CN102800495A - 原位生长二氧化钛薄膜电极的方法、光阳极、电池 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种原位生长二氧化钛薄膜电极的方法、光阳极、太阳能电池。该原位生长二氧化钛薄膜电极的方法，包括以下步骤：（1）将第一钛箔片放入到碱溶液中水热反应，得到第二钛箔片；（2）取出第二钛箔片，在惰性气氛下灼烧，得到原位生长的二氧化钛薄膜电极。该方法制得的原位生长二氧化钛薄膜电极用作柔性染料敏化太阳能电池的光阳极，不仅实现了在低温条件下在柔性导电膜基底上形成二氧化钛薄膜，而且实现了二氧化钛薄膜与柔性导电膜基底的有效连接，且二氧化钛薄膜与柔性导电膜基底的结合力强，从而实现了光阳极中电子的有效传输，有利于太阳能电池光电性能的提升。
Description
技术领域
本发明属于太阳能电池制造技术领域，具体涉及一种原位生长二氧化钛薄膜电极的方法、染料敏化太阳能电池用的光阳极及染料敏化太阳能电池。
背景技术
由于全球性能源危机日益严重，人类迫切希望找到一种可持续发展的绿色能源。太阳能作为一种取之不尽的天然能源，成为人们的重要选择之一，日益受到世界各国的关注。染料敏化太阳能电池作为新型电池，与传统电池比较，具有成本低廉，绿色环保，制作简单的巨大优势。
染料敏化电池主要由以下几个部分组成：导电基底层、二氧化钛薄膜、染料敏化层、电解质和对电极。光阳极包括导电基底层和二氧化钛薄膜，其中，常规的导电基底层通常选择透明导电玻璃，因为玻璃本身属于刚性材料，所以选择透明导电玻璃作为导电基底只能做出刚性的染料敏化太阳能电池。同时，由于导电玻璃质量大，无法弯曲，刚性电池的安装和携带不方便，严重影响了染料敏化太阳能电池的应用范围。光阳极中的二氧化钛薄膜的制备方法存在制备成本高，提高了染料敏化太阳能电池的成本。光阳极中的二氧化钛薄膜与导电基底层的结合力差，严重影响了光阳极中的电子传输，不利于太阳能电池光电性能的提升。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对现有技术中存在的上述不足，提供了一种原位生长二氧化钛薄膜电极的方法、染料敏化太阳能电池用的光阳极及染料敏化太阳能电池。该原位生长二氧化钛薄膜电极的制备工艺简单、成本低，实现了二氧化钛薄膜与钛箔片基底的有效连接，且二氧化钛薄膜与钛箔片基底的结合力强，从而实现了光阳极中电子的有效传输，有利于太阳能电池光电性能的提升。
解决本发明技术问题所采用的技术方案是提供一种原位生长二氧化钛薄膜电极的方法，包括以下步骤：
（1）将第一钛箔片放入到碱溶液中水热反应，得到第二钛箔片；
（2）取出第二钛箔片，在惰性气氛下灼烧，得到原位生长的二氧化钛薄膜电极。
优选的是，所述步骤（1）中碱溶液中的碱为氢氧化钾、氢氧化钠、氢氧化钙、四甲基氢氧化铵、四乙基氢氧化铵中的一种或者几种混合物，其中碱的浓度为0.1M~15M。
优选的是，所述步骤（1）中水热反应的温度为100~200℃，水热反应的时间为1~24小时。
优选的是，所述步骤（2）的灼烧的温度为200~600℃，灼烧的时间为30~480分钟。
优选的是，在所述步骤（1）和所述步骤（2）之间还包括：步骤（m）将第二钛箔片放入到酸溶液中处理。
优选的是，所述步骤（m）中的酸溶液中的酸为硝酸、氯化氢、氢氟酸、磷酸、醋酸、乳酸中的一种或者几种的混合物，其中，酸的浓度为1×10-4M~10M，酸处理的时间为3~48小时。
