CN102568836A - 一种用于敏化太阳电池的复合结构光阳极及制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于敏化太阳电池的复合结构光阳极及制备方法，该方法是形成一种TiO2/ZnO复合结构作为敏化太阳能电池的光阳极材料，其制备方法为先用TiCl4溶液处理，水解生成一层TiO2，然后再通过水热生长一层ZnO纳米棒，得到TiO2/ZnO复合结构光阳极。用此复合结构光阳极组装成染料敏化太阳能电池和量子点敏化太阳能电池，提高了这两种太阳能电池的开路电压，短路电流和光电转换效率。本发明采用TiO2/ZnO复合结构作为光阳极材料价格便宜，制备方法简单，易于操作，并且适宜大面积制作。

Description

一种用于敏化太阳电池的复合结构光阳极及制备方法
技术领域
本发明属于太阳能技术领域，更具体涉及一种以复合结构材料作为电极的敏化太阳能电池 
背景技术
近年来能源短缺造成国际石油价格逐年疯长，太阳能作为一种来源丰富且干净环保的新能源备受瞩目。染料敏化太阳能电池(DSSCs)是近年来新研发的一种低成本且高光电转换效率的太阳能电池。DSSCs是由瑞士科学家Micheal 的团队于1991年提出，兴起了各界对DSSC电池的研究热潮(O’Regan，B.， M.，Nature，1991，353，737)。DSSCs是将吸附了染料的宽禁带半导体纳米晶薄膜作为正极，表面镀有一层铂的导电玻璃作为对电极，正极和对电极之间加入氧化-还原电解质形成的。染料分子吸收太阳光能，电子从基态跃迁到激发态，激发态上面的电子快速注入紧邻的TiO2导带，染料中失去的电子很快从电解质中得到补偿，进入TiO2导带中的电子最终进入导电膜，然后通过外电路到对电极产生光电流。然而，染料的稳定性还有待进一步的提高，而且价格也相对较高，所以采用价格便宜的窄禁带无机半导体量子点作为敏化剂，可以降低电池的成本，提高稳定性，这种电池成为量子点敏化太阳能电池(QDSSCs)。一般染料吸收一个光子最多产生一个电子，量子点可以由一个高能光子产生多个电子，大大提高量子产率(Nozik，A.J.，PhysicaE，2002，14，115)。 
敏化太阳能电池的光阳极通常是采用多孔TiO2纳米晶颗粒薄膜，然而TiO2的电子扩散常数为5x10-5cm2/s，相比宽禁带的ZnO纳米棒来说要低，但是由于ZnO纳米棒的比表面积相比TiO2纳米晶颗粒来说要低的多，造成吸附的染料与量子点的数量相对要少，也造成ZnO作为光阳极的敏化类太阳能电池的效率低下，印度学者在ZnO纳米棒上组装CdS量子点后其光电转换效率达到0.69％(M.Thambidurai，J.Nanopart.Res.2011，10，1007)。 
发明内容
为了克服上述的缺陷，本发明提供了一种用于敏化太阳能电池的复合结构光阳极材料，以此来提高敏化太阳能电池的开路电压、短路电流与光电转换效率。 
本发明是通过以下技术方案实施的： 
一种用于敏化太阳电池的复合结构光阳极及制备方法，该方法是在生长ZnO纳米棒之前先生长一层致密的TiO2纳米晶颗粒，形成TiO2/ZnO复合结构作为敏化太阳能电池的光阳极 材料。
所述方法的具体步骤为： 
1)配备0.01M-0.05M的TiCl4溶液；
2)将导电基底浸入步骤1)的溶液中，放入恒温箱中20-120min后取出，恒温箱的温度为30-100℃；
3)将步骤2)所得的基底放入高温炉中烧结20-60min，退火后取出，及得到TiO2纳米颗粒层，高温炉的温度为300-600℃；
4)配备0.01M-0.1M的可溶性锌盐和六亚甲基四胺的混合溶液中，放入恒温箱中2-48h后取出，及得到TiO2纳米颗粒/ZnO纳米棒复合结构，恒温箱温度为50-100℃。
本发明的优点在于：在生长ZnO纳米棒之前生长一层TiO2致密的纳米晶颗粒，降低了光阳极材料的导带，有利于敏化剂产生的电子更加有效的注入到光阳极材料中，提高了太阳能电池的开路电压，短路电流和光电转换效率。此方法简单，价格便宜，易于操作，并且适宜大面积制作。在100mW/cm2的光强条件下，组装成染料敏化太阳能电池可达到0.778％的光电转换效率。组装成量子点敏化太阳能电池，其光电转化效率为1.75％，开路电压达到0.768V，短路电流为5.12mA/cm2，填充因子44％，比TiO2纳米晶颗粒作为光阳极的电池转换效率高出94％，比ZnO纳米棒作为光阳极的电池转换效率高出247％。 
本发明将通过下面实例来进行举例说明，但是，本发明并不限于这里所描述的实施方案，本发明的实施例仅用于进一步阐述本发明。对于本领域的技术人员对本发明的内容所进行的替代、改动或变更，这些等价形式同样落入本申请所限定的范围内。 
附图说明
图1为FTO表面形貌SEM图； 
图2为FTO上生长TiO2致密纳米晶颗粒的SEM图；
图3为FTO上生长TiO2致密纳米晶颗粒的剖面SEM图；
图4为TiO2纳米晶颗粒之上生长了ZnO纳米棒的SEM图；
图5为TiO2-ZnO复合结构作为光阳极的染料敏化太阳能电池的I-V曲线。
图6为TiO2作为光阳极、ZnO作为光阳极与TiO2/ZnO复合结构作为光阳极的CdS量子点敏化太阳能电池的I-V曲线。
图7为TiO2作为光阳极、ZnO作为光阳极与TiO2/ZnO复合结构作为光阳极的CdS量子点敏化太阳能电池的性能参数。 
具体实施方式
一种用于敏化太阳电池的复合结构光阳极及制备方法，该方法是在生长ZnO纳米棒之前先生长一层致密的TiO2纳米晶颗粒，形成TiO2/ZnO复合结构作为量子点敏化太阳能电池的光阳极材料。 
所述方法的具体步骤为： 
1)配备0.01M-0.05M的TiCl4溶液；
2)将导电基底浸入步骤1)的溶液中，放入恒温箱中20-120min后取出，恒温箱的温度为30-100℃；
3)将步骤2)所得的基底放入高温炉中烧结20-60min，退火后取出，及得到TiO2纳米颗粒层，高温炉的温度为300-600℃；
4)配备0.01M-0.1M的可溶性锌盐和六亚甲基四胺的混合溶液中，放入恒温箱中2-48h后取出，及得到TiO2纳米颗粒/ZnO纳米棒复合结构，恒温箱温度为50-100℃。
实施例1 
一种用于敏化太阳电池的复合结构光阳极及制备方法的具体步骤为：
1)配备0.02M的TiCl4溶液；
2)将导电基底浸入步骤1)的溶液中，放入恒温箱中30min后取出，恒温箱的温度为70℃；
3)将步骤2)所得的基底放入高温炉中烧结30min，退火后取出，及得到TiO2纳米颗粒层，高温炉的温度为450℃；
4)配备0.01M的可溶性锌盐和六亚甲基四胺的混合溶液中，放入恒温箱中20h后取出，及得到TiO2纳米颗粒/ZnO纳米棒复合结构，恒温箱温度为95℃。
将制备的复合结构光阳极材料浸泡入N719染料当中，组装成染料敏化太阳能电池，对电极采用传统的热分解法制备Pt对电极。
实施例2 
一种用于敏化太阳电池的复合结构光阳极及制备方法的具体步骤为：
1)配备0.02M的TiCl4溶液；
2)将导电基底浸入步骤1)的溶液中，放入恒温箱中30min后取出，恒温箱的温度为70℃； 
3)将步骤2)所得的基底放入高温炉中烧结30min，退火后取出，及得到TiO2纳米颗粒层，高温炉的温度为450℃；
4)配备0.03M的可溶性锌盐和六亚甲基四胺的混合溶液中，放入恒温箱中20h后取出，及得到TiO2纳米颗粒/ZnO纳米棒复合结构，恒温箱温度为95℃。
将制备的复合结构光阳极材料组装成CdS量子点敏化太阳能电池。将此复合结构光阳极材料交替浸入30℃的0.3M Cd(NO3)2的乙醇与水的混合溶液中和0.3M的Na2S的乙醇与水的混合溶液中5min，成为敏化后的光阳极材料，其中乙醇与水的体积比为1∶1。对电极采用传统的热分解法制备Pt对电极。 

