CN102005309A - 含TiO2双锥的染料敏化太阳能电池及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种含TiO2双锥的染料敏化太阳能电池及其制备方法，太阳能电池为三明治结构的染料敏化太阳能，电池两边部分分别为导电玻璃FTO和对电极，中间两部分分别为浸渍有有机染料的TiO2双锥薄膜电极和电解质溶液。以200－300nmTiO2双锥为电极材料的染料敏化太阳能电池的转化效率达4.4％，在可见光范围的光电转化效率也较以普通TiO2粒子为电极材料的染料敏化太阳能电池有大幅度的提升，并且该方法操作简便、成本低、电池性能好，具有优异的经济效益。

Description

含TiO2双锥的染料敏化太阳能电池及其制备方法
技术领域
 本发明属于太阳能电池技术领域，更具体涉及一种含TiO2双锥的染料敏化太阳能电池及其制备方法。
背景技术
 染料敏化太阳能电池(DSSC)因其制备成本便宜引起了广范的关注，但是目前不仅存在封装的问题，而且其光电转化效率还较低。提高电池光电转换效率的较为重要的技术之一是提高染料敏化TiO2薄膜电极吸收太阳光的效率，目前提高光电转化效率的方法有多种，例如：制备浸渍有机染料及钌染料的Ti（l-x）SnxO2纳米晶薄膜层的太阳能电池，对有机染料敏化过程进行温度处理，制备有机染料及钌染料的锡酸锌纳米晶薄膜层等方法都可在不同程度上提高太阳能电池的光电转化效率。
发明内容
 本发明的目的在于提供一种含TiO2双锥的染料敏化太阳能电池及其制备方法，该方法操作简便、成本低、电池性能好，具有优异的经济效益。
本发明是通过如下技术方案实施的：
一种含TiO2双锥的染料敏化太阳能电池，为三明治结构的染料敏化太阳能，电池两边部分分别为导电玻璃FTO和对电极，中间两部分分别为浸渍有有机染料的TiO2双锥薄膜电极和电解质溶液。
所述太阳能电池的制备方法的具体步骤为：
1）0.5～2克二氧化钛和浓度为40～60 毫升 10～15摩尔/升的碱溶液在不锈钢高压釜或聚四氟乙烯容器中混合均匀，混合物在453～493K下反应60～100 h；生成的产物pH值调节至9～11，再将其置于不锈钢高压釜或聚四氟乙烯容器中在453～493K下反应2～3天后，经过蒸馏水洗涤，在323～373K下常压干燥1～40h，得到TiO2双锥；
2）薄膜电极浆料的制备：以2-5 g TiO2双锥为原料，2-10 g 10%乙基纤维素为粘结剂，1-3 g 松节油和2-20g 酒精为溶剂调制成透明溶液：利用旋涂技术把溶液涂布在导电玻璃上，经过400－500℃烧结，制成具有规则孔结构的TiO2双锥薄膜电极；
3） 将步骤2）制备的TiO2双锥薄膜电极浸渍到有机染料溶液中3－6小时后取出，电极薄膜的颜色由白色变为红色；再把它与对电极和注入液态电解质溶液组装在一起，形成三明治结构的染料敏化太阳能电池。
所述步骤1）中的碱溶液可为氢氧化钠溶液。
所述步骤1）中生成的产物pH值调节采用0.1～0.5摩尔/升的盐酸或硝酸。
所述步骤3）中的有机染料为0.2-0.4mmol的有机染料N719溶液。
本发明以暴露（101）面的TiO2双锥为电极材料，使染料在TiO2表面的吸收率提高，同时增加薄膜电极中的反射中心，用来提高薄膜对光的反射率，来增加光子在薄膜中的传播路程，提高染料对光子的吸收效率，达到提高光电转换效率的目的。
