CN101783247A - 染料敏化纳米晶太阳能电池的光阳极及其制备方法和应用 - Google Patents

染料敏化纳米晶太阳能电池的光阳极及其制备方法和应用 Download PDF

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Abstract

一种染料敏化纳米晶太阳能电池的光阳极，包括透明导电基片和涂覆于透明导电基片的涂膜，该涂膜中含有二氧化钛纳米颗粒，其特征在于所述的涂膜中还均匀混合有锐钛矿二氧化钛空心球。本发明还公开了该光阳极的制备方法和在太阳能电池中的应用。与现有技术相比，本发明的优点在于：将二氧化钛空心球作为散射粒子用于染料敏化纳米晶太阳能电池光阳极，增加了光被二氧化钛纳米薄膜吸收的几率，使电池的光电转换效率有较大的提高。

Description

染料敏化纳米晶太阳能电池的光阳极及其制备方法和应用
技术领域
本发明涉及一种染料敏化纳米晶太阳能电池的光阳极，还涉及其制备方法，本发明还公开了该光阳极在太阳能电池中的应用。
背景技术
羧酸联吡啶钌配合物敏化多孔二氧化钛纳米结构光阳极的光伏电池——染料敏化太阳能电池，为光电化学电池的发展带来了革命性的创新，光电转换效率高、价格又远低于传统半导体太阳能电池，二氧化钛纳米结构光阳极主要包括透明导电基片和涂覆于其上的二氧化钛纳米颗粒涂膜，透明导电基片常采用导电玻璃。该方面的技术文献可参考申请号为200810041804.0的中国发明申请公开《染料敏化太阳能电池光阳极的制备方法》(公开号：CN101339851A)。
作为染料敏化纳米晶太阳能电池光阳极的二氧化钛薄膜起着吸附染料敏化剂，有效快速的向外电路传输电子的重要作用。单纯由二氧化钛纳米粒子涂覆的二氧化钛薄膜，对长波段可见光的吸收较弱，这对提高电池的光电转换效率不利。理论和实验都证实，加入大的散射粒子会增加光在二氧化钛薄膜中的传播路径，增加光被二氧化钛薄膜吸收的几率，这有助于电池光电转换效率的提高。
为此，清华大学公开了一种利用金属化合物来修饰二氧化钛光阳极的方法，来改善光电转换效率，参考申请号为200710090556.4的中国发明申请公开《染料敏化太阳能电池光阳极及其制备方法》(公开号：CN101030607A)，该申请在导电基底上制备TiO2纳米多孔薄膜，用金属化合物对该膜进行表面修饰后，再吸附染料，通过金属化合物层的修饰，形成表面势垒、提高半导体能级、抑制表面态等不同机理，大大改善电池的光电转换性能，提高太阳能电池的光电转换效率。
发明内容
本发明所要解决的第一个技术问题是针对上述的技术现状而另外提供一种能提高太阳能电池的光电转换效率的染料敏化纳米晶太阳能电池的光阳极。
本发明所要解决的第二个技术问题是提供一种染料敏化纳米晶太阳能电池光阳极的制备方法。
本发明所要解决的第三个技术问题是提供一种染料敏化纳米晶太阳能电池光阳极在太阳能电池上应用。
本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种染料敏化纳米晶太阳能电池光阳极，包括透明导电基片和涂覆于透明导电基片的涂膜，该涂膜中含有二氧化钛纳米颗粒，其特征在于所述的涂膜中还均匀混合有锐钛矿二氧化钛空心球。
一种染料敏化纳米晶太阳能电池光阳极的制备方法，其特征在于包括如下步骤：
①胶体碳球的制备，配制质量百分比为16.6％～33.4％的糖类水溶液，密封，水热，将所得产物分离，取固体物质，洗涤后烘干，得到胶体碳球；
②C/TiO2复合球的制备，取步骤①中的胶体碳球，溶于有机溶剂中，分散均匀，然后滴加钛酸四丁酯，然后在充满惰性气体或氮气的真空手套箱中搅拌，再将所得溶液旋转分离，取固体物质，洗涤，得到C/TiO2复合球；
③制备浆料，将步骤②中的C/TiO2复合球与磨好的二氧化钛纳米颗粒酒精悬浮液掺混，搅拌，得到均匀的浆料；