Claims (8)

1.一种用于敏化太阳电池的复合结构光阳极，其特征在于所述敏化太阳电池的复合结构光阳极为TiO2纳米颗粒/ZnO纳米棒复合结构。
2.根据权利要求1所述的敏化太阳电池的复合结构光阳极，其特征在于所述的TiO2纳米颗粒的大小为5-50nm。
3.根据权利要求1所述的敏化太阳电池的复合结构光阳极，其特征在于所述的TiO2层的厚度为50-300nm。
4.根据权利要求1所述的敏化太阳电池的复合结构光阳极，其特征在于所述的ZnO纳米棒的直径为100-500nm。
5.根据权利要求1所述的敏化太阳电池的复合结构光阳极，其特征在于所述的ZnO层的厚度为10-50μm。
6.一种用于敏化太阳电池的复合结构光阳极的制备方法，其特征在于所述方法的具体步骤为：
1)配备0.01M-0.05M的TiCl4溶液；
2)将导电基底浸入步骤1)的溶液中，放入恒温箱中20-120min后取出，恒温箱的温度为30-100℃；
3)将步骤2)所得的基底放入高温炉中烧结20-60min，退火后取出，及得到TiO2纳米颗粒层，高温炉的温度为300-600℃；
4)配备0.01M-0.1M的可溶性锌盐和六亚甲基四胺的混合溶液中，放入恒温箱中2-48h后取出，及得到TiO2纳米颗粒/ZnO纳米棒复合结构，恒温箱温度为50-100℃。
7.根据权利要求1、2、3、4、5、6所述的复合结构光阳极及制备方法用于制作染料敏化太阳能电池，其特征在于：将此光阳极材料浸泡入有机敏化染料中1～48h，组装成染料敏化太阳能电池。
8.根据权利要求1、2、3、4、5、6所述的复合结构光阳极及制备方法用于制作量子点敏化太阳能电池，其特征在于：将此光阳极材料放入含有半导体量子点阳离子的可溶性盐溶液中1～100min，再放入含有半导体量子点阴离子的溶液中1～100min，再组装成量子点敏化太阳能电池。
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