CN102760585A - 一种设有外加磁场的染料敏化太阳能电池及其制备方法 - Google Patents

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蔡锋石
袁志好
段月琴
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Abstract

一种设有外加磁场的染料敏化太阳能电池，由染料敏化太阳能电池和外加磁场构成，染料敏化太阳能电池为夹层结构电池，包括光阳极、光阴极和电解液，其中以染料敏化半导体二氧化钛或氧化锌膜为光阳极，染料敏化剂采用钌基有机染料N719染料或量子点硫化镉的乙醇溶液，以铂为光阴极，外加磁场为永磁铁或电磁铁；其的制备方法是：将制备的染料敏化太阳能电池；置于外加磁场的中心即可。本发明的优点在于：采用具有节能、无污染、易操作的磁场调控，在磁场作用下促进染料敏化太阳能电池中光生电子和空穴的分离，从而减少光生电子在光阳极薄膜中的复合率，延长光生电子的寿命，提高了染料敏化太阳能电池的光电流及光电转换效率。

Description

一种设有外加磁场的染料敏化太阳能电池及其制备方法
技术领域
本发明涉及染料敏化太阳能电池，特别是一种设有外加磁场的染料敏化太阳能电池及其制备方法。
背景技术
自1991年瑞士
Figure BDA00001961482200011
教授在染料敏化太阳能电池研究方面取得突破以来（O’Regan,B.，Nature 1991,353,737.），该类电池由于具有高效、低成本、环境友好等优点，显示出强大的商业应用前景，逐渐成为世界各国研究的热点。目前报道的实验室最高效率为12%，远低于其30%的理论效率。为此，国内外在对DSSC的光电极、电解质、生产工艺以及电池结构等方面均进行了不断的探索，在一定程度上改善了电池的光电性能，提高了光电转化效率。然而，近年来该类电池的光电效率依然没有取得大的突破，其中重要的因素就是光生电子在光阳极薄膜中的复合率高。如何有效的减少光生电子的复合，目前主要有以下途径：对光阳极形貌结构进行设计，如纳米棒、纳米管及阵列等，为减少电子在薄膜中的传输路径；对多孔膜进行一定的改性和修饰，如通过增加散射层来提高对光的利用率，通过TiCl4处理来改善纳米颗粒之间的连接等。这些方法往往过程复杂，耗能且有污染，进一步提高太阳电池的效率也变得越来越难。
最近，有机光电器件中电流和发光的磁场效应引起了人们的广泛兴趣。Mermer等[Mermer Q,et al.Phy.Rev.B 2005,72,20520]报道了在有机发光器件中，引入磁场可以增加器件的发光效率和改变器件的电流。但关于通过磁场调控来改善染料敏化太阳能电池的光电性能国内外还鲜见报道。本发明提供了一种新的提高染料敏化太阳能电池光电转换效率的思路，即在磁场作用下减少光生电子在光阳极薄膜中的复合率，从而延长光生电子的寿命，提高太阳能电池的光电转换效率。通过简单易行的磁场调控方法，来增强染料敏化太阳能电池的光电性能，这对提高光电池的性价比具有十分重要的意义。
发明内容
本发明的目的是针对上述存在问题和技术分析，提供一种设有外加磁场的染料敏化太阳能电池及其制备方法，该染料敏化太阳能电池通过磁场的作用，促进了光生电子和空穴的分离，从而减少了光生电子在光阳极薄膜中的复合率，延长了光生电子的寿命，提高了染料敏化太阳能电池的光电流及光电转换效率，且具有节能、无污染、易操作的特点。
本发明的技术方案：
一种设有外加磁场的染料敏化太阳能电池，由染料敏化太阳能电池和外加磁场构成，染料敏化太阳能电池位于外加磁场的中心，所述染料敏化太阳能电池为夹层结构电池，包括光阳极、光阴极和电解液，其中以染料敏化半导体二氧化钛或氧化锌膜为光阳极，染料敏化剂采用浓度为3×10-4M 钌基有机染料N719染料【cis–bis(isothiocyanoto)bis(2,2-bipyridyl-4,4-dicarboxylato)ruthenium(II)bis(tetrabutylammonium)】的乙醇溶液或量子点硫化镉的乙醇溶液，以铂为光阴极；所述的电解液的配方为：在乙腈溶剂中，加入0.6mol/L的1-丁基-3-甲基咪唑碘盐、0.03mol/L的碘、0.1mol/L的异硫氰酸胍和0.5mol/L的叔丁基吡啶作支持电解质；所述外加磁场为永磁铁或电磁铁，磁场强度为1-200毫特斯拉，磁极间距为6-25厘米，磁极与电池电极的距离为1-12厘米，磁极与电池电极的夹角为90-45度。
一种所述设有外加磁场的染料敏化太阳能电池的制备方法，步骤如下：
1）在导电玻璃上制备半导体氧化物膜，随后浸泡在染料敏化剂中吸附12小时制得染料敏化的光阳极；
2）在光阳极和光阴极之间加入用于密封的“surlyn”热塑性聚合物膜，通过热封机在90-110℃下加热20-30秒，使两个电极完全粘结在一起；
3）在光阴极背孔注入电解质溶液，并密封电解质注入小孔，制备成染料敏化太阳能电池；
4）将染料敏化太阳能电池置于外加磁场的中心即可。
