CN102324312B - 一种染料敏化太阳能电池复合光阳极的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种染料敏化太阳能电池复合光阳极的制备方法，复合光阳极包括Al掺杂ZnO透明导电致密层薄膜和二氧化钛纳米晶薄膜两层。AZO透明导电致密薄膜通过旋涂法制备在导电玻璃上，利用涂覆法将二氧化钛纳米晶薄膜制备到AZO薄膜上构成复合光阳极。该方法提高了染料敏化太阳能电池的开路电压、填充因子和光电转化效率，而且成本低廉，工艺简单，具有好的应用前景。

Description

一种染料敏化太阳能电池复合光阳极的制备方法
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的制备方法，属于光伏材料与器件领域。
背景技术
染料敏化太阳能电池是一种电化学电池。染料敏化太阳能电池产生的光生电子都要经过光阳极的导电玻璃导入到外电路，由于电解质（尤其是液态电解质）可能会与导电玻璃直接接触，使得导电玻璃上集到的电子会与电解质中的I3 -发生复合，降低了电子的收集率以及光电转换效率。电子的复合程度强烈地影响着电池的光电转换效率，甚至影响电池的短路。如何减少电子复合是提升电池性能的有效途径。
国内外研究者为了减小导电玻璃上的电子与电解质的复合，进行了大量的研究。常规工艺主要是引入一层致密的二氧化钛（参见 H. Yu, S.Q. Zhang, H.J. Zhao, G. Will, P.R. Liu, Electrochimica Acta, 54 (2009) 1319-1324），避免导电玻璃直接与电解质接触，从而在一定程度上阻止了此界面处的电荷复合。Lee等（参见Lee, S.; Noh, J. H.; Han, H. S.; Yim, D. K.; Kim, D. H.; Lee, J. K.; Kim, J. Y.; Jung, H. S.; Hong, K. S. J Phys Chem C 2009, 113 (16), 6878-6882）以及Noh等（参见Noh, J. H.; Lee, S.; Kim, J. Y.; Lee, J. K.; Han, H. S.; Cho, C. M.; Cho, I. S.; Jung, H. S.; Hong, K. S. J Phys Chem C 2009, 113 (3), 1083-1087）采用脉冲激光沉积法在导电玻璃上制备了Nb掺杂的二氧化钛致密层，有效抑制了电子复合，提高了电池的光电转化效率。Xia等（参见Xia, J. B.; Masaki, N.; Jiang, K. J.; Yanagida, S. Chem. Commun. 2007, (2) 138-140）采用溅射法在导电玻璃上沉积一层Nb2O5，抑制了电子复合，提高了电池的光电转化效率。但是，这两种致密层在真空系统中制备，工艺相对复杂，制备成本高，从而增加了电池的整体费用。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种染料敏化太阳能电池复合光阳极的制备方法，该复合光阳极可以显著减小导电玻璃上的电子与电解质的复合，提高电池的性能参数，并且成本低廉、工艺简单。
本发明技术方案是：
将醋酸锌溶解到无水乙醇中，将相当于醋酸锌摩尔含量1%-3%的硝酸铝溶解到上述溶液中搅拌15分钟，然后加入与醋酸锌摩尔含量相同的二乙醇胺，升温到60度搅拌30分钟，获得ZnO浓度为 0.1-0.5mol/L的Al掺杂ZnO（AZO）溶胶；
使用旋涂法，将溶胶在导电玻璃上甩胶做膜，在500℃退火1小时后获得厚度为80~130nm的AZO透明导电致密层；
再将TiO2浆料涂覆到有AZO透明导电致密层的导电玻璃上，在500℃退火1小时，获得AZO/TiO2复合光阳极。
如上所述的料敏化太阳能电池复合光阳极的制备方法，通过涂覆法制备二氧化钛纳米晶薄膜，二氧化钛浆料由水热合成制得。
用N719敏化本发明所制得的复合光阳极，并滴加氧化还原电解质于该杂化电极上，加盖对电极组装成染料敏化太阳能电池。氧化还原电解质配比为：0.1mol/L 1-propy-3-methylimidazolium iodide (1-丙基-3-甲基咪唑碘), 0.05mol/L LiI, 0.1mol/L GNCS, 0.03M I2, 0.5mol/L  4-tert-butylpridine (4-叔丁基吡啶)，溶剂为碳酸丙烯脂与乙腈的混合溶液（体积比为1:1）。 
本发明利用旋涂法在导电玻璃上制备了一层AZO透明导电致密层，可有效减小导电玻璃上的电子与电解质的复合，同时也让二氧化钛纳米晶层上的电子顺畅地流入外电路，而且该AZO致密层的透光性很好，增加了光阳极的光吸收能力。该方法工艺简单，无需真空系统，成本低廉，重复性好。
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  1%Al掺杂的AZO/TiO2复合光阳极
将醋酸锌溶解到无水乙醇中，将相当于醋酸锌摩尔含量1%的硝酸铝溶解到上述溶液中搅拌15分钟，然后加入适量二乙醇胺，升温到60度搅拌30分钟，获得ZnO浓度为0.1mol/L的Al掺杂ZnO（AZO）溶胶；
将导电玻璃固定到匀胶机上，滴加AZO溶胶到导电玻璃上，以1600转/min转速甩胶做膜，在500℃退火1小时后获得厚度为80nm的1%Al掺杂的AZO透明导电致密层；
水热合成TiO2浆料（参见S. Ito, T. Murakami, P. Comte, P. Liska, C. Gr tzel, M. Nazeeruddin, M. Gr tzel, Thin Solid Films, 516 (2008) 4613-4619.），将其涂覆到有AZO透明导电致密层的导电玻璃上，在500℃退火1小时，获得AZO/TiO2复合光阳极。
