CN102231334B - 基于局域表面等离子体共振的太阳能电池光阳极制备方法 - Google Patents

基于局域表面等离子体共振的太阳能电池光阳极制备方法 Download PDF

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Abstract

基于局域表面等离子体共振的太阳能电池光阳极制备方法，制备步骤为：采用静电纺丝法制备半导体纳米纤维，用导电玻璃收集半导体纳米纤维，获得纳米半导体纤维电极；将贵金属纳米颗粒的溶胶和敏化染料溶液按照1:2-2:1的体积比混合均匀；将电极放在烘箱中加热至100℃，保持30min；然后直接浸入溶液中，室温浸泡20-24h后取出，用无水乙醇冲洗，晾干即得成品。通过在染料中加入贵金属纳米颗粒，染料分子和贵金属纳米颗粒共吸附在光阳极表面，工艺简单；利用贵金属的LSPR特性，增强光阳极光捕获能力；方法快速便捷、简单易学，重现性好，并且制造成本低，工艺简单。

Description

基于局域表面等离子体共振的太阳能电池光阳极制备方法
技术领域
本发明属于染料敏化太阳能电池光阳极的制备技术，尤其涉及一种基于局域表面等离子体共振的太阳能电池光阳极制备方法。
背景技术
现有技术：染料敏化太阳能电池（简称DSSC）是一种模拟自然界光合作用的光伏器件，由多孔半导体纳米颗粒薄膜层、吸附在半导体表面的染料分子、含有I-/I3 -氧化还原对的电解质组成。该类电池的成本低廉、制备工艺简单、绿色无污染、转换效率已达到11%，商业可观。
贵金属（金、银等）纳米颗粒有特异性的局域等离子体表面共振（LSPR）光谱，存在在可见光到红外波段可调控的LSPR特征峰，可以与染料分子通过耦合作用机制，增强光捕获能力。将微量的贵金属对DSSC光阳极进行掺杂，将有可能提高半导体薄膜层的光捕获能力，并且不会明显提高该类电池的制造成本。
发明内容
解决的技术问题：本发明提供一种基于局域表面等离子体共振的太阳能电池光阳极制备方法，通过在常用的敏化染料溶液中添加贵金属溶胶，实现染料分子和贵金属纳米颗粒共吸附在半导体纳米纤维表面。其中染料分子通过化学键与半导体纳米纤维表面的羟基键合，贵金属纳米颗粒通过范德华力吸附在半导体纳米纤维表面。可以实现提高光阳极在可见光范围的光捕获能力，解决目前该类电极由于半导体薄膜比表面积有限，敏化染料分子吸光强度受限制的问题。
技术方案：
一种基于局域表面等离子体共振的太阳能电池光阳极制备方法，制备步骤为：采用静电纺丝法制备半导体纳米纤维，用导电玻璃收集半导体纳米纤维，获得纳米半导体纤维电极：配置半导体纳米纤维纺丝溶液：该纺丝溶液由高分子聚合物、半导体前驱体醇盐、溶剂和酸性添加剂组成；用洁净的导电玻璃收集电纺纤维：纺丝静电压为10-25 kV，流速为0.1-1 mL/h，接收距离为10-25 cm；将纳米纤维在400-550 ℃空气中烧结3-5 h；半导体前驱体醇盐为：钛酸异丙酯或醋酸锌，在反应体系中的浓度为0.1-0.5 g/mL；高分子聚合物为聚乙烯吡咯烷酮或聚乙烯醇，高分子聚合物在反应体系中的浓度为10-100 mg/mL；所述溶剂为乙醇或水；所述酸性添加剂为冰醋酸，在反应体系中的浓度为1-10 mg/mL；将贵金属纳米颗粒的溶胶和敏化染料溶液按照1:2-2:1的体积比混合均匀；将a中电极放在烘箱中加热至100 ℃，保持30 min；然后直接浸入b中溶液中，室温浸泡20-24 h后取出，用无水乙醇冲洗，晾干即得成品。
所述半导体纳米纤维为TiO2和ZnO。
所述纳米纤维在空气中烧结的温度为400-510 ℃。
所述贵金属纳米颗粒溶胶为Au溶胶或Ag溶胶。
有益效果：
1、通过在染料中加入贵金属纳米颗粒，染料分子和贵金属纳米颗粒共吸附在光阳极表面，工艺简单；
2、利用贵金属的LSPR特性，增强光阳极光捕获能力；
3、方法快速便捷、简单易学，重现性好，并且制造成本低，工艺简单。
附图说明
图1为实施例1中添加Au纳米颗粒前后N3染料的紫外-可见（UV-Vis）光谱。添加Au纳米颗粒之后，染料在可见光范围内的吸光度有所增强增强，尤其在N3染料分子的最大吸收波长处。
具体实施方式
实施例1：
a.采用静电纺丝法制备TiO2纳米纤维，用ITO导电玻璃表面收集纳米纤维：
首先，配置TiO2电纺丝溶液。将0.3 g PVP溶解在4.5 mL乙醇中，然后分别加入3 mL醋酸和2.5 mL钛酸异丙酯。