本发明的优点在于：采用具有节能、无污染、易操作的磁场调控，在磁场作用下促进染料敏化太阳能电池中光生电子和空穴的分离，从而减少光生电子在光阳极薄膜中的复合率，延长光生电子的寿命，提高了染料敏化太阳能电池的光电流及光电转换效率，为改善染料敏化太阳能电池的光电性能提供了一条新的途径，显示出十分重要的应用前景。
附图说明
图1为该设有外加磁场的染料敏化太阳能电池的结构示意图。
图2为实施例1中磁场作用下N719染料敏化太阳能电池在光强为AM1.5-100mW/cm2的模拟太阳光照射下的I-V曲线图。
图3为实施例2中磁场作用下量子点硫化镉敏化太阳能电池在光强为AM1.5-100mW/cm2的模拟太阳光照射下的I-V曲线图。
图4为实施例3中磁场作用下N719染料敏化太阳能电池在光强为AM1.5-100mW/cm2的模拟太阳光照射下的I-V曲线图。
具体实施方式
下述实施例不能限制本发明，但可以帮助进一步理解本发明的内容。
实施例1：
一种设有外加磁场的染料敏化太阳能电池，如图1所示，由染料敏化太阳能电池和外加磁场构成，染料敏化太阳能电池位于外加磁场的中心，所述染料敏化太阳能电池为夹层结构电池，包括光阳极、光阴极和电解液，其中以染料敏化半导体氧化锌膜为光阳极，染料敏化剂采用浓度为3×10-4M的钌基有机染料N719染料的乙醇溶液，以铂为光阴极；所述的电解液的配方为：在乙腈溶剂中，加入0.6mol/L的1-丁基-3-甲基咪唑碘盐、0.03mol/L的碘、0.1mol/L的异硫氰酸胍和0.5mol/L的叔丁基吡啶作支持电解质；所述外加磁场为永磁铁或电磁铁，磁场强度为15毫特斯拉，磁极间距为10厘米，磁极与电池电极的距离为4厘米，磁极与电池电极的夹角为90度。
该设有外加磁场的染料敏化太阳能电池的制备方法，步骤如下：
1）在导电玻璃上制备半导体氧化锌膜，方法是将导电玻璃置于稀释好的溶胶中用拉膜机进行拉膜，形成一层均匀的晶种层，随后置于60℃的烘箱中干燥，将拉过膜的导电玻璃置于0.05mol/L的硝酸锌(Zn(NO3)2·6H2O)溶液和六次甲基四胺的生长液中恒温水浴95℃生长9h就得到ZnO纳米阵列，用蒸馏水、乙醇冲洗表面，氮气吹干，再经450℃烧结30min,得到厚度为3μm的氧化锌纳米阵列膜，然后浸泡在浓度为3×10-4M的钌基有机染料N719染料的乙醇溶液中吸附12小时，用无水乙醇清洗、氮气吹干后，制得染料敏化的光阳极；
2）采用Pt为光阴极，在光阳极和光阴极之间加入用于密封的“surlyn”热塑性聚合物膜，通过热封机在100℃下加热25秒，使两个电极完全粘结在一起；
3）在乙腈溶剂中，加入0.6mol/L的1-丁基-3-甲基咪唑碘盐、0.03mol/L的碘、0.1mol/L的异硫氰酸胍和0.5mol/L的叔丁基吡啶作支持电解质，制得电解液，在光阴极背孔注入电解质溶液，并密封电解质注入小孔，制备成染料敏化太阳能电池；
4）将染料敏化太阳能电池置于外加磁场的中心即可。
电池性能测试：将制得的光电池置于外加磁场中，并连接到电池性能测试装置上，所述外加磁场为永磁铁，磁场强度为15毫特斯拉，磁极间距为10厘米，磁极与电池电极的距离为4厘米，磁极与电池电极的夹角为90度。在光强为AM1.5-100mW/cm2的模拟太阳光照射下，用美国Keithley 2400数字源表采集光电流、光电压；电池的光电流（I）-光电压（V）曲线如图2所示。图中显示：磁场作用对染料敏化太阳能电池的光电性能产生影响，在一定磁场大小作用下对光电流起增强作用，从而提高了光电转换效率。这可能源于磁场的作用，促进了光阳极中光生电子和空穴的有效分离，从而减少光生电子在光阳极薄膜中的复合率，延长光生电子的寿命，从而确保染料敏化太阳能电池光电转换的有效进行。
实施例2：
一种设有外加磁场的染料敏化太阳能电池，由染料敏化太阳能电池和外加磁场构成，染料敏化太阳能电池位于外加磁场的中心，所述染料敏化太阳能电池为夹层结构电池，包括光阳极、光阴极和电解液，其中以染料敏化半导体氧化锌膜为光阳极，染料敏化剂采用浓度为3×10-4M的量子点硫化镉的乙醇溶液，以铂为光阴极；所述的电解液的配方为：在乙腈溶剂中，加入0.6mol/L的1-丁基-3-甲基咪唑碘盐、0.03mol/L的碘、0.1mol/L的异硫氰酸胍和0.5mol/L的叔丁基吡啶作支持电解质；所述外加磁场为电磁铁，磁场强度为10毫特斯拉，磁极间距为10厘米，磁极与电池电极的距离为4厘米，磁极与电池电极的夹角为90度。
该设有外加磁场的染料敏化太阳能电池的制备方法，步骤与实施例1基本相同，仅染料敏化剂为量子点硫化镉的乙醇溶液。
电池的光电流（I）-光电压（V）曲线如图3所示，图中显示结论与实施例1相同。
实施例3：
一种设有外加磁场的染料敏化太阳能电池，其结构与实施例1基本相同，不同之处在于：磁场强度为150毫特斯拉，磁极间距为20厘米，磁极与电池电极的距离为9厘米，磁极与电池电极的夹角为60度。该电池的制备方法与实施例1相同。
电池的光电流（I）-光电压（V）曲线如图4所示，图中显示结论与实施例1基本相同。