本发明的优点为：本发明制备了200－300nm的TiO2双锥电极材料。TiO2双锥的八个（101）面都完全暴露出来。据报道TiO2的（101）面对染料（N719）的吸收率比其它晶面高，且对染料的敏化程度也比其它晶面高。TiO2的（101）面对太阳光的折射率较强。当太阳光照射到染料敏化太阳能电池上时，光首先被吸附在电极薄膜上的染料吸收一部分，还有一部分透射过来。当遇到TiO2双锥时，TiO2双锥可以把照射过来的光反射回去，并且可以进行多次反射，使染料对反射回来的光进行再一次的吸收。TiO2双锥的多次反射效应， 增长了光子在电极薄膜中的传播路程，增加了染料分子吸收光子的概率，使光能吸收效率进一步提高，特别是提高染料分子在长波区的光能吸收效率，这样会增加光电流的输出，从而达到提高染料敏化太阳能电池光电转换效率的目的。以普通200－300nm的TiO2粒子为薄膜电极的太阳能电池的转化效率为0.29％，而以200－300nm TiO2双锥为电极材料的染料敏化太阳能电池的转化效率达4.4％。以200－300nm TiO2双锥为电极材料的染料敏化太阳能电池在可见光范围的光电转化效率也较以普通TiO2粒子为电极材料的染料敏化太阳能电池有大幅度的提升，并且该方法操作简便、成本低、电池性能好，具有优异的经济效益。
附图说明
图1是本发明产品TiO2双锥的扫描电镜照片；
图2是本发明产品TiO2双锥的X射线粉末衍射图；
图3是本发明的光电流电压关系曲线；其中横坐标：开路电压 Voc；纵坐标：短路电流 Jsc；FF：填充因子；Eff：转化效率；
图4是本发明的光谱响应曲线图，其中IPCE：量子转化效率；Wavelength：波长。
具体实施方式
一种含TiO2双锥的染料敏化太阳能电池的制备方法的具体步骤为：
1）0.5～2克二氧化钛和浓度为40～60 毫升 10～15摩尔/升的碱溶液在不锈钢高压釜或聚四氟乙烯容器中充分混合均匀，混合物在453～493K下反应60～100 h；生成的产物pH值调节至9～11，再将其置于不锈钢高压釜或聚四氟乙烯容器中在453～493K下反应2～3天后，经过蒸馏水充分洗涤，在323～373K下常压干燥1～40h，得到TiO2双锥；
2）薄膜电极浆料的制备：以2-5 g TiO2双锥为原料，2-10 g 10%乙基纤维素为粘结剂，1-3 g 松节油和2-20 g 酒精为溶剂调制成透明溶液：利用旋涂技术把溶液涂布在导电玻璃上，经过400－500℃烧结，制成具有规则孔结构的TiO2双锥薄膜电极；
3） 将步骤2）制备的TiO2双锥薄膜电极浸渍到有机染料溶液中3－6小时后取出，电极薄膜的颜色由白色变为红色；再把它与对电极和注入液态电解质溶液组装在一起，形成三明治结构的染料敏化太阳能电池。
所述步骤1）中的碱溶液可为氢氧化钠溶液。
所述步骤1）中生成的产物pH值调节采用0.1～0.5摩尔/升的盐酸或硝酸。
所述步骤3）中的有机染料为0.2-0.4mmol的有机染料N719溶液。
实施例1
一种含TiO2双锥的染料敏化太阳能电池的制备方法的具体步骤为：
1）0.5克二氧化钛和浓度为40毫升 10摩尔/升的碱溶液在不锈钢高压釜或聚四氟乙烯容器中充分混合均匀，混合物在453K下反应60 h；生成的产物pH值调节至9，再将其置于不锈钢高压釜或聚四氟乙烯容器中在453K下反应2天后，经过蒸馏水充分洗涤，在323K下常压干燥40h，得到TiO2双锥；
2）薄膜电极浆料的制备：将2 g TiO2双锥为原料，2 g 10%乙基纤维素为粘结剂，1 g 松节油和2 g 酒精为溶剂调制成透明溶液：利用旋涂技术把溶液涂布在导电玻璃上，经过400℃烧结，制成具有规则孔结构的TiO2双锥薄膜电极；
3） 将步骤2）制备的TiO2双锥薄膜电极浸渍到有机染料溶液中3小时后取出，电极薄膜的颜色由白色变为红色；再把它与对电极和注入液态电解质溶液组装在一起，形成三明治结构的染料敏化太阳能电池。
所述步骤1）中的碱溶液可为氢氧化钠溶液。
所述步骤1）中生成的产物pH值调节采用0.1摩尔/升的盐酸。
所述步骤3）中的有机染料为0.4mmol的有机染料N719溶液。
实施例2
一种含TiO2双锥的染料敏化太阳能电池的制备方法的具体步骤为：
1）2克二氧化钛和浓度为60 毫升15摩尔/升的碱溶液在不锈钢高压釜或聚四氟乙烯容器中充分混合均匀，混合物在493K下反应100 h；生成的产物pH值调节至11，再将其置于不锈钢高压釜或聚四氟乙烯容器中在493K下反应3天后，经过蒸馏水充分洗涤，在373K下常压干燥1h，得到TiO2双锥；
