CN102013340A - 一种染料敏化太阳能电池及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种染料敏化太阳能电池及其制备方法，该染料敏化太阳能电池基于超薄氧化钛纳米片薄膜电极而制得，由光阳极、电解质和对电极三部分组成。组成光阳极的氧化钛为超薄片状结构，以正方形和长方形为主，厚度为1.0～50纳米，长度为5～200纳米，宽度为5～200纳米，上下底面是高活性(001)晶面，晶体结构为锐钛型。以结晶度高而且含有高比例(001)面的锐钛型TiO2纳米片作为染料敏化太阳能电池的阳极材料，具有以下优点：可以增加单层染料吸附量、可以提高电子的注入和传输效率、晶面缺陷少、可降低光生载流子的复合机率，从而有效的提高电池效率。

Description

一种染料敏化太阳能电池及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种染料敏化太阳能电池及其制备方法，属于太阳能电池制造技术领域。
背景技术
在有限的化石能源逐渐耗尽之前，对新型替代能源的研究变得迫在眉睫，并早已引起了世界各国政府的高度重视。太阳能是取之不尽、用之不竭、不产生任何环境污染的可再生、清洁能源，新型的太阳能电池是目前太阳能利用研究的重要内容。
目前，硅基太阳能电池因较高的光电转化效率及其熟练的生产工艺占据太阳能电池的绝大部分商业市场。然而，硅基太阳能电池过高的生产成本限制了其进一步的发展。多元化合物薄膜太阳能电池因为其原料的毒性或地球上有限的储量而在大规模使用上也受到限制。聚合物多层修饰电极型太阳能电池因为较低的光电转换效率和使用寿命，目前仍处于基础研究阶段。染料敏化纳米晶太阳能电池(Dye-sensitized solar cell，简称DSSC)以其潜在的低成本，简单的制作工艺，对光强度变化和温度变化不敏感，光电转换效率较高等优势赢得了各国研究者的青睐。DSSC通常由半导体氧化物纳米多孔膜，染料敏化剂，氧化还原电解质和Pt电极等组成。纳米半导体多孔膜是染料吸附的载体，同时也是光生电子的传输通道，是整个DSSC系统的核心部分。单组分半导体氧化物如ZnO、SnO2和Fe2O3以及混合半导体氧化物如SnO2/ZnO，SnO2/NiO等均可用来制备纳米多孔膜并可以得到5.1～7.9％的光电转换效率。然而，作为DSSC的阳极材料，TiO2因为具有无毒，化学性能稳定，制备简单，价格低廉等特点依然是最优的选择。
目前用于制备染料敏化太阳能电池的氧化钛为颗粒状(Fabrication of thinfilm dye sensitized solar cells with solar to electric power conversion efficiency over10％.Thin Solid Films.2008.Vol 516，4613-4619)或者为纳米线，纳米管(TiO2-nanotube-based dye-sensitized solar cells fabricated by an efficient anodicoxidation for high surface area.The journal of physics and chemistry of solids.2008，vol.69，5-6；A facile route to TiO2 nanotube arrays for dye-sensitized solarcells.Journal of Crystal Growth.2009，Vol.311，757-759)等。目前文献报道中所用氧化钛的表面都以(101)晶面为主导。然而，(101)晶面的化学吸附能力弱，不利于敏化染料的吸附，而且表面缺陷较多，颗粒间或颗粒内部的晶界也比较多，这些特点均不利于光生电子和空穴的有效分离以及电子的传输。而本发明所用氧化钛纳米片，上下底面都是高反应活性的(001)晶面，在整个氧化钛表面积中所占的比例甚至超过了90％。结晶度高而且含有高比例(001)面的锐钛型TiO2纳米织态结构作为DSSC的阳极材料，具有以下优点：第一，(001)晶面化学吸附能力强，可以达到很高的单层染料吸附量；第二，由于氧化钛半导体晶体的各向异性，在[001]方向上的导电率要比[101]或[010]方向上的高很多。这样，光生电子在(001)面主导的锐钛型氧化钛中的运输效率将会得到显著的提高，同时也降低了电子-空穴在表面或晶界的复合机率，这将会大大提高电子的注入效率以及电子在TiO2薄膜中的收集和传输速率；第三，氧化钛纳米片及其织态结构为单晶或准单晶结构，晶面缺陷少，可以降低光生载流子的复合，从而进一步提高DSSC的光电转换效率。
发明内容
本发明的目的是公开一种基于超薄氧化钛纳米片薄膜电极的染料敏化太阳能电池，由光阳极、电解质溶液和对电极三部分组成。组成光阳极的氧化钛为超薄片状结构，以正方形和长方形为主，厚度为1.0～50纳米，长度为5～200纳米，宽度为50～200纳米，上下底面是高活性面(001)晶面，晶体结构为锐钛型。
基于超薄氧化钛纳米片薄膜电极的染料敏化太阳能电池制备的过程依次包括下述步骤：
(1)光阳极的组成部分二氧化钛纳米片薄膜电极的制备：称取1.0～5.0g二氧化钛纳米片于研钵中，依次加入0.2～2ml的乙酰丙酮乙醇溶液、1～7ml蒸馏水、0.02～0.1ml曲拉通-100，研磨得到二氧化钛纳米片的浆料；将所述浆料超声10～50min后，采用丝网印刷将其印在洗净的导电玻璃的导电面上，并在350～500℃温度下烧结10～50min；然后，在光敏化染料中浸泡10～40h，再用乙醇洗净即可制得二氧化钛纳米片薄膜电极；
(2)对电极即铂电极的制备：将清洗干净的导电玻璃浸泡在氯铂酸溶液中并经350～450℃热处理即可制得；
(3)染料敏化太阳能电池的组装：步骤(1)中制备的二氧化钛纳米片薄膜电极干燥后面朝上放在干净的实验台上，将已切割好的封装膜放置其上，再将步骤(2)中制备的铂电极面朝下放在封装膜上，两片玻璃微微错开，留出约4mm宽的导电部分作为电池测试用；然后，滴加电解液于两个电极与封装膜形成的空间；最后，将电池在室温下晾干后测试其光电性能。
附图说明
图1是实施例1所用氧化钛纳米片的XRD图谱，为锐钛型；
图2是实施例1所用氧化钛纳米片的TEM照片，纳米片的平均长度和平均宽度均为40纳米，厚度为6纳米；
图3是实施例l组装太阳能电池测试的电流-电压特性曲线；
图4是实施例2组装太阳能电池测试的电流-电压特性曲线；
图5是实施例3组装太阳能电池测试的电流-电压特性曲线；
图6是实施例4组装太阳能电池测试的电流-电压特性曲线。
具体实施方式
以下实施例将结合附图对本发明的内容作进一步的说明，但并非为任何形式的限制。
实施例1
本发明所述的染料敏化太阳能电池的制备方法，具体步骤如下：
(1)纳米TiO2薄膜电极的制备：称取3.0g(可以为0.2～5.0g的任意值)纳米片状的TiO2(长度和宽度为40纳米，厚度为6纳米)于研钵中，依次加入2ml(可以为0.2～2ml的任意值)10vol％的乙酰丙酮乙醇溶液、5ml(可以为1～7ml的任意值)蒸馏水、0.1ml(可以为0.02～0.1ml的任意值)曲拉通-100等，研磨得到TiO2浆料。将浆料超声20min后，采用丝网印刷将其印在洗净的导电玻璃(2cm×1.5cm)的导电面上，并在450℃下烧结30min。然后，在5×10-4mol/L的染料如N719等溶液中浸泡24h(10～40h内均可)，再用乙醇洗净即可制得TiO2薄膜电极。
(2)铂电极的制备：将清洗干净的导电玻璃浸泡在氯铂酸溶液中并经380℃热处理即可制得。
(3)DSSC的组装：把晾干或烘干后的TiO2薄膜电极面朝上放在干净的实验台上，将已切割好的封装膜放置其上，再将铂电极面朝下放在封装膜上，两片玻璃微微错开，留出约4mm宽的导电部分作为电池测试用。然后，滴加电解液于两个电极与封装膜形成的空间，并用两个夹子把电池夹住以确保空间内充满电解质且无气泡产生。最后，将电池在室温下晾干后，测试其光电性能。测试结果如图3所示。
实施例2
用平均长度和宽度为130纳米，平均厚度为8纳米的氧化钛纳米片代替实施例1中氧化钛纳米片，其余电极的制备过程以及电池的组装测试，与实施例1相同。测试结果如图4所示。
实施例3
用平均长度和宽度为52纳米，平均厚度为8纳米的氧化钛纳米片代替实施例1中氧化钛纳米片，其余电极的制备过程以及电池的组装测试，与实施例1相同。测试结果如图5所示。
实施例4
用平均长度和宽度为30纳米，平均厚度为7纳米的氧化钛纳米片代替实施例1中氧化钛纳米片，其余电极的制备过程以及电池的组装测试，与实施例1相同。测试结果如图6所示。

