CN102394178A - 利用紫外辐照光电极提高染料敏化太阳电池转换效率方法 - Google Patents
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Abstract
利用紫外辐照光电极提高染料敏化太阳电池转换效率方法，对烧结处理后的敏化太阳电池电极进行紫外辐照处理，在距光源1-10cm处5-100mW/cm2能量范围，辐照处理5-100min。去利用紫外线去除光电极材料表面无机活性剂并增加染料吸附活性表面积，以增加染料吸附量来提高染料敏化太阳电池光电转换效率的方法。简单、快速、高效，能提高染料敏化太阳电池光电转换效率。
Description
技术领域
本发明涉及敏化太阳电池的制备，尤其是低温去除无机表面活性剂并提高染料敏化太阳电池光电转换效率技术领域，具体涉及一种利用紫外线辐照光电极去除高(001)取向TiO2表面F-表面活性剂并增加光电极染料吸附活表面积，以增加染料吸附量的方式来提高染料敏化太阳电池光电转换效率的方法。
背景技术
功能材料的功能与其性质紧密相连，这些性质又是由其微结构所决定的，这些性质包括晶粒大小、取向、形貌、暴露面等。为了得到特殊的微结构，在材料的制备过程中通常引入表面活性剂或者形貌导向剂，然而，材料表面也因此被表面活性剂所污染。为了得到功能化的材料，这些表面活性剂需要从材料表面去除。烧结通常用来去除这些表面活性剂，但是烧结温度通常高于600℃，如此高的温度经常导致微结构的坍塌和团聚，材料的功能也因此被破坏。自从利用臭氧处理表面活性剂的方法引入材料领域，紫外/臭氧和紫外/双氧水处理方法就发展起来了，但是，这些处理方法仅仅适用于去除有机表面活性剂，使用紫外线去除无机活性表面积的方法还未见报道。
在染料敏化太阳电池中，染料分子通过羧基吸附在钛原子上，单位面积上的染料吸附量约为3×10-7mol/m2，染料分子的吸附面积为1.4nm2，所以染料在TiO2表面的覆盖率为25％，这就是说TiO2表面大部分没有被染料分子覆盖；又因为锐钛矿TiO2(001)表面的钛原子密度为7.0/nm2，这样，只有2.5％的钛原子有机会和染料分子相连。所以，提高染料吸附量还有很大的空间。
综上所述，提出一种去除无机表面活性剂并增加染料敏化太阳电池染料吸附量的方法是十分必要的。
发明内容
本发明目的是，旨在克服上述现有技术的不足，提供一种室温下利用紫外线辐照光电极去除表面活性剂并提高染料敏化太阳电池光电转换效率的方法，解决室温下去除无机表面活性剂等难题，并在去除无机表面活性剂的基础上增加染料吸附量。
本发明技术方案是：利用紫外辐照光电极提高染料敏化太阳电池转换效率方法，对烧结处理后的敏化太阳电池电极进行紫外辐照处理，在距光源1-10cm处5-100mW/cm2能量范围，辐照处理5-100min。以上接受的光照度量可以其它单位进行换算。
完整的辐照处理的工艺流程为：(1)制备湿膜；采用丝网印刷或者涂布的方法制备高(001)取向的TiO2纳米膜(湿膜厚度约为100μm)，制备的湿膜为高(001)取向的TiO2那么多孔膜；(2)烧结处理；将湿膜放入马弗炉中烧结500℃制备出高(001)取向的TiO2光电极(干膜厚度约为10μm)，(3)紫外线辐照处理；是指将烧结处理后的光电极摆放在距紫外灯管(低压汞灯，中心波长254nm，强度约为20mW/cm2)1-10cm处，辐照处理10-80min；烧结处理后的光电极放在高强度(20mW/cm2)的紫外线下作辐照处理10-80min，(4)干燥处理；(5)浸泡染料。所述的(4)干燥处理，是指将经过(3)紫外线辐照处理后的光电极放入60-100℃的鼓风干燥箱中静置60-180min。
本发明有益效果是，与现有技术相比具有以下优点：
(1)本发明可以实现室温下去除无机表面活性剂，解决了高温烧结去除表面活性剂造成的纳米粒子的团聚或者微结构的变化。
(2)本发明可以实现染料吸附活性位点的增加，进而增加染敏吸附活性表面积。
(3)本发明处理工艺简单、操作简便、效果好，适合各种面积特别是大面积染料敏化太阳电池的应用。
附图说明
图1没有紫外线辐照(a)、紫外线辐照20min(b)和80min(c)样品的F1s XPS谱图。
图2没有紫外线辐照(UV 0)，紫外线辐照10min(UV 10)、20min(UV 20)、40min(UV 40)和80min(UV 80)以及参照样品P25的J-V曲线图。
具体实施方式
紫外线辐照处理后的高(001)取向的TiO2表面是清洁的，在制备过程中吸附在TiO2表面的F-无机表面活性剂得到有效地去除，详见图1.
