CN103383897A

CN103383897A - 一种制备染料敏化太阳能电池光阳极的方法

Info

Publication number: CN103383897A
Application number: CN2012101316214A
Authority: CN
Inventors: 王飞; 张学骜; 方靖岳; 邵铮铮; 常胜利
Original assignee: National University of Defense Technology
Current assignee: National University of Defense Technology
Priority date: 2012-05-02
Filing date: 2012-05-02
Publication date: 2013-11-06

Abstract

本发明公开了一种制备染料敏化太阳能电池光阳极的方法，采用一种纳米多孔结构的有序介孔二氧化钛薄膜作为染料敏化太阳能电池的光阳极。本发明方法的步骤包括钛酸丁酯、盐酸和无水乙醇溶液的配制、溶液成溶胶及陈化处理、拉膜、退火及燃料敏化太阳能电池的制备。本发明获得的介孔二氧化钛薄膜具有均匀有序的孔道、高比表面积及相对良好的热稳定性，能够大大提高染料敏化剂分子的吸附率，并避免敏化剂分子的团聚，使得敏化剂分子表现出良好的光活性，用覆有该薄膜的基片作为染料敏化太阳能电池光阳极时，能提高光阳极对太阳光的吸收，提高电子的传输速率以及光电转换效率，从而改善电池的性能。

Description

一种制备染料敏化太阳能电池光阳极的方法

技术领域

本发明属于太阳能电池技术领域，具体涉及一种制备染料敏化太阳能电池光阳极的方法。

背景技术

伴随着传统能源（煤、石油、天然气等矿物资源）的大量消耗和使用，探索可再生能源已成为世界各国关注的焦点。在目前正在开发的可再生能源中，太阳能作为一种取之不尽、用之不竭、安全可靠、无污染、不受地理环境限制等的天然绿色能源，愈来愈受到广泛重视。如果人类能够有效地利用太阳能，则不仅能解决人类生存和发展所需的能源消耗问题，同时也将解决人类赖以生存和发展所需的生态环保问题。发展太阳能电池则是充分利用太阳能最有效的途径之一。目前，世界各国都已投入很大力量研发太阳能电池，就是希望取代目前以煤、石油、天然气为主的传统能源。

目前研究与应用最广泛的太阳能电池主要是硅系太阳能电池，但硅系太阳能电池材料纯度要求高、原材料受限、制造成本高、对环境有污染，这些限制了其民用化，急需研发低成本、无污染的新型太阳能电池。染料敏化太阳能电池的研究应运而生。与常规太阳能电池相比，染料敏化太阳能电池具有理论转化效率高、工艺简单、透明度好、对温度和入射光角度依赖小、制备过程耗能少、成本低等众多优点，有望成为未来太阳能电池的主导。

染料敏化太阳能电池的研究历史可以追溯到20世纪60年代，德国人Tributsch发现了染料吸附半导体上在一定条件下能产生电流，为光电化学奠定了重要基础。1991年Gratzel研究小组采用高比表面积的纳米多孔二氧化钛膜作为半导体电极，以过度金属Ru及Os等有机化合物作为染料，并选用适当的氧化还原电解质研制出一种染料敏化纳米晶太阳能电池，使得染料敏化光电池的光电能量转化效率有了很大提高，其光电能量转换效率可达7.1%。经过不断研究和改进，染料敏化太阳能电池目前最高光电转换效率已超过12%。TiO₂薄膜作为染料吸附、电子传输的载体，是染料敏化太阳能电池的关键，其性能直接影响电池的效率。因此对TiO₂薄膜的研究具有重要的应用价值和科学意义。

目前，染料敏化太阳能电池中的光阳极主要采用致密的二氧化钛薄膜，吸附染料效率低，不能满足实际应用。

发明内容

本发明旨在克服现有技术中的不足，提供一种制备染料敏化太阳能电池光阳极的方法。

为了达到上述目的，本发明提供的技术方案为：

所述制备染料敏化太阳能电池光阳极的方法包括如下步骤：

（1）溶液配制：将5~10mL钛酸丁酯（TEOT）加入到由3~6mL盐酸和30~80mL无水乙醇组成的混合液中，再加入1~5g P123；优选地，将8.6mL钛酸丁酯（TEOT）加入到由5.4mL盐酸和50.6mL无水乙醇组成的混合溶液中，再加入2g P123。

