CN102157273B - 一种染料敏化太阳能电池复合光阳极 - Google Patents

一种染料敏化太阳能电池复合光阳极 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种染料敏化太阳能电池复合光阳极，属于功能材料及器件技术领域，涉及染料敏化太阳能电池。所提供的复合光阳极包括导电玻璃、二氧化钛过渡层和复合二氧化钛改性层；所述二氧化钛过渡层由采用水热法制备的二氧化钛浆料刮涂于导电玻璃的导电层表面并经烘干、烧结而成；所述复合二氧化钛改性层采用二氧化钛混合浆料刮涂于二氧化钛过渡层表面并经烘干、烧结而成；所述二氧化钛混合浆料由采用水热法制备的二氧化钛浆料与采用模板法制备的二氧化钛空心微球混合而成，其中二氧化钛空心微球掺有10％至40％的银、直径在400～1000纳米之间。本发明提供的染料敏化太阳能电池复合光阳极现有的二氧化钛光阳极具有更高的光电转换效率。

Description

一种染料敏化太阳能电池复合光阳极
技术领域
本发明属于功能材料及器件技术领域，涉及染料敏化太阳能电池，尤其涉及染料敏化太阳能电池光阳极结构及其制备方法。
背景技术
染料敏化太阳能电池的结构通常是一种由吸附了敏化染料的TiO2光阳极、电解质和对电极组成的三明治结构，英文简称为DSSC。由于DSSC的制作工艺简单、成本低廉、以及对环境友好等特点使其成为替代传统无机太阳能电池的很有潜力的候选者。自从1991年瑞士洛桑高工的Gratzel将DSSC的光电转换效率做到7.1％以来，各国科学家纷纷投入大量的精力研究DSSC各种可喜的成果也不断涌现；科学家一度将DSSC的光电转换效率做到了11％以上。
在DSSC中，各部分的性能都会对电池的光电转换效率有重要影响，其中TiO2光阳极的结构和性能是对DSSC光电转换效率产生较大影响的关键因素。
目前对DSSC的TiO2光阳极的改性主要集中在对二氧化钛膜的修饰上，通过对二氧化钛膜的表面改性以增加二氧化钛膜对染料的吸附量、降低二氧化钛与电解液之间的界面电阻、延长光生载流流子在二氧化钛膜中的寿命，从而提高整个电池的光电转换效率。Chou等(Powder Technol.，2009，194：95-105)将Ag或Au分别与P25共混，并用球磨机球磨得到含不同量Ag或Au的共混二氧化钛浆料，将这些浆料作为DSSC的光阳极敏化后组装成电池，测得电池的效率随着Ag或Au得含量的增加而提高；究其原因可能是纳米级的Ag或Au存在表面等离子共振效应，强烈的散射入射的太阳光增加了太阳光在二氧化钛膜中的传播路径，从而有利于光阳极对太阳光的利用效率。Yu等(Chimica Acta，2010，55：4637-4641)将P25与二氧化钛空心微球按照不同比例进行共混并作为DSSC的光阳极，在扫描电镜下观察发现共混浆料制备的光阳极里面的二氧化钛空心微球大部分破裂，比表面积明显大于纯P25浆料所制备的光阳极，电池的转换效率也有一定的增大(纯P25为4.35％，共混浆料为4.82％)。Lee等(Electrochem.Commun.，2010，12：1283-1286)在低温下制得二氧化钛空心微球和P25共混并在140℃条件下退火，并将这种浆料用在DSSC中，发现所得电池的效率比P25做光阳极的效率有明显的提高(由4.4％提高到6.3％)。
发明内容
本发明解决的关键问题是对二氧化钛光阳极膜进行修饰以提高其对光子的吸收效率，降低二氧化钛导带中的电子与价带以及电解液中的空穴的复合几率，增加电池的光电流提高光电转换效率。有鉴于此，本发明提供一种染料敏化太阳能电池复合光阳极，所提供的染料敏化太阳能电池复合光阳极较现有的二氧化钛光阳极具有更高的光电转换效率。
本发明技术方案如下：
一种染料敏化太阳能电池复合光阳极，如图1所示，包括导电玻璃、位于导电玻璃导电层2上的二氧化钛过渡层3和二氧化钛过渡层3表面的复合二氧化钛改性层4。所述二氧化钛过渡层3厚度在4～7微米之间，由采用水热法制备的二氧化钛浆料刮涂于导电玻璃的导电层2表面并经烘干、烧结而成。所述复合二氧化钛改性层4的厚度在3～5微米之间，采用二氧化钛混合浆料刮涂于二氧化钛过渡层3表面并经烘干、烧结而成；所述二氧化钛混合浆料由采用水热法制备的二氧化钛浆料与采用模板法制备的二氧化钛空心微球混合而成，其中二氧化钛空心微球掺有10％至40％的银、直径在400～1000纳米之间。