优选的是，在所述步骤（2）之后还包括：步骤（n）将步骤（2）得到的原位生长二氧化钛薄膜电极放入到酸中处理。
优选的是，所述步骤（n）中的酸溶液中的酸为硝酸、氯化氢、氢氟酸、磷酸中的一种或者几种混合物，其中，酸的浓度为1×10-5M~1×10-2M，酸处理的时间为1~30分钟。
本发明还提供一种染料敏化太阳能电池用的光阳极，其为上述的方法得到的原位生长的二氧化钛薄膜电极。
本发明还提供一种染料敏化太阳能电池，其包括上述的染料敏化太阳能电池用的光阳极。
本发明的有益效果：该方法制得的原位生长二氧化钛薄膜电极用作柔性染料敏化太阳能电池的光阳极，不仅实现了在低温条件下在钛箔片基底上形成二氧化钛薄膜，而且实现了二氧化钛薄膜与钛箔片基底的有效连接，且二氧化钛薄膜与钛箔片基底的结合力强，从而实现了光阳极中电子的有效传输，有利于太阳能电池光电性能的提升。使用该原位生长二氧化钛薄膜电极做成柔性染料敏化太阳能电池后，该电池重量较导电玻璃封装的刚性电池减轻约70%~80%，提高了太阳能电池生产和应用的便利性。该原位生长二氧化钛薄膜制备成本低，大大降低了柔性染料敏化太阳能电池的制作成本。
附图说明
图1是本发明实施例1制备的染料敏化太阳能电池光阳极的结构示意图；
图中：1-钛箔片基底；2-二氧化钛薄膜。
具体实施方式
为使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细描述。
在以下各实施例中，在实施光阳极的制备方法之前，需要先对钛箔片进行预处理，以便除去钛箔片表面的有机物和无机物。该预处理的过程可为：
先用洗涤剂清洗钛箔片，再在水中超声清洗10~20分钟，除去水分后，在1×10-5M~1×10-2M的氢氟酸中浸泡1~30分钟，取出后放入水中超声清洗5~10分钟，干燥后得到的钛箔片备用。由于对钛箔片的预处理过程是本领域技术人员公知的，故在下述各实施例中不再对其详细描述。下述实施例中所使用的钛箔片，均为经过该预处理过程处理过的钛箔片。
实施例1
本实施例提供一种原位生长二氧化钛薄膜电极的制备方法，包括以下步骤：
（1）将一侧贴有塑料膜的钛箔片放入到4M的氢氧化钾溶液中，在120℃下水热反应16小时，钛箔片表面上的钛会与碱反应生成纳米的二氧化钛，这样即在钛箔片的表面原位生长出非晶态的二氧化钛。
（2）取出钛箔片洗净，放入2M的盐酸溶液中浸泡处理24小时，可以除去钛箔片表面的特别小的非晶态的二氧化钛。
（3）再取出钛箔片洗净，在惰性气氛下，在400℃下灼烧240分钟，非晶态的二氧化钛反应生成晶态的二氧化钛。
（4）将灼烧后的钛箔片放入1×10-3M的醋酸溶液中，浸泡15分钟，取出洗净后干燥，可以除去钛箔片表面的非常小的晶态的二氧化钛，即得到原位生长的二氧化钛薄膜电极。该原位生长的二氧化钛薄膜电极可以用作柔性染料敏化太阳能电池的光阳极。如图1所示，柔性染料敏化太阳能电池的光阳极包括钛箔片基底1和二氧化钛薄膜2。其中，钛箔片基底1用作光阳极的导电基底层，钛箔片基底1不仅仅重量轻，而且还是一种很好的柔性导电基底层，钛箔片基底1的表面原位生长出来的二氧化钛薄膜2与其牢牢地结合在一起，可以实现光电子在钛箔片基底1和二氧化钛薄膜2之间的有效传输。
将该光阳极浸泡于浓度为5×10-4mol/L的钌配合物N719染料[英文名：RuL2(NCS)2·2TBA（L=2，2’-bipyridyl-4，4’-dicarboxylicacid）]溶液中24h，光阳极被染料充分敏化。然后将该光阳极与铂对电极对接，滴入电解液，组装成电池，电解液包括1M的LiI、0.1M的I2、0.5M的4-丁基吡啶，其中溶剂为丁腈和碳酸丙烯酯（PC）（体积比为1∶1）。测效率时使用氙灯模拟太阳光，光强为100mW/cm2（用标准硅光电二极管测定光强），在该光强下测得该薄膜电极所组成的电池光电转换效率为3.8%。
