CN102013328A - 一种染料敏化太阳能电池复合光阳极及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种染料敏化太阳能电池复合光阳极及其制备方法，属于太阳能电池技术领域。该电极包括反蛋白石结构的透明导电基底和有序介孔半导体层，其中有序介孔半导体层填充于导电基底的孔道中。导电基底由透明导电玻璃及附着其上的反蛋白石结构的氟、锑掺杂二氧化锡光子晶体组成，有序介孔半导体层为介孔二氧化钛层。本发明可显著减小光生电子向导电膜的转移距离。
Description
技术领域
本发明涉及一种染料敏化太阳能电池复合光阳极及其制备方法，属于染料敏化太阳能电池技术领域。
背景技术
全球性的化石能源危机正日益威胁到人类的生存与发展，如何利用环保清洁又可持续的新能源成为了各国科学家的研究热点。自上世纪90年代，以二氧化钛纳米晶为半导体电极的染料敏化太阳能电池以其廉价的成本和稳定的性能，吸引了众多研究者的关注。目前具有高光电转换效率的染料敏化太阳能电池全部采用基于二氧化钛材料的光电极。
在理想的光电极中，氧化物半导体膜中电子的扩散长度Ln应远大于氧化物半导体的膜厚d，以保证电荷从半导体向透明导电膜的传输。目前许多研究从如何提高二氧化钛层的有序度出发，以提高电子在二氧化钛多孔膜中的传输速率，增加扩散长度，但受限于二氧化钛本身特性，其扩散长度较难显著提高，阻碍了光电极性能的进一步改善。通过对导电基底结构的设计，有望改善电子传输提高光电转换效率。例如中国专利CN101447339将氟掺杂的氧化锡涂覆在印刷有金属栅极的玻璃上，增加导电膜的电子传输能力，但其金属栅极多为贵金属浆料制备而成，成本较高，且贵金属不透光，作为光阳极材料会影响敏化半导体层对光线的采集。中国专利CN1307728C采用阳极氧化法在已有导电玻璃上形成了多孔导电膜，二氧化钛可填充于孔道中，但其孔深度小于导电玻璃厚度的1/10，而商业化导电玻璃上的导电膜厚度为200 nm左右，因此导电膜的孔体积较小，无法负载足够多的二氧化钛。中国专利CN101521118A将导电的多孔钛膜或钛网穿插至纳米晶氧化物层中，多孔钛膜或钛网并不透明，同样影响纳米晶氧化物层对光的采集。中国专利CN100505324C提出使用有机导电材料或金属做为导电膜，同样不利于纳米晶氧化物层对阳光的采集，而且半导体层由大小各异的半导体粒子构成，晶粒边界的无序结构会增强自由电子的散射、降低电子的迁移率，晶界存在大量的晶格缺陷成为俘获电子的陷阱，会阻碍电子向导电膜的转移。
如何在保证导电膜的透光性和二氧化钛负载量的同时，减小电子从二氧化钛层向导电膜的传输距离，对染料敏化太阳能电池的性能的研究有重要的意义。
发明内容
本发明的目的之一在于提供一种染料敏化太阳能电池复合光阳极，在保证光阳极透光性和二氧化钛负载量的同时，显著缩短光电子从二氧化钛层向导电膜的传输距离，达到提高光电转化率的效果。
本发明的目的之二在于提供该复合光阳极的制备方法。
为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种染料敏化太阳能电池复合光阳极结构，其特征在于：包括反蛋白石结构的透明导电基底和有序介孔半导体层，其中有序介孔半导体层填充于导电基底的孔道中，其填充度为10～100% V/V。
上述的导电基底由透明导电玻璃和附着其上的反蛋白石结构的氟、锑掺杂二氧化锡组成；所述的透明导电玻璃为铟锡氧化物（ITO）导电玻璃或氟掺杂二氧化锡（FTO）导电玻璃；所述的氟、锑掺杂二氧化锡为氟掺杂二氧化锡或锑掺杂二氧化锡或氟锑共掺杂二氧化锡，其空气孔径为100～2000nm，厚度为0.1～20μm。
上述的有序介孔半导体层为有序介孔二氧化钛层，介孔孔径范围为2～10nm。
一种制备上述的染料敏化太阳能电池复合光阳极结构的制备方法，其特征在于该方法的具体步骤为：
a. 以附着于透明导电玻璃上的直径为150～2500nm的聚苯乙烯微球作为硬模板，导入锑或氟掺杂的二氧化锡的前驱体溶液后，经450～600 oC下煅烧1～4小时制得反蛋白石结构的透明导电基底；
