CN101593629A

CN101593629A - 仿生物结构的染料敏化太阳能电池光阳极及其制备方法

Info

Publication number: CN101593629A
Application number: CN 200910052884
Authority: CN
Inventors: 张荻; 朱申敏; 顾佳俊; 范同祥; 胡晓斌
Original assignee: Shanghai Jiaotong University
Current assignee: Shanghai Jiaotong University
Priority date: 2009-06-11
Filing date: 2009-06-11
Publication date: 2009-12-02
Anticipated expiration: 2029-06-11
Also published as: CN101593629B

Abstract

一种太阳能电池技术领域的仿生物结构的染料敏化太阳能电池光阳极及其制备方法，包括：基底层、生物精细结构材料层和光敏化剂层，其中：基底层位于最底部，生物精细结构材料层位于基底层之上，光敏化剂层位于生物精细结构材料层之上。本发明通过结构和功能材料的耦合，能够得到良好光捕获性能并且保持分级精细结构的高吸收率的纳米材料，与单纯的二氧化钛相比，基于生物精细结构染料敏化太阳能电池电极的光捕获效率增加一倍以上，有望于作为电极广泛应用于太阳能领域。

Description

仿生物结构的染料敏化太阳能电池光阳极及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种太阳能电池技术领域的电极及其制备方法，具体是一种仿生物结构的染料敏化太阳能电池光阳极及其制备方法。

背景技术

太阳能电池是利用光电材料吸收光能后发生光电子转移反应，并利用材料的单向导电性将正负电荷分离，从而使电子转移过程在外电路中完成，产生必要的电动势和电流。根据所用材料的不同，太阳能电池可分为：结晶硅太阳能电池；非晶硅太阳能电池；无机盐太阳能电池(如砷化镓、硫化镉)；聚合物多层修饰电极型太阳能电池以及染料敏化太阳能电池。不论以何种材料来制作电池，对太阳能电池材料的一般的要求有：(1)材料易获得且成本低；(2)较高的光电转化效率；(3)材料本身对环境不造成污染；(4)材料便于工业化生产且材料性能稳定。

由于半导体本身捕获太阳光的能力相对较弱，故可将适当的染料吸附到宽带隙半导体表面上，借助于染料对可见光的强吸收，帮助半导体电极将太阳能转化为电能，这种电池就是染料敏化太阳能电池(Dye Sensitized Solar Cells，简称DSSC电池)。与其他种类的太阳能电池相比，DSSC具有光阳极结构可设计性，电池自重轻，成本相对低廉，加工性能优良以及便于组装大面积太阳能电池等一系列优点。DSSC电池主要由透明导电玻璃(TCO)基片、多孔TiO₂薄膜、染料光敏化剂、电解质溶液和透明对电极组成。对于DSSC来说，其效率受多种因素影响。而引入纳米微观结构能够增加光程长度，提高光捕获效率及染料太阳能电池的光电转换效率，同时在一定程度上也增加了电极的比表面积，提高了染料吸附的效率。另外，通过优化光阳极结构可以实现较快的电子输运速度，提高了电子在导电玻璃后接触面的收集效率。

经现有技术检索发现，《Photonics and Nanostructures-Fundamentalsand Applications》(《光子学和纳米结构-基础与应用》)2005年，3期，148页上报道的，“Photonic crystals for applications in photoelectrochemicalprocesses photoelectrochemical solar cells with inverse opaltopology”(光子晶体在光电化学过程中的应用，反蛋白石结构用于染料敏化太阳能电池”)；该技术利用单分散的聚苯乙烯微球为模板，将其沉积在经过亲水改性的玻璃板上，在45度放置一夜，通过反复渗透和干燥的方法，制备得到具有反蛋白石结构的氧化钛，然后用甲苯抽提以除去苯乙烯模板，烧结使氧化钛成为锐钛矿型，再将这种具有反蛋白光子晶体结构的锐钛矿型氧化钛引入到光阳极的制备中。结果发现，具有光子晶体结构的电池的总能量比没有结构的高35％。但是，该技术没有证明，具有蛋白石光子晶体结构是否是提高染料敏化太阳能电池光吸收性能的关键参数。更为重要的是，这种技术所用的胶体球自组装法，由于组装过程在悬浮液中进行，而使结构不易控制，光子晶体制作难度很大。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，在原有染料敏化太阳能电池光阳极结构的基础上，对其材料进行改进，提出了一种具有仿生物结构的染料敏化太阳能电池光阳极及其制备方法，通过非人工合成的分级精细光子结构和功能材料的耦合，得到具有良好光捕获性能并且保持分级精细光子结构的纳米材料。为电池整体转换效率的提高奠定基础。