其次，用清洁的ITO导电玻璃收集电纺纤维。电纺静电压为16.5 kV，流速为0.3 mL/h，接受距离为16.5 cm，接收时间为5 min。该电极在空气中于510 ℃烧结5 h。ITO导电玻璃清洁方法为：将ITO导电玻璃分别在含有少量十二烷基磺酸钠的离子水中、无水乙醇中超声振荡清洗10 min，最后用氮气吹干。
b.将Au溶胶和N3染料（澳大利亚DYESOL公司购买）的乙醇溶液（N3浓度为3×10-4mol/L）按照2：1的体积比混合均匀。
c.将a中电极放在烘箱中加热至100 ℃，保持30 min。然后直接浸入b中溶液中，室温浸泡20 h后取出，用无水乙醇冲洗，晾干，吸附染料的过程避光。
其中Au溶胶的合成方法为：0.2 mL 1 wt% 氯金酸加入到20 mL水溶液中，搅拌1 min，迅速加入0.3 mL 1 wt% 柠檬酸钠剧烈搅拌几分钟，加入微量硼氢化钠（1 mg）。
实施例2：
a.采用静电纺丝法制备TiO2纳米纤维，用FTO导电玻璃表面收集纳米纤维：
首先，配置TiO2电纺丝溶液。将0.25 g PVP溶解在5.5 mL乙醇中，然后分别加入2 mL醋酸和2.5 mL钛酸异丙酯。
其次，用清洁的FTO导电玻璃收集电纺纤维。电纺静电压为15 kV，流速为0.25 mL/h，接收距离为10 cm，接收时间为1 min。该电极在空气中于450 ℃烧结3 h。FTO导电玻璃清洁方法为：将FTO导电玻璃分别在含有少量十二烷基磺酸钠的离子水中、无水乙醇中超声振荡清洗10 min，最后用氮气吹干。
b. 将Au溶胶和N3染料（澳大利亚DYESOL公司购买）的乙醇溶液（N3浓度为3×10-4mol/L）按照一定1：2的体积比混合均匀。
c.将a中电极放在烘箱中加热至100 ℃，保持30 min。然后直接浸入b中溶液中，室温浸泡24 h后取出，用无水乙醇冲洗，晾干，吸附染料的过程避光。
其中Au溶胶的合成方法为：0.2 mL 1 wt% 氯金酸加入到20 mL水溶液中，搅拌1 min，迅速加入0.3 mL 1 wt% 柠檬酸钠剧烈搅拌几分钟，加入微量硼氢化钠（1 mg）。
实施例3：
a. 采用静电纺丝法制备ZnO纳米纤维，用ITO导电玻璃表面收集纳米纤维：
首先，配置ZnO电纺丝溶液。将0.3 g PVA溶于8 mL的蒸馏水，然后加入2.0 g的冰醋酸和1 g的醋酸锌，在90 ℃磁力搅拌24 h，获得纺丝溶液。
其次，用ITO导电玻璃收集电纺纤维。电纺静电压为25 kV，流速为0.25 mL/h，接收距离为25 cm，接收时间为5 min。该电极在空气中于400 ℃烧结5 h。ITO导电玻璃清洁方法为：将ITO导电玻璃分别在含有少量十二烷基磺酸钠的离子水中、无水乙醇中超声振荡清洗10 min，最后用氮气吹干。
b.将Au溶胶和N3染料（澳大利亚DYESOL公司购买）的乙醇溶液（N3浓度为3×10-4mol/L）按照一定1：1的体积比混合均匀。
c. 将a中电极放在烘箱中加热至100 ℃，保持30 min。然后直接浸入b中溶液中，室温浸泡24 h后取出，用无水乙醇冲洗，晾干，吸附染料的过程避光。
其中Au溶胶的合成方法为：0.2 mL 1 wt% 氯金酸加入到20 mL水溶液中，搅拌1 min，迅速加入0.3 mL 1 wt% 柠檬酸钠剧烈搅拌几分钟，加入微量硼氢化钠（1 mg）。
实施例4：
a.采用静电纺丝法制备TiO2纳米纤维，用ITO导电玻璃表面收集纳米纤维：
首先，配置TiO2电纺丝溶液。将0.3 g PVP溶解在4.5 mL乙醇中，然后分别加入3 mL醋酸和2.5 mL钛酸异丙酯。
其次，用清洁的ITO导电玻璃收集电纺纤维。电纺静电压为10 kV，流速为0.3 mL/h，接收距离为10 cm，接收时间为5 min。该电极在空气中于510 ℃烧结5 h。ITO导电玻璃清洁方法为：将ITO导电玻璃分别在含有少量十二烷基磺酸钠的离子水中、无水乙醇中超声振荡清洗10 min，最后用氮气吹干。
b.将Ag溶胶和N3染料（澳大利亚DYESOL公司购买）的乙醇溶液（N3浓度为3×10-4mol/L）按照2：1的体积比混合均匀。
c.将a中电极放在烘箱中加热至100 ℃，保持30 min。然后直接浸入b中溶液中，室温浸泡20 h后取出，用无水乙醇冲洗，晾干，吸附染料的过程避光。
其中Ag溶胶从Sigma公司购买。