（2）溶液处理：将步骤（1）中配好的溶液经磁力搅拌5~20min，优选为10min，制成钛溶胶，放入冰箱陈化；

（3）拉膜：将钛溶胶陈化2~8h后取出，将基片以5~20cm/min匀速在钛溶胶中进行拉膜，拉膜1—10次后将导电玻璃放入冰箱陈化；优选地，将钛溶胶陈化6h后取出，将基片以12cm/min匀速在钛溶胶中进行拉膜，拉膜6次后将基片放入冰箱陈化；优选地，每次拉膜的时间间隔为10min；其中，所述基片为导电玻璃。拉膜时将基片以相同速度放入液体中，在液体中浸渍一分钟后将基片拉出，这样就完成了一次拉膜。

（4）退火：将基片陈化12~48h后取出，放入马弗炉中退火；其中，所述马弗炉退火模式如下：1o~5o C/min持续升温，温度升到100o~500o C后恒温3~10h，然后随炉冷却；优选地，将基片陈化48h后取出，放入马弗炉中退火；其中，所述马弗炉退火模式如下：1oC/min持续升温，温度升到500o C后恒温6小时，然后随炉冷却；即得表面覆有二氧化钛（TiO₂）介孔薄膜的基片。

（5）染料敏化太阳能电池的制备：将表面覆有二氧化钛介孔薄膜的基片在500℃烧结后降温至100℃，浸入配制好的叶绿素、酞花青类、腐殖酸等染料中5~20h以使基片吸附足够的燃料，优选为15h，在浸泡过程中使用保鲜袋封住烧杯口，以防止污染；然后用镊子将浸在染料中的基片取出；由于多余染料不但无助于对太阳光的吸收，反而会导致已分离的电荷无法良好的传输并收集起来，因此，必须再用无水乙醇多次冲洗基片表面去除二氧化钛介孔薄膜表面多余的染料，直至最后的洗脱液变为无色；将基片吹干后作为光阳极与对电极组装成三明治式电池，将两电极导电面相对组装起来，延伸电极的侧边使其交错开，以微量滴管沿两电极间缝隙加入少许制备好的电解液，电解液因毛细作用而扩散至两电极间，将覆有二氧化钛薄膜的电极朝上对着光源即可进行电学性能测试。

下面结合实验附图来说明本发明的有益效果：

参见图1，从图1中可以看出本发明TiO₂薄膜形成的介孔状态，这些结构能提高了TiO₂薄膜的表比面积，在制作DSSC的过程中有利于染料的吸附，保证染料分子能够渗入到电极的深层，从而使薄膜电极吸附更多的染料；同时在光电转换过程中电解质溶液能通过微孔与染料分子交换电子保证光电循环的持续进行，能够提高光电转换效率。

参见图2，导电玻璃上TiO₂介孔薄膜中元素含量从高到低依次为O、Si、Ti，而O和Si元素的高含量主要是因为形成的TiO₂较薄，O和Si是构成导电玻璃的主要元素成分。

参见图3，导电玻璃上积的TiO₂介孔薄膜经过500^oC处理后，TiO₂的晶型为锐钛矿相。

参见图4，从图中可以看出，有无TiO₂介孔薄膜的导玻璃对光的反射率并没有非常明显的区别，所以TiO₂薄膜对光的透过率没有影响。由于TiO₂薄膜并未对光的透过率尤其是可见光的透过率产生影响，所以在太阳能电池中，太阳光可以不受阻挡的进入到染料表面，保证光电转换效率不受影响。

参见图5， TiO₂介孔薄膜制备的太阳能电池辐照面积为4cm²，该电池的J短路为34.2mA·cm^-2, U开路为0.6V，填充因子FF(填充因子：电池具有最大输出功率时的电流密度和光电压的乘积与短路光电流密度和开路电压乘积的比值)为0.703，光电转换效率(光电转换效率：电池的最大输出功率Po与输入光功率Pin的比值称为光电转换效率)为11.20％。