该方法制得的原位生长二氧化钛薄膜电极用作柔性染料敏化太阳能电池的光阳极，不仅实现了在低温条件下在钛箔片基底上形成二氧化钛薄膜，而且实现了二氧化钛薄膜与钛箔片基底的有效连接，且二氧化钛薄膜与钛箔片基底的结合力强，从而实现了光阳极中电子的有效传输，有利于太阳能电池光电性能的提升。使用该原位生长二氧化钛薄膜电极做成柔性染料敏化太阳能电池后，该电池重量较导电玻璃封装的刚性电池减轻约70%~80%，提高了太阳能电池生产和应用的便利性。该原位生长二氧化钛薄膜制备成本低，大大降低了柔性染料敏化太阳能电池的制作成本。
实施例2
本实施例提供一种原位生长二氧化钛薄膜电极的制备方法，包括以下步骤：
（1）将一侧贴有塑料膜的钛箔片放入到7M的氢氧化钾和氢氧化钠的混合溶液中（其中氢氧化钾和氢氧化钠的质量比为1∶5），在150℃下水热反应12小时，钛箔片表面上的钛会与碱反应生成纳米的二氧化钛，这样即在钛箔片的表面原位生长出非晶态的二氧化钛。
（2）取出钛箔片洗净，放入1×10-4M的氢氟酸溶液中浸泡处理5小时，可以除去钛箔片表面的特别小的非晶态的二氧化钛。
（3）再取出钛箔片洗净，在惰性气氛下，在300℃下灼烧300分钟，非晶态的二氧化钛反应生成晶态的二氧化钛。
（4）将灼烧后的钛箔片放入8×10-4M的乳酸溶液中，浸泡20分钟，取出洗净后干燥，可以除去钛箔片表面的非常小的晶态的二氧化钛，即得到原位生长的二氧化钛薄膜电极。该原位生长的二氧化钛薄膜电极可以用作柔性染料敏化太阳能电池的光阳极。其中，钛箔片用作光阳极的导电基底，钛箔片不仅仅重量轻，而且还是一种很好的柔性导电基底，钛箔片的表面原位生长出来的二氧化钛薄膜与钛箔片牢牢地结合在一起。
该方法制得的原位生长二氧化钛薄膜电极用作柔性染料敏化太阳能电池的光阳极，使用本实施例中光阳极制备染料敏化太阳能电池的方法如同实施例1，测效率时使用氙灯模拟太阳光，光强为100mW/cm2（用标准硅光电二极管测定光强），在该光强下测得该薄膜电极所组成的电池光电转换效率为4.1%。
实施例3
本实施例提供一种原位生长二氧化钛薄膜电极的制备方法，包括以下步骤：
（1）将一侧贴有塑料膜的钛箔片放入到15M的氢氧化钠溶液中，在100℃下水热反应24小时，钛箔片表面上的钛会与碱反应生成纳米的二氧化钛，这样即在钛箔片的表面原位生长出非晶态的二氧化钛。
（2）取出钛箔片洗净，放入10M的磷酸溶液中浸泡处理3小时，可以除去钛箔片表面的特别小的非晶态的二氧化钛。
（3）再取出钛箔片洗净，在惰性气氛下，在600℃下灼烧30分钟，非晶态的二氧化钛反应生成晶态的二氧化钛。
（4）将灼烧后的钛箔片放入1×10-5M的氢氟酸溶液中，浸泡10分钟，取出洗净后干燥，可以除去钛箔片表面的非常小的晶态的二氧化钛，即得到原位生长的二氧化钛薄膜电极。该原位生长的二氧化钛薄膜电极可以用作柔性染料敏化太阳能电池的光阳极。其中，钛箔片用作光阳极的导电基底，钛箔片不仅仅重量轻，而且还是一种很好的柔性导电基底，钛箔片的表面原位生长出来的二氧化钛薄膜与钛箔片牢牢地结合在一起。