Claims (2)

1.基于局域表面等离子体共振的太阳能电池光阳极制备方法，其特征在于制备步骤为：
a.采用静电纺丝法制备半导体纳米纤维，所述半导体纳米纤维为TiO2和ZnO，用导电玻璃收集半导体纳米纤维，获得半导体纳米纤维电极：配置半导体纳米纤维纺丝溶液，该纺丝溶液由高分子聚合物、半导体前驱体醇盐、溶剂和酸性添加剂组成，所述高分子聚合物为聚乙烯吡咯烷酮或聚乙烯醇，在反应体系中的浓度为10-100 mg/mL，所述半导体前驱体醇盐为钛酸异丙酯或醋酸锌，在反应体系中的浓度为0.1-0.5 g/mL，所述溶剂为乙醇或水，所述酸性添加剂为冰醋酸，在反应体系中的浓度为1-10 mg/mL；
用洁净的导电玻璃收集电纺纤维，纺丝静电压为10-20 kV，流速为0.1-1 mL/h；
将纳米纤维在400-550℃空气中烧结3-5 h；
b.将贵金属纳米颗粒的溶胶和敏化染料溶液按照1:2-2:1的体积比混合均匀，所述贵金属纳米颗粒的溶胶为Au溶胶或Ag溶胶；
c.将步骤a获得的电极放在烘箱中加热至100℃，保持30 min；然后直接浸入步骤b获得的溶液中，室温浸泡20-24 h后取出，用无水乙醇冲洗，晾干即得成品。
2.根据权利要求1所述的基于局域表面等离子体共振的太阳能电池光阳极制备方法，其特征在于所述纳米纤维在空气中烧结的温度为400-510℃。
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