膜,形貌设计等。
在改善薄膜对光子的吸收性能方面,通常的措施有:在纳米晶层上面再涂布一层大颗粒散射层;在纳米晶颗粒中掺入大尺寸的颗粒或在纳米晶薄膜中构筑大尺寸的孔洞担当散射中心等等。这些方法虽然有助于增加光的散射,加强光子吸收,但却是以牺牲薄膜的比表面积或薄膜与基底的机械强度为代价的。例如当大尺寸的颗粒取代一部分纳米晶颗粒时,由于大颗粒的比表面积远小于纳米晶颗粒的表面积,这将大大减少吸附的染料量,从而影响产生的电子数,最终制约了太阳电池的光电转换效率。
发明内容
本发明目的是:提供一种用于染料敏化太阳电池的新型ZnO基工作电极及其电极材料及制备方法及其电极的制备方法,在不影响染料吸附的情况下增加入射光在薄膜电极中的传输路径,提高光的利用率,从而提高染料敏化太阳电池的光电转换效率。
本发明的技术方案为:染料敏化太阳电池分级微纳结构ZnO电极材料,所述ZnO材料初级结构为纳米颗粒、纳米棒、纳米管等基本单元,次级结构为以上基本单元构筑的微米或亚微米小球。
通过溶剂热反应制备一种具有分级微纳结构的ZnO电极材料。将醋酸锌和二元醇按0.01~1mol/L的比例投入高压釜中,加热至120~250℃,搅拌反应1~24小时,待自然冷却至室温后,经离心分离,洗涤,干燥,即得分级微纳结构ZnO粉体。
染料敏化太阳电池分级微纳结构ZnO电极材料的制备方法包括如下步骤:
(1)分级微纳结构ZnO粉体的制备
将醋酸锌和二元醇按0.01~1mol/L的比例投入高压釜中,加热至120~250℃,搅拌反应1~24小时,待自然冷却至室温后,经离心分离,洗涤,干燥,即得分级微纳结构ZnO粉体。
所述二元醇为乙二醇、一缩二乙二醇、二缩三乙二醇和三缩四乙二醇。
所述溶剂热反应的搅拌速度为0~500r/min。
所述溶剂热反应的加热速率为1~20℃/min。它主要由以ZnO纳米颗粒、纳米线、纳米棒、纳米管为基本单元,构筑成的单分散或多分散的小球形成的。
(2)敏化分级微纳结构ZnO薄膜电极的制备方法
取一定量上述微纳结构ZnO电极材料(ZnO粉体)于乙醇中,超声分散制备浆料,然后经涂布的方法在导电基底上涂覆一层1~20um厚的薄膜,烘干后,经过或不经过后处理工艺,80℃趁热放入0.1~1mmol/L的光敏化剂溶液中浸泡0.5~8小时,取出用乙醇将多余光敏化剂冲洗干净即得染料敏化太阳电池工作电极。所述光敏化剂为N3染料、N719染料和黑染料。
所述导电基底为掺杂氟的SnO2导电玻璃(FTO)、氧化铟锡透明导电膜玻璃(ITO)、金属基底和柔性基底。
所述后处理工艺为将分级微纳结构ZnO薄膜电极直接在350~500℃下焙烧30min或先浸泡在弱碱性溶液中1~30min后,取出,再在350~500℃下焙烧30min。
本发明制备的电极材料,X射线衍射(XRD)图谱显示其为单一的六角晶系纤锌矿ZnO相,不存在醋酸锌和其他杂相峰。扫描电子显微镜(SEM)图证明其为一种分级结构,基本单元为纳米颗粒、纳米棒、纳米管,次级结构为基本单元构成的单分散或多分散小球。N2吸附脱附实验表明其具有介孔的微观结构,孔径分布较窄。
本发明的有益效果是:与额外引入散射层、散射中心的技术相比,该微纳分级结构在用于染料敏化太阳电池中时,发挥了双重功能,纳米颗粒、纳米棒、纳米管等基本单位提供了大比表面可以吸附更多的染料,产生大的光生电流,小球的次级结构担当起散射中心的作用,增加了光子在薄膜中的传输路径,提高了光的利用率。即在不影响染料吸附的情况下增加光子散射,提高光电转换效率。而且由于本发明中的ZnO材料自身带有孔洞,用其制备薄膜电极时,不需加入造孔剂,也可不经高温烧结,适宜用于制备柔性太阳电池。
附图说明
图1为本发明制备的分级微纳结构ZnO的X射线衍射(XRD)图;
图2为本发明制备的分级微纳结构ZnO的低倍扫描电子显微镜(SEM)图;
图3为本发明制备的分级微纳结构ZnO的高倍扫描电子显微镜(FE-SEM)图;
图4为本发明制备的染料敏化太阳电池的I-V曲线图。
具体实施方式
实施例1:
将醋酸锌和一缩二乙二醇按0.3mol/L的比例投入高压釜,填充量为70%,以5℃/min的速度加热至160℃,在200r/min的搅拌速度下搅拌反应8小时,待自然冷却至室温后,离心分离,用乙醇洗涤3遍,60℃烘干,得到分级微纳结构ZnO粉体。它主要是由25nm的纳米颗粒组成的2~3um大小的小球。