该方法制得的原位生长二氧化钛薄膜电极用作柔性染料敏化太阳能电池的光阳极，使用本实施例中光阳极制备染料敏化太阳能电池的方法如同实施例1，测效率时使用氙灯模拟太阳光，光强为100mW/cm2（用标准硅光电二极管测定光强），在该光强下测得该薄膜电极所组成的电池光电转换效率为3.5%。
实施例4
本实施例提供一种原位生长二氧化钛薄膜电极的制备方法，包括以下步骤：
（1）将一侧贴有塑料膜的钛箔片放入到0.1M的四乙基氢氧化铵溶液中，在200℃下水热反应1小时，钛箔片表面上的钛会与碱反应生成纳米的二氧化钛，这样即在钛箔片的表面原位生长出非晶态的二氧化钛。
（2）取出钛箔片洗净，放入4M的硝酸溶液中浸泡处理10小时，可以除去钛箔片表面的特别小的非晶态的二氧化钛。
（3）再取出钛箔片洗净，在惰性气氛下，在500℃下灼烧100分钟，非晶态的二氧化钛反应生成晶态的二氧化钛。
（4）将灼烧后的钛箔片放入1×10-4M的盐酸溶液中，浸泡30分钟，取出洗净后干燥，可以除去钛箔片表面的非常小的晶态的二氧化钛，即得到原位生长的二氧化钛薄膜电极。该原位生长的二氧化钛薄膜电极可以用作柔性染料敏化太阳能电池的光阳极。其中，钛箔片用作光阳极的导电基底，钛箔片不仅仅重量轻，而且还是一种很好的柔性导电基底，钛箔片的表面原位生长出来的二氧化钛薄膜与钛箔片牢牢地结合在一起。
该方法制得的原位生长二氧化钛薄膜电极用作柔性染料敏化太阳能电池的光阳极，使用本实施例中光阳极制备染料敏化太阳能电池的方法如同实施例1，测效率时使用氙灯模拟太阳光，光强为100mW/cm2（用标准硅光电二极管测定光强），在该光强下测得该薄膜电极所组成的电池光电转换效率为4.3%。
实施例5
本实施例提供一种原位生长二氧化钛薄膜电极的制备方法，包括以下步骤：
（1）将一侧贴有塑料膜的钛箔片放入到1M的氢氧化钙溶液中，在180℃下水热反应5小时，钛箔片表面上的钛会与碱反应生成纳米的二氧化钛，这样即在钛箔片的表面原位生长出非晶态的二氧化钛。
（2）取出钛箔片洗净，放入6M的醋酸溶液中浸泡处理48小时，可以除去钛箔片表面的特别小的非晶态的二氧化钛。
（3）再取出钛箔片洗净，在惰性气氛下，在200℃下灼烧480分钟，非晶态的二氧化钛反应生成晶态的二氧化钛。
（4）将灼烧后的钛箔片放入1×10-2M的磷酸和盐酸的混合溶液中（其中磷酸和氯化氢的质量比为8∶1），浸泡1分钟，取出洗净后干燥，可以除去钛箔片表面的非常小的晶态的二氧化钛，即得到原位生长的二氧化钛薄膜电极。该原位生长的二氧化钛薄膜电极可以用作柔性染料敏化太阳能电池的光阳极。其中，钛箔片用作光阳极的导电基底，钛箔片不仅仅重量轻，而且还是一种很好的柔性导电基底，钛箔片的表面原位生长出来的二氧化钛薄膜与钛箔片牢牢地结合在一起。
该方法制得的原位生长二氧化钛薄膜电极用作柔性染料敏化太阳能电池的光阳极，使用本实施例中光阳极制备染料敏化太阳能电池的方法如同实施例1，测效率时使用氙灯模拟太阳光，光强为100mW/cm2（用标准硅光电二极管测定光强），在该光强下测得该薄膜电极所组成的电池光电转换效率为3.9%。
实施例6
本实施例提供一种原位生长二氧化钛薄膜电极的制备方法，包括以下步骤：
（1）将一侧贴有塑料膜的钛箔片放入到0.8M的四甲基氢氧化铵溶液中，在160℃下水热反应8小时，钛箔片表面上的钛会与碱反应生成纳米的二氧化钛，这样即在钛箔片的表面原位生长出非晶态的二氧化钛。
（2）取出钛箔片洗净，放入8M的乳酸和盐酸溶液中浸泡处理12小时(其中乳酸和氯化氢的质量比为10∶1)，可以除去钛箔片表面的特别小的非晶态的二氧化钛。
（3）再取出钛箔片洗净，在惰性气氛下，在450℃下灼烧120分钟，非晶态的二氧化钛反应生成晶态的二氧化钛。