④煅烧获得光阳极，上述浆料均匀的涂覆于透明导电基片上，得到涂膜，然后煅烧，碳球在煅烧过程中被烧掉，透明导电基片上就形成了由锐钛矿二氧化钛空心球和二氧化钛纳米颗粒构成的光阳极，
其中，步骤②中碳球与钛酸四丁酯质量比为1∶5～1∶20。
一种染料敏化纳米晶太阳能电池的制备方法，其特征在于包括如下步骤：
①胶体碳球的制备，配制质量百分比为16.6％～33.4％的糖类水溶液，密封，水热，将所得产物分离，取固体物质，洗涤后烘干，得到胶体碳球；
②C/TiO2复合球的制备，取步骤①中的胶体碳球，溶于有机溶剂中，分散均匀，然后滴加钛酸四丁酯，然后在充满惰性气体或氮气的真空手套箱中搅拌，再将所得溶液旋转分离，取固体物质，洗涤，得到C/TiO2复合球；
③制备浆料，将步骤②中的C/TiO2复合球与磨好的二氧化钛纳米颗粒酒精悬浮液掺混，搅拌，得到均匀的浆料；
④煅烧获得光阳极，上述浆料均匀的涂覆于透明导电基片上，得到涂膜，然后煅烧，碳球在煅烧过程中被烧掉，透明导电基片上就形成了由锐钛矿二氧化钛空心球和二氧化钛纳米颗粒构成的光阳极，
⑤光阳极经过染料敏化，滴加电解液，加上铂对电极，即可组装成染料敏化纳米晶太阳能电池，
其中，步骤②中碳球与钛酸四丁酯质量比为1∶5～1∶20。
步骤①中所述的糖类可以是蔗糖或葡萄糖，步骤②中的有机溶剂可以是无水乙醇或甲苯。
作为优选，步骤①中所述的水热在高压釜中进行，并且，水热温度为160～220℃，水热时间为4～12小时。
作为优选，步骤①中所得的胶体碳球直径为400～1000nm。
作为优选，步骤④中浆料均匀的涂覆于导电玻璃所得的膜的厚度为10～16μm。
作为优选，步骤④中在马福炉中完成煅烧，煅烧温度为400～500℃。
作为优选，光阳极涂膜中二氧化钛空心球与二氧化钛纳米颗粒质量比为1∶10～1∶30之间。
步骤⑤中所用的电解液成分为1M的LiI，0.1M的I2，0.5M的4-丁基吡啶，溶剂为乙腈和碳酸丙烯酯，其中乙腈和碳酸丙烯酯的体积比为1∶1。
与现有技术相比，本发明的优点在于：将二氧化钛空心球作为散射粒子用于染料敏化纳米晶太阳能电池的光阳极，增加了光被二氧化钛纳米薄膜吸收的几率，使电池的光电转换效率有较大的提高。本发明的制备方法制备简单，环保，成本低廉，对设备没有特殊要求。
具体实施方式
以下结合实施例对本发明作进一步详细描述。
实施例1：由0.2g 600nm碳球和4.0g TBT所得二氧化钛空心球与含2.5g二氧化钛纳米颗粒酒精悬浮液均匀混合所涂覆的二氧化钛薄膜电极的光电转换性能。
600nm碳球由1M的葡萄糖水溶液，放入高压釜中密封，水热8小时，保持温度200℃，将所得产物旋转分离，取固体物质，用乙醇和蒸馏水反复洗涤四次，然后80℃，5小时烘干，得到600nm碳球。将该碳球0.2g溶于30ml甲苯，100～600W的大功率超声分散后，滴入4.0gTBT，在充满氮气的真空手套箱中搅拌16小时，再将所得溶液旋转分离，取固体物质，用乙醇和水反复洗涤四次，得到C/TiO2复合球。然后将复合球与已经在球磨机球磨24小时的2.5g二氧化钛纳米颗粒酒精悬浮液掺混，再经搅拌4小时，得到均匀浆料，然后用粉末涂覆法在透明导电基片上涂膜，膜厚为15μm。将涂好膜的导电玻璃在马福炉中420℃，2小时煅烧，得到具有锐钛矿二氧化钛空心球涂膜的染料敏化纳米晶太阳能电池的光阳极。将该光阳极浸泡于浓度为5×10-4mmol/L的N3(分子式为：RuL2(NCS)2H4·4H2O，购自澳大利亚的DYESOL公司，下同)溶液24小时，光阳极被染料充分敏化。然后将光阳极与铂对电极对接，滴入电解液，在氙灯模拟太阳光源下测试其效率。电解液的成分为1M的LiI，0.1M的I2，0.5的M的4-丁基吡啶，溶剂为乙腈和碳酸丙烯酯(PC)(体积比为1∶1)。测效率所使用氙灯模拟太阳光，光强为90.4mW/cm2(光强计：北京师范大学，型号：FZ-A).在该光强下，测得该薄膜电极所组成的电池光电转换效率为6.47％，比单纯由P25纳米粒子涂膜所得电池的效率5.82％提高了11.2％。实施例中透明导电基片采用导电玻璃。