本发明的光阳极分为两层：下层是与导电玻璃的导电层直接接触的二氧化钛过渡层，该层二氧化钛膜中颗粒之间接触好而且致密，机械性能强有利于电子的传输；上层是复合二氧化钛改性层，该层薄膜由二氧化钛浆料和掺银的二氧化钛空心微球混合的混合浆料经烘干、烧结而成，该层混合膜由于掺入了二氧化钛空心微球使其变得疏松多孔，从而有利于增加对太阳光的散射使电池能够对太阳光进行二次吸收；烧结后的二氧化钛空心微球破裂后增加了光阳极的比表面积有利于增加染料的吸附；该混合膜纳米金属颗粒的存在更加有利于减少二氧化钛导带中电子与电解质中的空穴的复合从而提高电池的效率。经过测试发现利用本发明提供的光阳极组装成的电池的光电转换效率有明显的提高。
附图说明
图1为本发明提供的染料敏化太阳能电池复合光阳极的结构示意图。其中1表示导电玻璃的玻璃衬底，2表示导电玻璃的导电层，3表示二氧化钛过渡层，4表示复合二氧化钛改性层。
图2本发明提供的不同掺Ag量的复合光阳极组装成的DSSC的I-V曲线。
图3本发明提供的复合光阳极的扫描电子显微镜图片(a为侧面图，b为正面图)。
具体实施方式
本发明提供的染料敏化太阳能电池复合光阳极，其结构如图1所示，包括导电玻璃、位于导电玻璃导电层2上的二氧化钛过渡层3和二氧化钛过渡层表面的复合二氧化钛改性层4。所述二氧化钛过渡层3厚度在4～7微米之间，由采用水热法制备的二氧化钛浆料刮涂于导电玻璃的导电层2表面并经烘干、烧结而成。所述复合二氧化钛改性层4的厚度在3～5微米之间，采用二氧化钛混合浆料刮涂于二氧化钛过渡层3表面并经烘干、烧结而成；所述二氧化钛混合浆料由采用水热法制备的二氧化钛浆料与采用模板法制备的二氧化钛空心微球混合而成，其中二氧化钛空心微球掺有10％至40％的银、直径在400～1000纳米之间。
上述技术方案中，水热法制备的二氧化钛浆料是由钛酸四丁酯在酸性条件下水解得到的，也可称为二氧化钛胶体。
上述技术方案中，所述二氧化钛混合浆料具体制备过程为：首先采用模板法制备掺Ag的二氧化钛空心微球(直径在400～1000纳米之间)，然后将水热法制备的二氧化钛浆料和掺Ag的二氧化钛空心微球按照不同的比例混合。采用模板法制备掺Ag的二氧化钛空心微球时，首先将聚乙烯吡咯烷酮、偶氮二异丁腈和苯乙烯按照5∶1∶17的质量比加入到含乙醇和水的三口瓶中通氮气，于75℃下充分反应得到均匀的PS球；然后在含有上述PS球的悬浊液体系中加入钛酸丁酯并逐滴滴加氨水反应得到包裹于PS球表面的二氧化钛空心微球；最后再将AgNO3加入到含有二氧化钛空心微球的悬浊液中并逐滴滴加水合肼还原，得到掺Ag的二氧化钛空心微球，所得掺Ag的二氧化钛空心微球直径在400～1000纳米之间。
对二氧化钛浆料或二氧化钛浆料混合浆料进行烘干时，烘干温度在80～120℃之间，烘干时间以浆料丧失流动性为准；对二氧化钛浆料或二氧化钛浆料混合浆料进行烧结时，烧结温度在450～500℃之间，烧结时间在0.5到2小时之间。
本发明提供的复合光阳极的扫描电子显微镜图片如图3所示，其中(a)为侧面图，(b)为表面图。由图3可以看出：本发明提供的复合光阳极分为两层：下层是与导电玻璃的导电层直接接触的二氧化钛过渡层，该层二氧化钛膜中颗粒之间接触好而且致密，机械性能强有利于电子的传输；上层是复合二氧化钛改性层，该层薄膜由二氧化钛浆料和掺银的二氧化钛空心微球混合的混合浆料经烘干、烧结而成，该层混合膜由于掺入了二氧化钛空心微球使其变得疏松多孔，从而有利于增加对太阳光的散射使电池能够对太阳光进行二次吸收；烧结后的二氧化钛空心微球破裂后增加了光阳极的比表面积有利于增加染料的吸附；该混合膜纳米金属颗粒的存在更加有利于减少二氧化钛导带中电子与电解质中的空穴的复合从而提高电池的效率。
电池的组装和测试。
采用上述方法，分别制备六个光阳极样品，其中二氧化钛过渡层3厚度约为5微米，复合二氧化钛改性层4厚度约为4微米。样品1只有导电玻璃上的二氧化钛过渡层，没有复合二氧化钛改性层；样品2至样品6不但含有二氧化钛过渡层，含有复合二氧化钛改性层，其中复合二氧化钛改性层中含有50％质量的二氧化钛空心微球，且二氧化钛空心微球中分别含银0％、10％、20％、30％和40％(质量百分比)。将上述六个光阳极样品浸泡到染料溶液中进行敏化，12-24小时候得到敏化过的光阳极，取出后用无水乙醇冲洗二氧化钛光阳极表面除去表面聚集的染料分子，盖上对电极注入电解液并封装即得到可用的DSSC实验中组装得到的电池的有效面积均为0.25cm2。
电池的测试是在上海辰华仪器公司生产的CHI660C电化学工作站上进行的，采取氙灯做模拟光源，测试前将光源的光强度调至100mW/cm2。不同掺Ag量的光阳极组装成的DSSC的I-V曲线如图2所示，测试不同掺Ag量的光阳极组装的DSSC，所得数据说明随着掺Ag量的增加电池的光电转换效率不断提高。
表1不同申池的参数
Figure BDA0000048779740000041