2）薄膜电极浆料的制备：将5 g TiO2双锥为原料， 10 g 10%乙基纤维素为粘结剂， 3 g 松节油和20 g 酒精为溶剂调制成透明溶液：利用旋涂技术把溶液涂布在导电玻璃上，经过500℃烧结，制成具有规则孔结构的TiO2双锥薄膜电极；
3） 将步骤2）制备的TiO2双锥薄膜电极浸渍到有机染料溶液中6小时后取出，电极薄膜的颜色由白色变为红色；再把它与对电极和注入液态电解质溶液组装在一起，形成三明治结构的染料敏化太阳能电池。
所述步骤1）中的碱溶液可为氢氧化钠溶液。
所述步骤1）中生成的产物pH值调节采用0.5摩尔/升的硝酸。
所述步骤3）中的有机染料为0.2mmol的有机染料N719溶液。
实施例3
一种含TiO2双锥的染料敏化太阳能电池的制备方法的具体步骤为：
1）1克二氧化钛和浓度为50毫升 14摩尔/升的碱溶液在不锈钢高压釜或聚四氟乙烯容器中充分混合均匀，混合物在460K下反应80 h；生成的产物pH值调节至10，再将其置于不锈钢高压釜或聚四氟乙烯容器中在480K下反应2天后，经过蒸馏水充分洗涤，在350K下常压干燥35h，得到TiO2双锥；
2）薄膜电极浆料的制备：将4g TiO2双锥为原料，8g 10%乙基纤维素为粘结剂，2g 松节油和15g 酒精为溶剂调制成透明溶液：利用旋涂技术把溶液涂布在导电玻璃上，经过450℃烧结，制成具有规则孔结构的TiO2双锥薄膜电极；
3） 将步骤2）制备的TiO2双锥薄膜电极浸渍到有机染料溶液中5小时后取出，电极薄膜的颜色由白色变为红色；再把它与对电极和注入液态电解质溶液组装在一起，形成三明治结构的染料敏化太阳能电池。
所述步骤1）中的碱溶液可为氢氧化钾溶液。
所述步骤1）中生成的产物pH值调节采用0.4摩尔/升的盐酸。
所述步骤3）中的有机染料为0.3mmol的有机染料N719溶液。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。

Claims (5)

1.一种含TiO2双锥的染料敏化太阳能电池，其特征在于：所述太阳能电池为三明治结构的染料敏化太阳能，电池两边部分分别为导电玻璃FTO和对电极，中间两部分分别为浸渍有有机染料的TiO2双锥薄膜电极和电解质溶液。
2.一种如权利要求1所述的含TiO2双锥的染料敏化太阳能电池的制备方法，其特征在于：所述太阳能电池的制备方法的具体步骤为：
1）0.5～2克二氧化钛和40～60 毫升浓度为10～15摩尔/升的碱溶液在不锈钢高压釜或聚四氟乙烯容器中混合均匀，混合物在453～493K下反应60～100 h；生成的产物pH值调节至9～11，再将其置于不锈钢高压釜或聚四氟乙烯容器中在453～493K下反应2～3天后，经过蒸馏水洗涤，在323～373K下常压干燥1～40h，得到TiO2双锥;
2）薄膜电极浆料的制备：以2-5 g TiO2双锥为原料，2-10 g 10%乙基纤维素为粘结剂，1-3 g 松节油和2-20g 酒精为溶剂调制成透明溶液：利用旋涂技术把溶液涂布在导电玻璃上，经过400－500℃烧结，制成具有规则孔结构的TiO2双锥薄膜电极；
3） 将步骤2）制备的TiO2双锥薄膜电极浸渍到有机染料溶液中3－6小时后取出，电极薄膜的颜色由白色变为红色；再把它与对电极和注入液态电解质溶液组装在一起，形成三明治结构的染料敏化太阳能电池。
3.根据权利要求2所述的含TiO2双锥的染料敏化太阳能电池的制备方法，其特征在于：所述步骤1）中的碱溶液可为氢氧化钠溶液。
4.根据权利要求2所述的含TiO2双锥的染料敏化太阳能电池的制备方法，其特征在于：所述步骤1）中生成的产物pH值调节采用0.1～0.5摩尔/升的盐酸或硝酸。
5.根据权利要求2所述的含TiO2双锥的染料敏化太阳能电池的制备方法，其特征在于：所述步骤3）中的有机染料为0.2-0.4mmol的有机染料N719溶液。
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