Claims (2)

1.一种设有外加磁场的染料敏化太阳能电池，其特征在于：由染料敏化太阳能电池和外加磁场构成，染料敏化太阳能电池位于外加磁场的中心，所述染料敏化太阳能电池为夹层结构电池，包括光阳极、光阴极和电解液，其中以染料敏化半导体二氧化钛或氧化锌膜为光阳极，染料敏化剂采用浓度为3×10-4M钌基有机染料N719染料【cis–bis(isothiocyanoto)bis(2,2-bipyridyl-4,4-dicarboxylato)ruthenium(II)bis(tetrabutylammonium)】的乙醇溶液或量子点硫化镉的乙醇溶液，以铂为光阴极；所述的电解液的配方为：在乙腈溶剂中，加入0.6mol/L的1-丁基-3-甲基咪唑碘盐、0.03mol/L的碘、0.1mol/L的异硫氰酸胍和0.5mol/L的叔丁基吡啶作支持电解质；所述外加磁场为永磁铁或电磁铁，磁场强度为1-200毫特斯拉，磁极间距为6-25厘米，磁极与电池电极的距离为1-12厘米，磁极与电池电极的夹角为90-45度。
2.一种如权利要求1所述设有外加磁场的染料敏化太阳能电池的制备方法，其特征在于步骤如下：
1）在导电玻璃上制备半导体氧化物膜，随后浸泡在染料敏化剂中吸附12小时制得染料敏化的光阳极；
2）在光阳极和光阴极之间加入用于密封的“surlyn”热塑性聚合物膜，通过热封机在90-110℃下加热20-30秒，使两个电极完全粘结在一起；
3）在光阴极背孔注入电解质溶液，并密封电解质注入小孔，制备成染料敏化太阳能电池；
4）将染料敏化太阳能电池置于外加磁场的中心即可。
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