Claims (3)

1.一种染料敏化太阳能电池，由光阳极、电解质溶液和对电极三部分组成，其特征在于，组成所述光阳极的二氧化钛为超薄片状结构，以正方形和长方形为主，厚度为1.0～50纳米，长度为5～200纳米，宽度为5～200纳米，上下底面是高活性(001)晶面，晶体结构为锐钛型。
2.权利要求1的染料敏化太阳能电池的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)光阳极的组成部分二氧化钛纳米片薄膜电极的制备：称取1.0～5.0g二氧化钛纳米片于研钵中，依次加入0.2～2ml乙酰丙酮的乙醇溶液、1～7ml去离子水、0.02～0.1ml曲拉通-100，研磨得到二氧化钛纳米片的浆料；将所述浆料超声10～50min后，采用丝网印刷将其印在洗净的导电玻璃的导电面上，并在350～500℃温度下烧结10～50min；然后，在光敏化染料中浸泡10～40h，再用乙醇冲洗掉多余的染料，即可制得二氧化钛纳米片薄膜电极；
(2)对电极即铂电极的制备：将清洗干净的导电玻璃浸泡在氯铂酸溶液中并经350～450℃热处理即可制得；
(3)染料敏化太阳能电池的组装：步骤(1)中制备的二氧化钛纳米片薄膜电极干燥后面朝上放在干净的实验台上，将已切割好的封装膜放置其上，再将步骤(2)中制备的铂电极面朝下放在封装膜上，两片玻璃微微错开，留出约4mm宽的导电部分作为电池测试用；然后，滴加电解液于两个电极与封装膜形成的空间；最后，将电池在室温下晾干。
3.根据权利要求2的制备方法，其特征在于，所述光敏化染料是浓度为5×10-4mol/L的钌配合物N719染料。
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