本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明涉及仿生物结构的染料敏化太阳能电池光阳极，包括：基底层、生物精细结构材料层和光敏化剂层，其中：基底层位于最底部，生物精细结构材料层位于基底层之上，光敏化剂层位于生物精细结构材料层之上。

所述的基底层为宽禁带半导体纳米晶膜。

所述的生物精细结构材料层是指包含生物模板的折射率大于1.4的半导体金属氧化物材料。

所述的生物模板是指：蝴蝶的翅膀、蜻蜒的眼睛、海老鼠的毛，孔雀毛、树叶、叶绿体、毛壳虫的纳米结构、水果皮或水藻叶中的一种或其组合。

所述的光敏化剂层为顺式-二硫氰酸根(4，4’-二羧基-2，2’-联吡啶)合钌(简称N3染料)或顺式-二硫氰酸根二(4，4’-二羧基-2，2’-联吡啶)二(四丁基铵)合钌。

本发明涉及仿生物结构的染料敏化太阳能电池光阳极的制备方法，包括如下步骤：

第一步：先将导电玻璃表面置于去离子水中超声处理5分钟，然后置于有机混合溶液中超声处理3分钟使其表面羟基化，最后于去离子水中超声处理10分钟清洗。

所述的导电玻璃是指：二氧化锡导电玻璃(FTO)或氧化铟锡导电玻璃(ITO)中的一种。

所述的有机混合溶液是指：将纯度为99.9％的异丙醇和浓度为1M的氢氧化钾水溶液以6∶4的体积比混合后制成的有机混合溶液。

第二步：在导电玻璃经亲水化处理的表面上涂布宽禁带半导体纳米晶膜，制成导电表面。

所述的宽禁带半导体纳米晶膜的粒度为5-100纳米，该宽禁带半导体纳米晶膜的厚度为1-100微米。

第三步：将生物模板浸渍在金属氧化物前驱体溶液中浸渍或反应5-48小时再采用渗透法、溶胶-凝胶法、超声法、水热法或气相层积法中的一种将金属氧化物前驱体或金属氧化物覆盖在生物模板上制得生物精细结构材料层。

所述的生物模板是指蝴蝶的翅膀、蜻蜒的眼睛、海老鼠的毛，孔雀毛、树叶、叶绿体、毛壳虫的纳米结构、水果皮或水藻叶中的一种或其组合。

所述的金属氧化物是指：氧化铝、氧化锆、氧化锌、氧化钛、氧化锡或氧化钨中的一种。

所述的金属氧化物前驱体溶液的浓度为1-50％wt，溶质为金属盐，溶剂为水或乙醇。

所述的金属盐是指金属硫酸盐、金属硝酸盐或金属醋酸盐中的一种。

第四步：将生物精细结构材料层展开平铺在导电玻璃的导电表面，同时在生物精细结构材料层表面覆盖一块未经亲水处理的导电玻璃，紧密夹紧晾干后，置于烧结炉中进行烧结处理。

所述的烧结处理是指在300-800℃的环境下烧结1-12小时。

第五步：将上述经烧结后的双层导电玻璃置于光敏溶剂中浸泡处理后制得具有生物精细结构染料敏化薄膜光阳电极。

所述的光敏溶剂的浓度为10^-5mol/L～10^-3mol/L，其溶质为光敏化剂，溶剂为乙醇。

所述的光敏化剂是指：顺式-二硫氰酸根(4，4’-二羧基-2，2’-联吡啶)合钌(简称N3染料)或顺式-二硫氰酸根二(4，4’-二羧基-2，2’-联吡啶)二(四丁基铵)合钌。

与现有技术相比，本发明方法简单易行，结构可控，不仅能将生物体的多维、多结构和多组分的分级精细光子结构与功能材料的光、电、磁等性能相结合，更重要的是通过生物体所具有的非人工所能合成的特殊结构和功能材料的耦合效应，得到具有良好光捕获性能并且保持分级精细光子结构的纳米材料，通过光谱分析证明，这种材料对紫外-可见光波的吸收能力比通用的纳米氧化钛提高了一倍以上，从而获得具有较高光捕获效率的新材料。

附图说明

图1本发明的太阳能电池的装置图

具体实施方式

以下结合附图对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

以下实施例中的基底层采用宽禁带半导体TiO₂纳米晶膜。

实施例1

第一步、先将FTO玻璃置于去离子水中超声处理5分钟，然后置于有机混合溶液中超声处理3分钟使其表面羟基化，最后于去离子水中超声处理10分钟清洗。

第二步、在导电玻璃7的导电面涂布一层粒度为50纳米，厚度为50微米的宽禁带半导体TiO₂纳米晶膜6；

第三步、将蝴蝶翅膀浸渍在重量百分比浓度30％的金属氧化物二氧化钛的前驱体溶液中，用渗透法处理48小时后将金属氧化物前驱体或金属氧化物覆盖在生物的多层次结构上得到生物精细结构材料层5。