（4）将灼烧后的钛箔片放入5×10-3M的硝酸溶液中，浸泡10分钟，取出洗净后干燥，可以除去钛箔片表面的非常小的晶态的二氧化钛，即得到原位生长的二氧化钛薄膜电极。该原位生长的二氧化钛薄膜电极可以用作柔性染料敏化太阳能电池的光阳极。其中，钛箔片用作光阳极的导电基底，钛箔片不仅仅重量轻，而且还是一种很好的柔性导电基底，钛箔片的表面原位生长出来的二氧化钛薄膜与钛箔片牢牢地结合在一起。
该方法制得的原位生长二氧化钛薄膜电极用作柔性染料敏化太阳能电池的光阳极，使用本实施例中光阳极制备染料敏化太阳能电池的方法如同实施例1，测效率时使用氙灯模拟太阳光，光强为100mW/cm2（用标准硅光电二极管测定光强），在该光强下测得该薄膜电极所组成的电池光电转换效率为3.7%。
可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本发明的原理而采用的示例性实施方式，然而本发明并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本发明的精神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种原位生长二氧化钛薄膜电极的方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）将第一钛箔片放入到碱溶液中水热反应，得到第二钛箔片；
（2）取出第二钛箔片，在惰性气氛下灼烧，得到原位生长的二氧化钛薄膜电极。
2.根据权利要求1所述的原位生长二氧化钛薄膜电极的方法，其特征在于，所述步骤（1）中碱溶液中的碱为氢氧化钾、氢氧化钠、氢氧化钙、四甲基氢氧化铵、四乙基氢氧化铵中的一种或者几种混合物，其中碱的浓度为0.1M~15M。
3.根据权利要求1所述的原位生长二氧化钛薄膜电极的方法，其特征在于，所述步骤（1）中水热反应的温度为100~200℃，水热反应的时间为1~24小时。
4.根据权利要求1所述的原位生长二氧化钛薄膜电极的方法，其特征在于，所述步骤（2）的灼烧的温度为200~600℃，灼烧的时间为30~480分钟。
5.根据权利要求1所述的原位生长二氧化钛薄膜电极的方法，其特征在于，在所述步骤（1）和所述步骤（2）之间还包括：
步骤（m）将第二钛箔片放入到酸溶液中处理。
6.根据权利要求5所述的原位生长二氧化钛薄膜电极的方法，其特征在于，所述步骤（m）中的酸溶液中的酸为硝酸、氯化氢、氢氟酸、磷酸、醋酸、乳酸中的一种或者几种的混合物，其中，酸的浓度为1×10-4M~10M，酸处理的时间为3~48小时。
7.根据权利要求1所述的原位生长二氧化钛薄膜电极的方法，其特征在于，在所述步骤（2）之后还包括：
步骤（n）将步骤（2）得到的原位生长二氧化钛薄膜电极放入到酸中处理。
8.根据权利要求7所述的原位生长二氧化钛薄膜电极的方法，其特征在于，所述步骤（n）中的酸溶液中的酸为硝酸、氯化氢、氢氟酸、磷酸中的一种或者几种混合物，其中，酸的浓度为1×10-5M~1×10-2M，酸处理的时间为1~30分钟。
9.一种染料敏化太阳能电池用的光阳极，其特征在于，其为权利要求1~8任意一项所述的方法得到的原位生长的二氧化钛薄膜电极。
10.一种染料敏化太阳能电池，其特征在于，其包括权利要求9所述的染料敏化太阳能电池用的光阳极。
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