用N719敏化本发明所制得的光阳极，并滴加氧化还原电解质于该光阳极上，其配比为0.1mol/L 1-propy-3-methylimidazolium iodide (1-丙基-3-甲基咪唑碘), 0.05mol/L LiI, 0.1mol/L GNCS, 0.03mol/L I2, 0.5mol/L 4-tert-butylpridine (4-叔丁基吡啶)，溶剂为碳酸丙烯脂与乙腈的混合溶液（体积比为1:1），加盖对电极组装成染料敏化太阳能电池测试光电转化性能。
在室温下，使用1000W模拟太阳光光源氙灯（Oriel 91192, USA），Keithly 2400 source meter，辐照强度为100W/cm2，电池受光照面积为0.25cm2条件下测量光电能量转换效率为6.24%，比无此微球散射层的纳米晶太阳能电池（5.5%）高出11.85%。
实施例2  2%Al掺杂的AZO/TiO2复合光阳极
将醋酸锌溶解到无水乙醇中，将相当于醋酸锌摩尔含量2%的硝酸铝溶解到上述溶液中搅拌15分钟，然后加入适量二乙醇胺，升温到60度搅拌30分钟，获得ZnO浓度为0.3mol/L的Al掺杂ZnO（AZO）溶胶；
将导电玻璃固定到匀胶机上，滴加AZO溶胶到导电玻璃上，以1600转/min转速甩胶做膜，在500℃退火1小时后获得厚度为100nm的2%Al掺杂的AZO透明导电致密层；  
 水热合成TiO2浆料（参见S. Ito, T. Murakami, P. Comte, P. Liska, C. Gr tzel, M. Nazeeruddin, M. Gr tzel, Thin Solid Films, 516 (2008) 4613-4619.），将其涂覆到有AZO透明导电致密层的导电玻璃上，在500℃退火1小时，获得AZO/TiO2复合光阳极。
用N719敏化本发明所制得的光阳极，并滴加氧化还原电解质于该光阳极上，其配比为0.1mol/L 1-propy-3-methylimidazolium iodide (1-丙基-3-甲基咪唑碘), 0.05mol/L LiI, 0.1mol/L GNCS, 0.03mol/L I2, 0.5mol/L 4-tert-butylpridine (4-叔丁基吡啶)，溶剂为碳酸丙烯脂与乙腈的混合溶液（体积比为1:1），加盖对电极组装成染料敏化太阳能电池测试光电转化性能。
在室温下，使用1000W模拟太阳光光源氙灯（Oriel 91192, USA），Keithly 2400 source meter，辐照强度为100W/cm2，电池受光照面积为0.25cm2条件下测量光电能量转换效率为6.55%，比无此微球散射层的纳米晶太阳能电池（5.5%）高出18.92%。
实施例3  3%Al掺杂的AZO/TiO2复合光阳极
将醋酸锌溶解到无水乙醇中，将相当于醋酸锌摩尔含量3%的硝酸铝溶解到上述溶液中搅拌15分钟，然后加入适量二乙醇胺，升温到60度搅拌30分钟，获得ZnO浓度为0.5mol/L的Al掺杂ZnO（AZO）溶胶；
将导电玻璃固定到匀胶机上，滴加AZO溶胶到导电玻璃上，以1600转/min转速甩胶做膜，在500℃退火1小时后获得厚度为130nm的3%Al掺杂的AZO透明导电致密层；
水热合成TiO2浆料（参见S. Ito, T. Murakami, P. Comte, P. Liska, C. Gr tzel, M. Nazeeruddin, M. Gr tzel, Thin Solid Films, 516 (2008) 4613-4619.），将其涂覆到有AZO透明导电致密层的导电玻璃上，在500℃退火1小时，获得AZO/TiO2复合光阳极。
用N719敏化本发明所制得的光阳极，并滴加氧化还原电解质于该光阳极上，其配比为0.1mol/L 1-propy-3-methylimidazolium iodide (1-丙基-3-甲基咪唑碘), 0.05mol/L LiI, 0.1mol/L GNCS, 0.03mol/L I2, 0.5mol/L 4-tert-butylpridine (4-叔丁基吡啶)，溶剂为碳酸丙烯脂与乙腈的混合溶液（体积比为1:1），加盖对电极组装成染料敏化太阳能电池测试光电转化性能。
在室温下，使用1000W模拟太阳光光源氙灯（Oriel 91192, USA），Keithly 2400 source meter，辐照强度为100W/cm2，电池受光照面积为0.25cm2条件下测量光电能量转换效率为6.96%，比无此微球散射层的纳米晶太阳能电池（5.5%）高出26.5%，其短路电流从14.89 mA*cm-2大幅提升到17.3 mA*cm-2。

Claims (2)

1.一种染料敏化太阳能电池复合光阳极的制备方法，其特征在于：
将醋酸锌溶解到无水乙醇中形成溶液，将相当于醋酸锌摩尔含量1％-3％的硝酸铝溶解到上述溶液中搅拌15分钟，然后加入与醋酸锌摩尔含量相同的二乙醇胺，升温到60摄氏度搅拌30分钟，获得ZnO浓度为0.1-0.5mol/L的Al掺杂ZnO溶胶；
使用旋涂法，将溶胶在导电玻璃上甩胶做膜，在500℃退火1小时后获得厚度为80～130nm的AZO透明导电致密层；
再将TiO2浆料涂覆到有AZO透明导电致密层的导电玻璃上，在500℃退火1小时，获得AZO/TiO2复合光阳极。
2.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述TiO2浆料由水热合成制得。 
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