第四步、将生物精细结构材料层5展开平铺在导电玻璃7的导电表面，同时在其上表面覆盖一块未经亲水处理的导电玻璃，紧密夹紧晾干后，再置于烧结炉中进行500℃处理烧结6小时。

第五步、将附有生物精细结构材料的半导体TiO₂纳米晶膜吸附上光敏剂层4，即在10^-4mol/L光敏化剂N3的乙醇溶剂中浸泡15小时，制备得到仿生物结构的染料敏化太阳能电池光阳极。

在仿生物结构的染料敏化太阳能电池光阳极上，加入碘/碘化钾电解质溶液3，盖上具有镀铂层2的导电玻璃对电极1，组装成染料敏化太阳能电池。将太阳能电池作为一电源连入电路中，置于300w的高压汞灯照明下测量在不同负载电阻时流过太阳能电池的电流和输出电压，计算其在不同负载电阻下的输出功率P，由此确定最大输出功率P；当太阳能电池的输出端短路时，即U＝0，可得到短路电流Isc；当太阳能电池的输出端开路时，即I＝0，可推得开路电压Uoc，将最大功率P和Uoc与Isc之积的比值定义为填充因子FF，填充因子达到0.55。

实施例2

第一步、将ITO玻璃置于去离子水中超声处理5分钟，然后置于有机混合溶液中超声处理3分钟使其表面羟基化，最后于去离子水中超声处理10分钟清洗。

第二步、在导电玻璃7的导电面涂布一层粒度为100纳米，厚度为1微米的宽禁带半导体TiO₂纳米晶膜6。

第三步、将孔雀毛浸渍在重量百分比浓度1％的金属氧化物氧化锌前驱体溶液中，用水热法处理24小时后将金属氧化物ZnO原位生成并覆盖在生物的多层次结构上得到生物精细结构材料层5。

第四步、将生物精细结构材料层5平铺在导电玻璃7的导电表面，同时在其上表面覆盖一块未经亲水处理的导电玻璃，紧密夹紧晾干后，再置于300℃的烧结炉中进行烧结12小时。

第五步、将附有生物精细结构材料的半导体纳米晶膜吸附上光敏化剂层4，即在10^-5mol/L光敏化剂的乙醇溶剂中浸泡5小时，制备得到染料敏化太阳能电池光阳极。

通过比较光阳极材料的光吸收性能可以评价其光捕获性能。根据吸收率公式A(λ)＝1-R(λ)-T(λ)，其中：A(λ)代表吸收率，T(λ)代表透射率，R(λ)代表反射率。通过在紫外-可见区域的透射光谱、反射光谱测试，由上述公式可以得到吸收谱，依据吸收谱的结果，可知光吸收性能是二氧化钛薄膜光吸收性能的2倍。

实施例3

第一步、将FTO玻璃置于去离子水中超声处理5分钟，然后置于有机混合溶液中超声处理3分钟使其表面羟基化，最后于去离子水中超声处理10分钟清洗。

第二步、在导电玻璃7的导电面涂布一层粒度为50纳米，厚度为100微米的宽禁带半导体TiO₂纳米晶膜6；

第三步、将叶氯体浸渍在重量百分比浓度60％的金属氧化物氧化锆的前驱体的溶液中，用水热法，将金属氧化物ZrO覆盖在叶氯体的多层次结构上得到生物精细结构材料层5。

第四步、将生物精细结构材料层5平铺在导电玻璃7的导电表面，同时在其上表面覆盖一块未经亲水处理的导电玻璃，紧密夹紧晾干后，再置于800℃烧结炉中进行烧结1小时。

第五步、将附有生物精细结构材料的半导体纳米晶膜吸附上光敏化剂层4，即在10^-3mol/L光敏化剂N3的乙醇溶剂中浸泡24小时，制备得到染料敏化太阳能电池光阳极。光吸收性能是二氧化钛薄膜光吸收性能的2.5倍。

实施例4、

第二步、在导电玻璃7的导电面涂布一层粒度为5纳米，厚度为30微米的宽禁带半导体TiO₂纳米晶膜6。

第三步、将树叶浸渍在重量百分比浓度20％的金属氧化物氧化铝前驱体溶液中，用溶胶-凝胶法，将金属氧化物Al2O3覆盖在生物的多层次结构上得到生物精细结构材料层5。

第四步、将生物精细结构材料层5平铺在导电玻璃7的导电表面，同时在其上表面覆盖一块未经亲水处理的导电玻璃，紧密夹紧晾干后，再置于500℃烧结炉中进行烧结6小时。

第五步、将附有生物精细结构材料的半导体纳米晶膜吸附上光敏化剂层4，即在10^-4mol/L光敏化剂N719的乙醇溶剂中浸泡24小时，制备得到染料敏化太阳能电池光阳极。光吸收性能是二氧化钛薄膜光吸收性能的1.5倍。