实施例2：由0.2g 600nm的碳球和4.0g TBT所得二氧化钛空心球与含5.0g二氧化钛纳米颗粒酒精悬浮液均匀混合所涂覆的二氧化钛薄膜电极的光电转换性能。
600nm碳球由1M的葡萄糖水溶液，放入高压釜中密封，水热8小时，保持温度200℃，将所得产物旋转分离，取固体物质，用乙醇和蒸馏水反复洗涤四次，然后80℃，5小时烘干，得到600nm碳球。将该碳球0.2g溶于30ml甲苯，100～600W的大功率超声分散后，滴入4.0gTBT，在充满氮气的真空手套箱中搅拌16小时，再将所得溶液旋转分离，取固体物质，用乙醇和水反复洗涤四次，得到C/TiO2复合球。然后与已经在球磨机球磨24小时的5.0g二氧化钛纳米颗粒酒精悬浮液掺混，再经搅拌4小时后在导电玻璃上涂膜，膜厚为15μm。将涂好膜的导电玻璃在马福炉中420℃，2小时煅烧，得到染料电池的光阳极。将该光阳极浸泡于浓度为5×10-4mmol/L的N3溶液24小时，光阳极被染料充分敏化。将光阳极与铂对电极对接，滴入电解液，在氙灯模拟太阳光源下测试其效率。电解液的成分为1M的LiI，0.1M的I2，0.5M的4-丁基吡啶，溶剂为乙腈和碳酸丙烯酯(PC)(体积比为1∶1)。测效率所使用氙灯模拟太阳光，光强为90.4mW/cm2(光强计：北京师范大学，型号：FZ-A).在该光强下，测得该薄膜电极所组成的电池光电转换效率为6.72％，比单纯由二氧化钛纳米颗粒涂膜所得电池的效率5.82％提高了15.5％。
实施例3：由0.2g 600nm碳球和4.0g TBT所得二氧化钛空心球与含6.5g二氧化钛纳米颗粒酒精悬浮液均匀混合所涂覆的二氧化钛薄膜电极的光电转换性能。
600nm碳球由1M的葡萄糖水溶液，放入高压釜中密封，水热8小时，保持温度200℃，将所得产物旋转分离，取固体物质，用乙醇和蒸馏水反复洗涤四次，然后80℃，5小时烘干，得到600nm碳球。将该碳球0.2g溶于30ml甲苯，100～600W的大功率超声分散后，滴入4.0gTBT，在充满氮气的真空手套箱中搅拌16小时，再将所得溶液旋转分离，取固体物质，用乙醇和水反复洗涤四次，得到C/TiO2复合球，然后与已经在球磨机球磨了24小时的6.5g二氧化钛纳米颗粒酒精悬浮液掺混，再经搅拌4小时后在导电玻璃上涂膜，膜厚为15μm。将涂好膜的导电玻璃在马福炉中420℃，2小时煅烧，得到染料电池的光阳极。将该光阳极浸泡于浓度为5×10-4mmol/L的N3溶液24小时，光阳极被染料充分敏化。将光阳极与铂对电极对接，滴入电解液，在氙灯模拟太阳光源下测试其效率。电解液的成分为1M的LiI，0.1M的I2，0.5M的4-丁基吡啶，溶剂为乙腈和碳酸丙烯酯(PC)(体积比为1∶1)。测效率所使用氙灯模拟太阳光，光强为90.4mW/cm2(光强计：北京师范大学，型号：FZ-A).在该光强下，测得该薄膜电极所组成的电池光电转换效率为6.02％，比单纯由二氧化钛纳米颗粒涂膜所得电池的效率5.82％提高了3.4％。
对比实施例：二氧化钛纳米颗粒(26nm)5g，加入0.4ml曲拉通，0.8ml乙酰丙酮，30ml乙醇，球磨机球磨24小时。将所得浆料在导电玻璃上均匀涂膜，膜厚为15μm。然后420℃，2小时煅烧，得到染料电池的光阳极。将该光阳极浸泡于浓度为5×10-4mmol/L的N3溶液24小时，光阳极被染料充分敏化。将光阳极与铂对电极对接，滴入电解液，在氙灯模拟太阳光源下测试其效率。电解液的成分为1M的LiI，0.1M的I2，0.5M的4-丁基吡啶，溶剂为乙腈和碳酸丙烯酯(PC)(体积比为1∶1)。测效率所使用氙灯模拟太阳光，光强为90.4mW/cm2(光强计：北京师范大学，型号：FZ-A)。在该光强下，测得该薄膜电极所组成的电池光电转换效率为5.82％。

