CN102436935A - 天然染料敏化Zn2TiO4纳米晶薄膜太阳能电池及其制备方法 - Google Patents

天然染料敏化Zn2TiO4纳米晶薄膜太阳能电池及其制备方法 Download PDF

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何祖明
夏咏梅
唐斌
王青
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Abstract

本发明涉及一种天然染料敏化Zn2TiO4纳米晶薄膜的太阳能电池及其制备，该太阳能电池为三明治结构，两边部分别为导电玻璃FTO和对电极，中间两部分分别为浸渍有有机染料的Zn2TiO4纳米晶和电解质溶液。制备步骤包括：Zn2TiO4纳米晶，天然染料的制备和组装染料敏化太阳能电池。本发明制备方法简单，成本降低，电池性能好，具有优异的经济效益。

Description

天然染料敏化Zn2TiO4纳米晶薄膜太阳能电池及其制备方法
技术领域
本发明属于太阳能电池技术领域，更具体涉及一种天然染料敏化Zn2TiO4纳米晶薄膜太阳能电池及其制备方法。
背景技术
染料是染料敏化太阳能电池(Dye-sensitized Solar Cell，DSSC)的核心部分之一，其作用是吸收太阳光，产生光电子，并将光电子传输到氧化物半导体导带上。因此，染料敏化剂性能的优劣对整个电池装置的光电转化效率起着决定性作用。目前，人们研究的可作为敏化剂的染料主要有四种：钌多吡啶有机金属配合物、酞菁和菁类染料、卟啉类染料和天然染料。其中，钌多吡啶有机金属配合物染料性能最好，但是其合成、提纯等工艺比较复杂，且钌作为稀有金属，使得这类染料成本较高，不利于大规模的工业化生产应用；酞菁和菁类以及卟啉类染料很早就被用作光敏化剂了，性能也比较稳定，不过这类染料合成过程中副反应比较多，很难合成单一的纯物质。
植物光合作用中心是一种分子水平上的高效率的光伏器件，其中参与植物光合作用等一系列重要过程的核心部分就是天然染料。一些天然染料如类黄酮类、花色素苷等，大量地存在于植物的叶子、花和果实中，且它们的化学性能和光学性能非常稳定，可以用来替代钌吡啶络合物作为DSSC的染料敏化剂。天然染料，成本低，制备简单。但是，目前还未天然染料敏化Zn2TiO4纳米晶薄膜太阳能电池相关专利报道。
发明内容
本发明的目的是提供一种天然染料敏化Zn2TiO4纳米晶薄膜太阳能电池及其制备方法，天然染料，成本低，制备简单，电池性能好，具有优异的经济效益。
本发明的天然染料敏化Zn2TiO4纳米晶薄膜太阳能电池：为三明治结构，两边分别是导电玻璃FTO和有Au镀层的导电玻璃FTO，中间两部分分别为浸渍天然染料的Zn2TiO4纳米晶和电解质容液。
作为优选，Zn2TiO4纳米晶的粒径为10nm。小粒径的Zn2TiO4纳米晶制备过程简单，纯度高，较大比表面能吸附的染料，从而增加了光的利用率。
本发明的天然染料敏化Zn2TiO4纳米晶薄膜太阳能电池的制备方法，其特征在于：所述的治本方法步骤为：
(1)天然染料的制备：将采集到的叶子洗净晾干，称量后用研钵磨碎，加入无水乙醇，在黑暗处浸泡一周以上；过滤，将滤液浓缩，得到天然色素的乙醇溶液。
(2)Zn2TiO4纳米晶薄膜电极的制备：①用钛酸丁酯、二乙醇胺、去离子水和无水乙醇，按体积比3∶1∶1∶12的比例配制成透明溶胶I；②用二水合醋酸锌为反应前驱体，乙醇胺为稳定剂，乙二醇甲醚为溶剂，按乙醇胺与锌离子的摩尔比为1∶1的比例配制Zn2+浓度为0.5mol/l的溶胶II；③量取溶胶I和II，按Zn与Ti的摩尔比2∶1混合均匀，再加入表面活性剂聚乙二醇PEG400，搅拌均匀，得到胶体III；④取制备好的胶体III滴于导电玻璃上，均匀涂抹在导电面上，将涂覆好胶体的导电玻璃干燥10min，重复涂膜控制膜厚，然后在550℃焙烧60min，即制备成Zn2TiO4纳米晶薄膜电极。
(3)染料敏化太阳能电池的组装：将(2)中制备好的Zn2TiO4电极玻片浸入到(1)中的天然色素乙醇溶液中，室温浸泡48小时，取出后用无水乙醇清洗干净，晾干，即为天然染料敏化的Zn2TiO4电极；再把它与对电极和注入的液态电解质溶液组装在一起，形成三明治的染料敏化太阳能电池。
本发明的显著优点是Zn2TiO4纳米晶是一种很好的半导体材料，本发明首次提供一种天然染料敏化Zn2TiO4纳米晶薄膜太阳能电池及其制备方法，制备方法简单，光电能量转化效率达到2.97％，降低了成本，具有很好的经济效益。
附图说明
图1 550℃煅烧的Zn2TiO4纳米晶薄膜的SEM图像
图2 550℃煅烧的Zn2TiO4纳米晶薄膜的XRD图谱
图3 本发明三明治结构的染料敏化太阳能电池的示意图，1 导电玻璃FTO；2 Zn2TiO4纳米晶；3天然染料敏化剂；4电解质溶液；5Au镀层；6导电玻璃FTO
具体实施方式
以下实施例进一步说明本发明，但是本发明不仅限于此。
实施例
天然染料的制备：将采集到的新鲜的叶子去掉泥土灰尘，洗净烘干，称量后用研钵磨碎放到棕色试剂瓶中，以每克原料加入20ml的无水乙醇的比例，加入无水乙醇，在黑暗处浸泡一周以上。利用真空泵和砂芯漏斗，抽滤，将滤液在40℃浓缩为原来的十分之一，将析出的不溶物滤去，得到天然色素的乙醇溶液，装入棕色试剂瓶备用。
Zn2TiO4纳米晶薄膜电极的制备：①用钛酸丁酯、二乙醇胺、去离子水和无水乙醇，按体积比3∶1∶1∶12的比例配制成透明溶胶I。②用二水合醋酸锌为反应前驱体，乙醇胺为稳定剂，乙二醇甲醚为溶剂；按乙醇胺与锌离子的摩尔比为1∶1的比例配制Zn2+浓度为0.5mol/l的溶胶II；③用量筒分别量取一定体积的溶胶I和II，按Zn与Ti的摩尔比2∶1进行混合，并磁力搅拌使之混合均匀，再加入适量的表面活性剂聚乙二醇PEG400，并搅拌均匀，陈化24小时，得到胶体III，即为所需胶体；④将已清洗过的2cm×3cm导电玻璃FTO(在400-700nm透光率大于90％，方块电阻14Ω/□)不导电的背面及导电面的边缘用胶带封上并固定在涂膜机上；取制备好的胶体III滴于导电玻璃上，用旋涂成膜法在导电面上涂均匀；将涂覆好胶体的FTO在恒温干燥箱中80℃干燥10min，重复涂膜以控制膜厚，镀完最后一层后，干燥30min；撕下胶带，放入箱式电阻炉中，以5℃/min升温速度升温到230℃后，保温60min，然后再升温到550℃，恒温烧结60min，即制备成纳米结构Zn2TiO4薄膜电极。
染料敏化太阳能电池的组装：将上述制备好的Zn2TiO4电极玻片。浸入到制备好的月季叶染料的乙醇溶液中，室温浸泡48小时，取出后用无水乙醇清洗干净，晾干，即为月季叶染料敏化的Zn2TiO4电极。再把它与对电极和注入的液态电解质溶液组装在一起，形成三明治的染料敏化太阳能电池。
液态电解质溶液采用常规的染料敏化太阳能电池电解质溶液。
从图2可以看出，550℃的产物已结晶，但结晶度不是很高。该衍射谱图与α2Zn2TiO4标准峰数据一致，表明所生长的Zn2TiO4晶体为尖晶石结构。
图1显示，550℃煅烧所生长的Zn2TiO4薄膜，表面平整、致密；纳米Zn2TiO4颗粒基本呈球形或近球形，由于表面活性剂的分散作用，颗粒表现出良好的分散状态，无团聚和大块堆积现象，粒径大多在10nm左右。
以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。