实施例5

第二步、在导电玻璃7的导电面涂布一层粒度为10纳米，厚度为50微米的宽禁带半导体TiO₂纳米晶膜6。

第三步、将蝴蝶翅膀浸渍在重量百分比浓度40％的金属氧化物二氧化钛的前驱体溶液中，用超声法处理5小时，将金属氧化物TiO₂原位生成并覆盖在生物的多层次结构上得到生物精细结构材料层5。

第四步、将生物精细结构材料层5展开平铺在导电玻璃7的导电表面，同时在其上表面覆盖一块未经亲水处理的导电玻璃，紧密夹紧晾干后，再置于550℃烧结炉中烧结8小时。

第五步、将附有生物精细结构材料的半导体纳米晶膜吸附上光敏化剂层4，即在10^-5mol/L光敏化剂N719的乙醇溶剂中浸泡48小时，制备得到染料敏化太阳能电池光阳极。

在染料敏化太阳能电池光阳极上，加入碘/碘化钾电解质溶液3，盖上具有镀铂层2的导电玻璃对电极1，组装成染料敏化太阳能电池。填充因子达到0.60。

Claims

1、一种仿生物结构的染料敏化太阳能电池光阳极，其特征在于，包括：基底层、生物精细结构材料层和光敏化剂层，其中：基底层位于最底部，生物精细结构材料层位于基底层之上，光敏化剂层位于生物精细结构材料层之上。

2、根据权利要求1所述的仿生物结构的染料敏化太阳能电池光阳极，其特征是，所述的基底层为宽禁带半导体纳米晶膜。

3、根据权利要求1所述的仿生物结构的染料敏化太阳能电池光阳极，其特征是，所述的生物精细结构材料层是指包含生物模板的折射率大于1.4的半导体金属氧化物材料。

4、根据权利要求1所述的仿生物结构的染料敏化太阳能电池光阳极，其特征是，所述的生物模板是指：蝴蝶的翅膀、蜻蜓的眼睛、海老鼠的毛，孔雀毛、树叶、叶绿体、毛壳虫的纳米结构、水果皮或水藻叶中的一种或其组合。

5、根据权利要求1所述的仿生物结构的染料敏化太阳能电池光阳极，其特征是，所述的光敏化剂层为顺式-二硫氰酸根(4，4’-二羧基-2，2’-联吡啶)合钌(简称N3染料)或顺式-二硫氰酸根二(4，4’-二羧基-2，2’-联吡啶)二(四丁基铵)合钌。

6、一种根据权利要求1所述的仿生物结构的染料敏化太阳能电池光阳极的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

第一步：先将导电玻璃表面置于去离子水中超声处理5分钟，然后置于有机混合溶液中超声处理3分钟使其表面羟基化，最后于去离子水中超声处理10分钟清洗；

第二步：在导电玻璃经亲水化处理的表面上涂布宽禁带半导体纳米晶膜，制成导电表面；

第三步：将生物模板浸渍在金属氧化物前驱体溶液中浸渍或反应5-48小时再采用渗透法、溶胶-凝胶法、超声法、水热法或气相层积法中的一种将金属氧化物前驱体或金属氧化物覆盖在生物模板上制得生物精细结构材料层；

第四步：将生物精细结构材料层展开平铺在导电玻璃的导电表面，同时在生物精细结构材料层表面覆盖一块未经亲水处理的导电玻璃，紧密夹紧晾干后，置于烧结炉中进行烧结处理；

7、根据权利要求6所述的仿生物结构的染料敏化太阳能电池光阳极的制备方法，其特征是，所述的宽禁带半导体纳米晶膜的粒度为5-100纳米，该宽禁带半导体纳米晶膜的厚度为1-100微米。

8、根据权利要求6所述的仿生物结构的染料敏化太阳能电池光阳极的制备方法，其特征是，所述的金属氧化物前驱体溶液的浓度为1-50％wt，溶质为金属盐，溶剂为水或乙醇，其中的金属盐是指金属硫酸盐、金属硝酸盐或金属醋酸盐中的一种。

9、根据权利要求6所述的仿生物结构的染料敏化太阳能电池光阳极的制备方法，其特征是，所述的光敏溶剂的浓度为10^-5mol/L～10^-3mol/L，其溶质为光敏化剂，溶剂为乙醇。

10、根据权利要求9所述的仿生物结构的染料敏化太阳能电池光阳极的制备方法，其特征是，所述的光敏化剂是指：顺式-二硫氰酸根(4，4’-二羧基-2，2’-联吡啶)合钌(简称N3染料)或顺式-二硫氰酸根二(4，4’-二羧基-2，2’-联吡啶)二(四丁基铵)合钌。