CN102254706A - 一种染料敏化太阳能电池的ZnO微纳结构电极及其制法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种染料敏化太阳能电池的ZnO微纳结构电极及其制备方法，特征是将乙醇或乙二醇或松油醇，和粒径在500nm～2μm的Zn粉混合研磨成浆料，涂覆在F掺SnO2透明导电玻璃衬底上形成厚度5～30μm的涂层，在450～600℃加热涂覆好的玻璃衬底，保温1～12h后冷却至室温，经在0.5mmol/L的N719染料的无水乙醇溶液中浸泡形成由粘附在F掺SnO2导电玻璃上的ZnO微球及其表面阵列分布的准一维ZnO纳米结构。本发明制备过程简单；所形成的ZnO微纳结构中的准一维ZnO纳米结构阵列分布于微球表面与基底牢固结合，可连同透明导电玻璃衬底一起直接用作染料敏化太阳能电池的电极。

Description

一种染料敏化太阳能电池的ZnO微纳结构电极及其制法
技术领域
本发明属于太阳能电池的半导体电极材料技术领域，具体涉及染料敏化太阳能电池用ZnO微纳结构电极及其制备方法。
背景技术
中国发明专利公开号CN 101834068A“一种用于染料敏化太阳能电池的核壳结构阳电极及其制备方法”中指出，同为宽禁带半导体材料，ZnO的载流子迁移率比TiO2高将近10倍，用准一维ZnO纳米结构来代替传统的多孔膜结构用作染料敏化太阳能电池光阳极，可以为电子传输提供直接的途径，有利于减小电池内阻，降低电荷复合并提高电池的光电转换效率。因此，人们一直致力于寻找制备过程简单，对实验设备要求低，能与衬底结合牢固且避免准一维ZnO纳米结构团聚的方法来制备染料敏化太阳能电池用准一维ZnO结构的电极。综合来看，目前染料敏化太阳能电池用准一维ZnO纳米结构电极的制备主要有直接生长和非直接生长两类：非直接生长如中国专利公开号CN 101162739A“染料敏化太阳能电池的ZnO电极及其制备方法”中提到的，把预先制备好的ZnO纳米微粒配制成胶体浆料涂覆到导电衬底上，最后经高温烧结形成ZnO电极。但由于该方法需预先制备ZnO纳米微粒，再采用刮涂法或丝网印刷技术成膜，因此工艺繁琐，所制备的电极结构中的准一维ZnO纳米结构往往分散性不好，烧结过程中容易团聚，且不易与衬底牢固结合。直接生长如中国专利公开号CN101348931A“一种脉冲电沉积制备均匀透明氧化锌纳米棒阵列薄膜的方法”中所采用的电沉积法，使用该法往往需预先沉积ZnO种子层，再通过电化学沉积、磁控溅射以及水热处理等方式在种子层上生长ZnO纳米结构。由于该法需要预先沉积种子层，因此制备过程也比较复杂，所制备的电极中ZnO结构形貌受预先沉积的种子层影响较大，使准一维ZnO纳米结构生长的有效面积受到相应的限制。
发明内容
本发明目的是提出一种染料敏化太阳能电池的ZnO微纳结构电极及其制备方法，以通过简单的热处理金属Zn的方式制备与透明导电玻璃衬底结合牢固且避免准一维ZnO纳米结构团聚的染料敏化太阳能电池的ZnO微纳结构电极。
本发明的染料敏化太阳能电池的ZnO微纳结构电极，由透明导电玻璃衬底、粘附在透明导电玻璃衬底上的ZnO结构及ZnO结构上敏化的染料单分子层构成；其特征在于所述ZnO结构是由粘附在F掺SnO2(简称FTO)透明导电玻璃上的ZnO微球及其表面阵列分布的准一维ZnO纳米结构构成。
本发明的染料敏化太阳能电池的ZnO微纳结构电极的制备方法，其特征在于按1ml乙醇或乙二醇或松油醇，和0.1g粒径在500nm～2μm的Zn粉的比例混合研磨至形成均匀的Zn浆料，再将该Zn浆料涂覆在F掺SnO2透明导电玻璃衬底上，形成厚度为5～30μm的Zn微粒涂层，然后在450～600℃加热涂覆好的玻璃衬底，保温1～12h后冷却至室温，最后经0.5mmol/L的N719染料的无水乙醇溶液中常温浸泡24h，即形成染料敏化太阳能电池用ZnO微纳结构光阳极。