Claims (3)

1.一种天然染料敏化Zn2TiO4纳米晶薄膜的太阳能电池，其特征在于：所述太阳能电池为三明治结构，电池的两边分别是导电玻璃FTO和有Au镀层的导电玻璃FTO，中间两部分分别为浸渍天然染料的Zn2TiO4纳米晶和电解质溶液。
2.根据权利要求1所述的天然染料敏化Zn2TiO4纳米晶薄膜的太阳能电池，其特征在于：Zn2TiO4纳米晶的粒径为10nm。
3.根据权利要求1或2所述的天然染料敏化Zn2TiO4纳米晶薄膜的太阳能电池的制备方法，步骤包括：
(1)天然染料的制备：将采集的叶子，洗净晾干，称量后用研钵磨碎，加入无水乙醇，在黑暗处浸泡一周以上；过滤，滤液浓缩，得到天然色素的乙醇溶液；
(2)Zn2TiO4纳米晶薄膜电极的制备：①用钛酸丁酯、二乙醇胺、去离子水和无水乙醇，按体积比3∶1∶1∶12的比例配制成透明溶胶I；②用二水合醋酸锌为反应前驱体，乙醇胺为稳定剂，乙二醇甲醚为溶剂，按乙醇胺与锌离子的摩尔比为1∶1的比例配制Zn2+浓度为0.5mol/l的溶胶II；③量取溶胶I和II，按Zn与Ti的摩尔比2∶1混合均匀，再加入表面活性剂聚乙二醇PEG400，搅拌均匀，得到胶体III；④取制备好的胶体III滴于导电玻璃上，均匀涂抹在导电面上，将涂覆好胶体的导电玻璃干燥10min，重复涂膜控制膜厚，然后在550℃焙烧60min，即制备成Zn2TiO4纳米晶薄膜电极；
(3)染料敏化太阳能电池的组装：将(2)中制备好的Zn2TiO4电极玻片浸入到(1)中的天然色素乙醇溶液中，室温浸泡48小时，取出后用无水乙醇清洗干净，晾干，即为天然染料敏化的Zn2TiO4电极；再把它与对电极和注入的液态电解质溶液组装在一起，形成三明治的染料敏化太阳能电池。
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