b. 将含有非离子型表面活性剂或阳离子表面活性剂的二氧化钛的前驱体溶液，填充于导电基底的孔道中，在5～40 oC，湿度50～80%的条件下，溶剂挥发12～48小时后，并在350～600 oC下煅烧1～4小时得到复合光阳极材料。
上述的二氧化锡的前驱体为锡盐如二氯化锡或四氯化锡或草酸锡，其中，锑的前驱物为锑盐如五氯化锑或三氯化锑，锑与锡元素摩尔比为（0～0.1）：1，其氟的前驱物为氟盐如氟化钠或氟化铵或氟化钾，氟与锡元素摩尔比为（0～4）：1，其溶剂为乙醇、异丙醇或丁醇。
上述的非离子型表面活性剂为三嵌段共聚物如EO20PO70EO20或EO106PO70EO106；上述的阳离子表面活性剂为十六烷基三甲基溴化铵CTAB或十二烷基硫酸钠。
上述的二氧化钛的醇盐前驱体为钛酸四丁酯、钛酸异丙酯或钛酸四乙酯，其溶剂为乙醇、异丙醇或丁醇。
本发明方法的优点如下所述：
（1）本发明通过设计反蛋白石结构的导电基底，从而显著缩短光电子从二氧化钛层向导电膜的传输距离，改善光生电子传输。
（2）本发明中导电基底材料为二氧化锡光子晶体，具有良好的透光性，有利于太阳光的有效采集和转化。
（3）本发明方法将反蛋白石结构的导电膜和有序介孔二氧化钛层复合，形成互相穿插网络结构的光电极，使光电极同时具有高比表面积，高有序度和双孔径等特点，有利于提高二氧化钛的负载量。
（4）本发明工艺方法简单易行，反应条件温和，不需要昂贵的设备和原料，便于生产控制和推广。
附图说明
图1为本发明中的反蛋白石结构透明导电膜的的扫描电镜图，从图中可以看出，各空气孔之间相互连通。
图2为本发明中的染料敏化太阳能电池复合光阳极的扫描电镜图，从图中可以看出，二氧化钛沉积在反蛋白石结构的孔道中。
其中1—反蛋白石结构的透明导电基底，2—有序介孔半导体层。
具体实施方式
实施例1：
染料敏化太阳能电池复合光阳极的制备方法，通过如下步骤实现：
第一步，采用直径为500nm的聚苯乙烯微球作为模板剂，通过室温垂直沉积法，在2×2cm2的铟锡氧化物（ITO）导电玻璃上，制备厚度为5μm的聚苯乙烯胶晶板；
第二步，将制备好的胶晶板浸泡在适当浓度的锑掺杂的二氯化锡乙醇溶液中，其中锑的前驱物为五氯化锑，锑与锡摩尔比为0.015：1，通过浸渍提拉法，提拉5次后，将所得产物置于马弗炉中，500 oC下煅烧1h，得到空气孔径为450nm，厚度为9μm的反蛋白石结构的掺锑二氧化锡。
第三步，将制备好的掺锑二氧化锡反蛋白石结构置于适当浓度的含有嵌段聚合物EO20PO70EO20的钛的前驱物中，其中钛的前驱物为钛酸四丁酯，溶剂为乙醇，通过低速旋涂，在温度为20oC，湿度为60%的情况下，溶剂挥发24h，将所得产物置于马弗炉中，400 oC下煅烧2h，得到填充度为50%的，有序介孔半导体层的孔径为5nm染料敏化太阳能电池的复合光阳极结构。
实施例2：
染料敏化太阳能电池复合光阳极的制备方法，通过如下步骤实现：
第一步，采用直径为1500nm的聚苯乙烯微球作为模板剂，通过室温垂直沉积法，在2×2cm2的铟锡氧化物（ITO）导电玻璃上，制备厚度为10μm的聚苯乙烯胶晶板；
第二步，将制备好的胶晶板浸泡在适当浓度的氟掺杂的四氯化锡丁醇溶液中，其中氟的前驱物为氟化钠，氟与锡摩尔比为3：1，通过浸渍提拉法，提拉2次后，将所得产物置于马弗炉中，600 oC下煅烧1h，得到孔径为1200nm，厚度为12μm的反蛋白石结构的掺锑二氧化锡；
第三步，将制备好的掺锑二氧化锡反蛋白石结构置于适当浓度的含有嵌段聚合物EO106PO70EO106的钛的前驱物中，其中钛的前驱物为钛酸四丁酯，溶剂为丁醇，通过低速旋涂，在温度为30oC，湿度为70%的情况下，溶剂挥发12h，将所得产物置于马弗炉中，500 oC下煅烧1h，得到填充度为30%的，有序介孔半导体层的孔径为8nm的染料敏化太阳能电池的复合光阳极结构。
实施例3：
染料敏化太阳能电池复合光阳极的制备方法，通过如下步骤实现：