本发明的制法中所采用的加热温度在450～600℃，是因为低于450℃金属Zn层不易氧化，完全氧化需较长时间保温，能源消耗会较大，而高于600℃则会使透明导电玻璃衬底难以承受，容易发生龟裂；本发明的制法中所采用的保温在1～12h，是因为时间少于1h，金属Zn层氧化不彻底，时间多于12h，资源会造成不必要的浪费；本发明的制法中所采用的金属Zn层厚度在5～30μm；因为若厚度小于5μm，Zn微粒不易分布均匀，而当厚度大于30μm时，所形成的微纳结构较厚，光线不易穿透，会影响电池效率的提高，且需较高温度较长时间才能氧化完成，能源消耗较大。
与目前已报道的现有ZnO结构电极制备方法相比较，由于本发明采用直接加热Zn微粒涂层的方式制备ZnO微纳结构电极，其优点是无须预先制备ZnO纳米微粒或者ZnO种子层，因此制备过程简单；由于所形成ZnO微纳结构中的准一维ZnO纳米结构是通过外延方式生长的，阵列分布于微球表面，因此相互独立，不会发生团聚；由于通过加热将Zn微粒熔化并粘附在透明导电玻璃衬底上，因此所制备的ZnO微纳结构与基底能牢固结合，可连同透明导电玻璃衬底一起直接用作染料敏化太阳能电池的电极。
附图说明
图1为实施例1制备的ZnO微纳结构的扫描电镜图像；
图2为实施例1制备的染料敏化太阳能电池的电流密度-电压曲线。
图3为实施例2制备的ZnO微纳结构的扫描电镜图像；
图4为实施例2制备的染料敏化太阳能电池的电流密度-电压曲线。
图5为实施例3制备的ZnO微纳结构的扫描电镜图像；
图6为实施例3制备的染料敏化太阳能电池的电流密度-电压曲线。
具体实施方式
以下结合具体的实施例对本发明的技术方案作进一步的说明。
实施例1：Zn层厚5μm，加热到450℃，保温12h制备染料敏化太阳能电池的ZnO微纳结构电极
取0.1g平均粒径为500nm的金属Zn粉与1ml无水乙醇溶液混合后在研钵中研磨0.5h后制备出均匀的Zn-无水乙醇浆料；采用丝网印刷法把Zn-无水乙醇浆料印刷到清洗干净的F掺SnO2(简称FTO)透明导电玻璃上，形成厚5μm、面积为0.5×0.5cm2的金属Zn微粒涂层；利用马弗炉对印刷好的FTO透明导电玻璃基底以5℃/min的升温速率加热到450℃并保温12h，然后自然冷却至室温，即在透明导电玻璃基底上形成ZnO微纳结构。
图1为本实施例中所制备的ZnO微纳结构的扫描电镜图像。从图1中可以看出，本实施例中制备形成的ZnO是由微米级椭球结构及其表面上阵列分布纳米长片状结构构成的海胆状结构。
将上述制备得到的ZnO微纳结构在0.5mmol/L的N719染料无水乙醇中常温浸泡24h后，即形成可用作染料敏化太阳能电池的光阳极。
已上述制作的染料敏化太阳能电池的光阳极组装测试所用的电池系统，采用“三明治”型结构：采用预先打孔的镀Pt导电玻璃作为对电极，电解液为商用的液体电解质DHS-E36，采用SURLYN热封膜进行电池的封装。采用美国的吉时利(Keithley)仪器公司的4200-SCS半导体测试仪和日本的三永机电(San-Ei Electric)公司的太阳能模拟器(XES-301S)组成的太阳能电池光伏曲线测试系统，在AM1.5G、光强100Wm/cm2、室温条件下对电池性能进行测试。
图2中所示为本实施例中所制备的染料敏化太阳能电池1的电流密度-电压曲线α。经测算染料敏化太阳能电池1的短路电流密度Jsc1为2.26mA/cm2，开路电压Voc1为0.61V，填充因子FF1为52.2％，转换效率η1为0.72％。
实施例2：Zn层厚20μm，加热到500℃，保温12h染料敏化太阳能电池的ZnO微纳结构电极