图1是没有紫外线辐照(a)、紫外线辐照20min(b)和80min(c)样品的F1s XPS谱图，从没有紫外线辐照(1a)、紫外线辐照20min(1b)和80min(1c)样品的F1s XPS谱图可以看出，没有经过紫外线辐照的样品在束缚能为686eV左右时有明显的峰，说明在TiO2表面有F的存在；经过紫外线辐照20min的样品F1S峰在减小，而经过紫外线辐照80min样品的F1S峰减小至如此微弱以至于基本淹没在背景噪声中。从以上分析，我们可以得出结论，随着紫外线辐照时间的增加，TiO2表面的F逐渐减少，经过80min紫外线辐照的TiO2表面的F基本被清除。
紫外线辐照处理后的高(001)取向的TiO2光电极制备的染料敏化太阳电池的光电转换效率得到较大幅度的提升，详见图2和表1。表1是不同辐照时间和P25样品的J-V曲线参数和单位表面积染料吸附量表。
AM1.5下(100mW/cm2)六块电池(五块不同辐照时间和一块P25对比样品)的电流密度-电压(J-V)曲线如图2所示。上面一组数据表示光电流，下面一组数据表示暗电流。其详细的开路电压(VOC)、短路电流(JSC)、填充因子(FF)、光电转换效率(η)的单位表面积染料吸附量见表1.
表1
从表1可以看出，不同紫外光辐照时间的染料敏化太阳电池开路电压Voc为683±13mV，基本没有变化，填充因子FF为75.7％±0.3％，也没有太大的变化，短路电流密度Jsc自没有经过紫外线辐照的10.30mA/cm2增加至辐照20min的11.25mA/cm2再增加至40min的11.71mA/cm2，辐照80min为11.73mA/cm2，与辐照40min没有太大区别，光电转换效率η也以此规律从5.21％增加至5.67％再增加至6.14％。从P25对比试验可以看出，没有经过紫外线辐照的染料敏化太阳电池略低于P25，经过40min辐照的染料敏化太阳电池效率远大于P25，辐照40min的染料敏化太阳电池光电转换效率较没有辐照的染料敏化太阳电池效率增加约18％。这种增加主要来源于短路电流密度Jsc的增加，Jsc的增加来源于染料敏化太阳电池吸附染料量的增加，从表1可以看出，单位表面积染料吸附量从UV 0的2.71×10-7mol/m2增加至UV 20的3.18×10-7mol/m2再增加至UV 40的3.36×10-7mol/m2，增加的染料吸附量来源于辐照处理后的TiO2光电极具有更多的染料吸附活性位点，即具有更高的染料吸附活性表面积。
Claims (4)
1.一种利用紫外辐照光电极提高染料敏化太阳电池转换效率方法，其特征在于对烧结处理后的敏化太阳电池电极进行紫外辐照处理，在距光源1-10 cm处5-100 mW/cm2能量范围，辐照处理5-100 min。
2.根据权利要求1所述的利用紫外辐照光电极提高染料敏化太阳电池转换效率方法，其特征在于完整的辐照处理的工艺流程为：（1）制备湿膜；采用丝网印刷或者涂布的方法制备高（001）取向的TiO2纳米膜，湿膜厚度为100 μm，制备的湿膜为高（001）取向的TiO2那么多孔膜；（2）烧结处理；将湿膜放入马弗炉中烧结500℃制备出高（001）取向的TiO2光电极，干膜厚度约为10 μm，（3）紫外线辐照处理；烧结处理后的光电极放在高强度20 mW/cm2的紫外线下作辐照处理10-80 min，（4）干燥处理；（5）浸泡染料。
3.根据权利要求1或2所述的利用紫外辐照光电极提高染料敏化太阳电池转换效率方法，其特征在于将烧结处理后的光电极摆放在距低压汞灯1-10 cm处，中心波长254 nm，强度20 mW/cm2，辐照处理10-80 min。
4.根据权利要求1 至3所述的利用紫外辐照光电极提高染料敏化太阳电池转换效率方法，其特征在于所述的干燥处理，是指将经过（3）紫外线辐照处理后的光电极放入60-100℃的鼓风干燥箱中静置60-180 min。
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