Claims (10)

1.一种染料敏化纳米晶太阳能电池光阳极，包括透明导电基片和涂覆于透明导电基片的涂膜，该涂膜中含有二氧化钛纳米颗粒，其特征在于所述的涂膜中还均匀混合有锐钛矿二氧化钛空心球。
2.一种染料敏化纳米晶太阳能电池光阳极的制备方法，其特征在于包括如下步骤：
①胶体碳球的制备，配制质量百分比为16.6％～33.4％的糖类水溶液，密封，水热，将所得产物分离，取固体物质，洗涤后烘干，得到胶体碳球；
②C/TiO2复合球的制备，取步骤①中的胶体碳球，溶于有机溶剂中，分散均匀，然后滴加钛酸四丁酯，然后在充满惰性气体或氮气的真空手套箱中搅拌，再将所得溶液旋转分离，取固体物质，洗涤，得到C/TiO2复合球；
③制备浆料，将步骤②中的C/TiO2复合球与磨好的二氧化钛纳米颗粒酒精悬浮液掺混，搅拌，得到均匀的浆料；
④煅烧获得光阳极，上述浆料均匀的涂覆于透明导电基片上，得到涂膜，然后煅烧，碳球在煅烧过程中被烧掉，透明导电基片上就形成了由锐钛矿二氧化钛空心球和二氧化钛纳米颗粒构成的光阳极，
其中，步骤②中碳球与钛酸四丁酯质量比为1∶5～1∶20。
3.一种染料敏化纳米晶太阳能电池的制备方法，其特征在于包括如下步骤：
①胶体碳球的制备，配制质量百分比为16.6％～33.4％的糖类水溶液，密封，水热，将所得产物分离，取固体物质，洗涤后烘干，得到胶体碳球；
②C/TiO2复合球的制备，取步骤①中的胶体碳球，溶于有机溶剂中，分散均匀，然后滴加钛酸四丁酯，然后在充满惰性气体或氮气的真空手套箱中搅拌，再将所得溶液旋转分离，取固体物质，洗涤，得到C/TiO2复合球；
③制备浆料，将步骤②中的C/TiO2复合球与磨好的二氧化钛纳米颗粒酒精悬浮液掺混，搅拌，得到均匀的浆料；
④煅烧获得光阳极，上述浆料均匀的涂覆于透明导电基片上，得到涂膜，然后煅烧，碳球在煅烧过程中被烧掉，透明导电基片上就形成了由锐钛矿二氧化钛空心球和二氧化钛纳米颗粒构成的光阳极，
⑤光阳极经过染料敏化，滴加电解液，加上铂对电极，即可组装成染料敏化纳米晶太阳能电池，
其中，步骤②中碳球与钛酸四丁酯质量比为1∶5～1∶20。
4.根据权利要求2或3所述的制备方法，其特征在于步骤①中所述的糖类为蔗糖或葡萄糖，步骤②中的有机溶剂为无水乙醇或甲苯。
5.根据权利要求2或3所述的制备方法，其特征在于步骤①中所述的水热在高压釜中进行，并且，水热温度为160～220℃，水热时间为4～12小时。
6.根据权利要求2或3所述的制备方法，其特征在于步骤①中所得的胶体碳球直径为400～1000nm。
7.根据权利要求2或3所述的制备方法，其特征在于步骤④中浆料均匀的涂覆于导电玻璃所得的膜的厚度为10～16μm。
8.根据权利要求2或3所述的制备方法，其特征在于步骤④中在马福炉中完成煅烧，煅烧温度为400～500℃。
9.根据权利要求1或2或3所述的制备方法，其特征在于光阳极涂膜中二氧化钛空心球与二氧化钛纳米颗粒质量比为1∶10～1∶30之间。
10.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于步骤⑤中所用的电解液成分为1M的LiI，0.1M的I2，0.5M的4-丁基吡啶，溶剂为乙腈和碳酸丙烯酯，其中乙腈和碳酸丙烯酯的体积比为1∶1。
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