取0.15g平均粒径为1μm的金属Zn粉与1.5ml乙二醇溶液，混合后在研钵中研磨3h，制备出均匀的Zn-乙二醇浆料；采用刮涂法把Zn-乙二醇浆料印刷到清洗干净的FTO透明导电玻璃上，形成厚30μm、面积为0.5×0.5cm2的金属Zn微粒涂层；利用马弗炉对涂覆好的FTO透明导电玻璃基片以5℃/min的升温速率加热到500℃并保温12h，然后自然冷却至室温，即在透明导电玻璃基底上形成ZnO微纳结构。
图3所示为本实施例2中制备的ZnO微纳结构的扫描电镜图像。从图3中可以看出，该ZnO微纳结构与实施例1中制备的结构十分类似，都是由微米级椭球结构及其表面上阵列分布的纳米片构成的海胆状结构，只是在本实施例中生长的纳米片密度更高，长度更长。
将本实施例中所制备得到的ZnO结构在0.5mmol/L的N719染料无水乙醇中常温浸泡24h后，形成可用作染料敏化太阳能电池的光阳极。测试所用染料敏化太阳能电池的组装与测试条件与实施例1相同。
图4为以本实施例中所制备的ZnO结构作为染料敏化太阳能电池的光阳极所组装成的染料敏化太阳能电池2的电流密度-电压曲线β。经测算染料敏化太阳能电池2的短路电流密度Jsc2为2.61mA/cm2，开路电压Voc2为0.66V，填充因子FF2为48.3％，转换效率η2为0.83％。
实施例3：Zn层厚10μm，加热到600℃，保温1h染料敏化太阳能电池的ZnO微纳结构电极
取0.2g平均粒径为2μm的金属Zn粉与2ml松油醇溶液混合后，在研钵中研磨5h，制备出均匀的Zn-松油醇浆料；采用丝网印刷法把该Zn-松油醇浆料印刷到清洗干净的FTO透明导电玻璃上，形成厚30μm、面积为0.5×0.5cm2的金属Zn微粒涂层；利用马弗炉对印刷好的FTO透明导电玻璃基底以5℃/min的升温速率加热到600℃并保温1h，然后自然冷却至室温，形成ZnO微纳结构。
图5所示为本实施例3所制备的ZnO微纳结构的扫描电镜图像。从图5中可以看出，该ZnO微纳结构与实施例1和2中的也很相似，都是由微米级球形结构及其表面上阵列分布的准一维纳米结构构成的海胆状结构，只是在本实施例中所生长的纳米结构密度更高，其形貌有纳米片变成了纳米锥结构。
将本实施例中所制备得到的ZnO微纳结构在0.5mmol/L的N719染料无水乙醇中常温浸泡24h后，形成可用作染料敏化太阳能电池的光阳极。以该染料敏化太阳能电池的光阳极按与实施例1中相同的方式组装成染料敏化太阳能电池测试系统，其组装过程与测试条件与实施例1中相同。
图6为本实施例中所制备的染料敏化太阳能电池3的电流密度-电压曲线γ。经测算染料敏化太阳能电池3的短路电流密度Jsc3为2.60mA/cm2，开路电压Voc3为0.668V，填充因子FF3为49.5％，转换效率η3为0.86％。

Claims (2)

1.一种染料敏化太阳能电池的ZnO微纳结构电极，由粘附在透明导电玻璃衬底上的ZnO微纳结构及ZnO上敏化的染料单分子层构成；其特征在于所述ZnO微纳结构是由粘附在F掺SnO2透明导电玻璃上的ZnO微球及其表面阵列分布的准一维ZnO纳米结构构成。
2.权利要求1所述染料敏化太阳能电池的ZnO微纳结构电极的制备方法，其特征在于按1ml乙醇或乙二醇或松油醇，和0.1g粒径在500nm～2μm的Zn粉的比例混合研磨至形成均匀的Zn浆料，再将该Zn浆料涂覆在F掺SnO2透明导电玻璃衬底上，形成厚度为5～30μm的Zn微粒涂层，然后在450～600℃加热涂覆好的玻璃衬底，保温1～12h后冷却至室温，最后经0.5mmol/L的N719染料的无水乙醇溶液中常温浸泡24h，即形成染料敏化太阳能电池用ZnO微纳结构光阳极。
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