Claims (5)

1.一种染料敏化太阳能电池复合光阳极，包括导电玻璃、位于导电玻璃导电层(2)上的二氧化钛过渡层(3)和二氧化钛过渡层(3)表面的复合二氧化钛改性层(4)；
所述二氧化钛过渡层(3)厚度在4～7微米之间，由采用水热法制备的二氧化钛浆料刮涂于导电玻璃的导电层(2)表面并经烘干、烧结而成；
所述复合二氧化钛改性层(4)的厚度在3～5微米之间，采用二氧化钛混合浆料刮涂于二氧化钛过渡层(3)表面并经烘干、烧结而成；所述二氧化钛混合浆料由采用水热法制备的二氧化钛浆料与采用模板法制备的二氧化钛空心微球混合而成，其中二氧化钛空心微球掺有10％至40％的银、直径在400～1000纳米之间。
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，所述水热法制备的二氧化钛浆料是由钛酸四丁酯在酸性条件下水解得到的，即二氧化钛胶体。
3.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，所述二氧化钛混合浆料具体制备过程为：首先采用模板法制备掺Ag的二氧化钛空心微球，然后将水热法制备的二氧化钛浆料和掺Ag的二氧化钛空心微球按照不同的比例混合。
4.根据权利要求3所述的染料敏化太阳能电池复合光阳极，其特征在于，所述采用模板法制备掺Ag的二氧化钛空心微球时，首先将聚乙烯吡咯烷酮、偶氮二异丁腈和苯乙烯按照5∶1∶17的质量比加入到含乙醇和水的三口瓶中通氮气，于75℃下充分反应得到均匀的PS球；然后在含有上述PS球的悬浊液体系中加入钛酸丁酯并逐滴滴加氨水反应得到包裹于PS球表面的二氧化钛空心微球；最后再将AgNO3加入到含有二氧化钛空心微球的悬浊液中并逐滴滴加水合肼还原，得到掺Ag的二氧化钛空心微球，所得掺Ag的二氧化钛空心微球直径在400～1000纳米之间。
5.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，所述对二氧化钛浆料或二氧化钛浆料混合浆料进行烘干时，烘干温度在80～120℃之间，烘干时间以浆料丧失流动性为准；对二氧化钛浆料或二氧化钛浆料混合浆料进行烧结时，烧结温度在450～500℃之间，烧结时间在0.5到2小时之间。
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