取0.8g该ZnO粉体于5ml乙醇中,超声分散制备浆料,然后经涂布的方法在导电基底(FTO)上涂覆一层薄膜,烘干后,80℃趁热放入0.5mmol/L的N719染料的乙醇溶液中浸泡4小时,取出用乙醇将多余光敏化剂冲洗干净即得染料敏化太阳电池工作电极。
将上述工作电极与铂电极、电解质组装成三明治式染料敏化太阳电池,测得其性能参数为Jsc(短路电流密度)=2.43mA/cm2,Voc(开路电压)=0.49V,FF(填充因子)=74%,η(光电转换效率)=0.88%。
采用乙二醇或二缩三乙二醇取代一缩二乙二醇亦可;溶剂热反应时也可以不搅拌,光敏化剂亦可为为N3染料;颗粒的形貌等或光电池性能会略有差别。
实施例2:
除了浸泡染料之前实施了后处理(直接放入马沸炉中在350℃下焙烧了30min),其余制备过程与实施例1相同,获得的染料敏化太阳电池性能参数为Jsc(短路电流密度)=3.34mA/cm2,Voc(开路电压)=0.48V,FF(填充因子)=69%,η(光电转换效率)=1.08%。
实施例3:
将醋酸锌和一缩二乙二醇按0.2mol/L的比例投入高压釜,填充量为70%,以10℃/min的速度加热至180℃,在150r/min的搅拌速度下搅拌反应8小时,待自然冷却至室温后,离心分离,用乙醇洗涤3遍,60℃烘干,得到分级微纳结构ZnO粉体。它主要是由20nm的纳米颗粒组成的500~1um大小的小球。
取0.8g该ZnO粉体于5ml乙醇中,超声分散制备浆料,然后经涂布的方法在导电基底上涂覆一层薄膜,烘干后,80℃趁热放入0.3mmol/L的N3染料的乙醇溶液中浸泡4小时,取出用乙醇将多余光敏化剂冲洗干净即得染料敏化太阳电池工作电极。
将上述工作电极与铂电极、电解质组装成三明治式染料敏化太阳电池,测得其性能参数为Jsc(短路电流密度)=4.94mA/cm2,Voc(开路电压)=0.50V,FF(填充因子)=56%,η(光电转换效率)=1.37%。

Claims (7)

1、染料敏化太阳电池分级微纳结构ZnO电极材料,其特征在于,所述ZnO材料初级结构为纳米颗粒、纳米棒、纳米管等基本单元,次级结构为以上基本单元构筑的微米或亚微米小球。
2、染料敏化太阳电池分级微纳结构ZnO电极材料的制备方法,其特征在于通过溶剂热反应制备一种具有分级微纳结构的ZnO电极材料。将醋酸锌和二元醇按0.01~1mol/L的比例投入高压釜中,加热至120~250℃,搅拌反应1~24小时,待自然冷却至室温后,经离心分离,洗涤,干燥,即得分级微纳结构ZnO粉体。
3、根据权利要求2所述的染料敏化太阳电池分级微纳结构ZnO电极材料的制备方法,其特征在于所述二元醇为乙二醇、一缩二乙二醇、二缩三乙二醇和三缩四乙二醇。
4、根据权利要求2所述的染料敏化太阳电池分级微纳结构ZnO电极材料的制备方法,其特征在于所述溶剂热反应的搅拌速度为0~500r/min;所述溶剂热反应的加热速率为1~20℃/min。
5、染料敏化太阳电池分级微纳结构ZnO电极材料的制备方法,其特征在于,采用涂布技术制备用于染料敏化太阳电池的工作电极。取权利要求2~4之一所得到的微纳结构ZnO电极材料置于乙醇中,超声分散制备浆料,然后经涂布的方法在导电基底上涂覆一层1~20um厚的薄膜,烘干后,80℃趁热放入0.1~1mmol/L的光敏化剂溶液中浸泡0.5~8小时,取出用乙醇将多余光敏化剂冲洗干净即得染料敏化太阳电池工作电极。所述光敏化剂为N3染料、N719染料和黑染料。
6、根据权利要求5所述的染料敏化太阳电池分级微纳结构ZnO电极材料的制备方法,其特征在于所述导电基底为掺杂氟的SnO2导电玻璃(FTO)、氧化铟锡透明导电膜玻璃(ITO)、金属基底和柔性基底。
7、根据权利要求5所述的染料敏化太阳电池分级微纳结构ZnO电极材料的制备方法,其特征在于烘干后经后处理工艺,即为将分级微纳结构ZnO薄膜电极直接在350~500℃下焙烧30min或先浸泡在弱碱性溶液中1~30min后,取出,再在350~500℃下焙烧30min。
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