第一步，采用直径为300nm的聚苯乙烯微球作为模板剂，通过浸渍提拉法，在2×2cm2的氟掺杂二氧化锡（FTO）导电玻璃上，制备厚度为2μm的聚苯乙烯胶晶板；
第二步，将制备好的胶晶板浸泡在适当浓度的氟、锑共掺杂的二氯化锡异丙醇溶液中，其中氟化物的前驱物为氟化铵，氟与锡摩尔比为2：1，锑的前驱物为三氯化锑，锑与锡摩尔比为0.05：1通过浸渍提拉法，提拉3次后，将所得产物置于马弗炉中，450 oC下煅烧1h，得到孔径为250nm，厚度为4.5μm的反蛋白石结构的氟锑共掺杂二氧化锡；
第三步，将制备好的氟锑共掺杂二氧化锡反蛋白石结构置于适当浓度的含有十六烷基三甲基溴化铵CTAB的钛的前驱物中，其中钛的前驱物为钛酸异丙酯，溶剂为丙醇，通过提拉法，在前驱物溶液中提拉2次，在温度为40oC，湿度为80%的情况下，溶剂挥发36h，将所得产物置于马弗炉中，600 oC下煅烧1h，得到填充度为70%的，有序介孔半导体层的孔径为3nm的染料敏化太阳能电池的复合光阳极结构。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些技术和变型也应视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种染料敏化太阳能电池复合光阳极，其特征在于：包括反蛋白石结构的透明导电基底和有序介孔半导体层，其中有序介孔半导体层填充于导电基底的孔道中，其填充度为10～100% V/V。
2.根据权利要求1所述的染料敏化太阳能电池复合光阳极，其特征在于所述的导电基底由透明导电玻璃和附着其上的反蛋白石结构的氟、锑掺杂二氧化锡组成。
3.根据权利要求2所述的染料敏化太阳能电池复合光阳极，其特征所述的透明导电玻璃为铟锡氧化物导电玻璃或氟掺杂二氧化锡导电玻璃。
4.根据权利要求2所述的染料敏化太阳能电池复合光阳极，其特征在于所述的氟、锑掺杂二氧化锡为氟掺杂二氧化锡或锑掺杂二氧化锡或氟锑共掺杂二氧化锡。
5.根据权利要求2所述的染料敏化太阳能电池复合光阳极，其特征在于所述的反蛋白石结构的氟、锑掺杂二氧化锡，其空气孔径为100～2000 nm，厚度为0.1～20μm。
6.根据权利要求1所述的染料敏化太阳能电池复合光阳极，其特征在于所述的有序介孔半导体层为有序介孔二氧化钛层，其介孔孔径范围为2～10nm。
7.一种制备根据权利要求1所述的染料敏化太阳能电池复合光阳极的方法，其特征在于该方法的具体步骤为：
a. 以附着于透明导电玻璃上的直径为150～2500nm的聚苯乙烯微球作为硬模板，导入氟、锑掺杂的二氧化锡的前驱体溶液后，经450～600 oC下煅烧1～4小时制得反蛋白石结构的透明导电基底；
b. 将含有非离子型表面活性剂或阳离子表面活性剂的二氧化钛的前驱体溶液，填充于导电基底的孔道中，在5～40 oC，湿度50～80%的条件下，溶剂挥发12～48小时，最后在350～600 oC下煅烧1～4小时得到复合光阳极材料。
8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于所述的二氧化锡的前驱体为二氯化锡或四氯化锡或草酸锡，其氟的前驱物为氟化钠或氟化铵或氟化钾，氟与锡元素摩尔比为0～4：1，其锑的前驱物为三氯化锑或五氯化锑，锑与锡元素摩尔比为0～0.1：1，其溶剂为乙醇、异丙醇或丁醇。
9.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于所述的非离子型表面活性剂为三嵌段共聚物，即为EO20PO70EO20或EO106PO70EO106；所述的阳离子表面活性剂为十六烷基三甲基溴化铵或十二烷基硫酸钠。
10.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于所述的二氧化钛的前驱体为钛酸四乙酯、钛酸异丙酯或钛酸四丁酯，其溶剂为乙醇、异丙醇或丁醇。
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