综上所述，本发明获得的介孔二氧化钛薄膜具有均匀有序的孔道、高比表面积及相对良好的热稳定性，能够大大提高染料敏化剂分子的吸附率，并避免敏化剂分子的团聚，使得敏化剂分子表现出良好的光活性，用覆有该薄膜的基片作为染料敏化太阳能电池光阳极时，能提高光阳极对太阳光的吸收，提高电子的传输速率以及光电转换效率，从而改善电池的性能。

附图说明

图1 为本发明TiO₂介孔薄膜扫描电镜图像；

图2为本发明TiO₂介孔薄膜中各种元素含量分析图；

图3为本发明TiO₂介孔薄膜的X射线分析图谱；

图4 为本发明TiO₂介孔薄膜的反射率测试图；

图5 为本发明TiO₂薄膜制备的染料敏化太阳能电池电流-电压曲线。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。

实施例1：

（1）溶液配制：将5mL钛酸丁酯加入到由3mL盐酸和30mL无水乙醇组成的混合液中，再加入1g P123；

（2）溶液处理：将步骤（1）中配好的溶液经磁力搅拌5min，制成钛溶胶，放入冰箱陈化；

（3）拉膜：将钛溶胶陈化2h后取出，将基片以5cm/min匀速在钛溶胶中进行拉膜，拉膜1—10次后将导电玻璃放入冰箱陈化，其中，所述基片为导电玻璃；其中，每次拉膜的时间间隔为10min；

（4）退火：将基片陈化12h后取出，放入马弗炉中退火；其中，所述马弗炉退火模式如下：3o C/min持续升温，温度升到100o C后恒温3h，然后随炉冷却，即得表面覆有二氧化钛（TiO₂）介孔薄膜的基片；

（5）染料敏化太阳能电池的制备：将表面覆有二氧化钛介孔薄膜的基片在500℃烧结后降温至100℃，浸入配制好的叶绿素、酞花青类或腐殖酸染料中5h，取出基片，用无水乙醇冲洗基片表面至洗脱液为无色，将基片吹干后作为光阳极与对电极组装成三明治式电池。

实施例2

（1）溶液配制：将10mL钛酸丁酯加入到由6mL盐酸和80mL无水乙醇组成的混合液中，再加入5g P123；

（2）溶液处理：将步骤（1）中配好的溶液经磁力搅拌20min，制成钛溶胶，放入冰箱陈化；

（3）拉膜：将钛溶胶陈化8h后取出，将基片以20cm/min匀速在钛溶胶中进行拉膜，拉膜1—10次后将导电玻璃放入冰箱陈化，其中，所述基片为导电玻璃；其中，每次拉膜的时间间隔为10min；

（4）退火：将基片陈化30h后取出，放入马弗炉中退火；其中，所述马弗炉退火模式如下： 5o C/min持续升温，温度升到300o C后恒温10h，然后随炉冷却，即得表面覆有二氧化钛（TiO₂）介孔薄膜的基片；

（5）染料敏化太阳能电池的制备：将表面覆有二氧化钛介孔薄膜的基片在500℃烧结后降温至100℃，浸入配制好的叶绿素、酞花青类或腐殖酸染料中20h，取出基片，用无水乙醇冲洗基片表面至洗脱液为无色，将基片吹干后作为光阳极与对电极组装成三明治式电池。

实施例3

（1）溶液配制：将8.6mL钛酸丁酯（TEOT）加入到由5.4mL盐酸和50.6mL无水乙醇组成的混合溶液中，再加入2g P123。

（2）溶液处理：将步骤（1）中配好的溶液经磁力搅拌10min，制成钛溶胶，放入冰箱陈化；

（3）拉膜：将钛溶胶陈化6h后取出，将基片以12cm/min匀速在钛溶胶中进行拉膜，拉膜6次后将基片放入冰箱陈化；其中，每次拉膜的时间间隔为10min；

（4）退火：将基片陈化48h后取出，放入马弗炉中退火；其中，所述马弗炉退火模式如下：1oC/min持续升温，温度升到500o C后恒温6小时，然后随炉冷却；即得表面覆有二氧化钛（TiO₂）介孔薄膜的基片。

（5）染料敏化太阳能电池的制备：将表面覆有二氧化钛介孔薄膜的基片在500℃烧结后降温至100℃，浸入配制好的叶绿素、酞花青类或腐殖酸染料中15h，取出基片，用无水乙醇冲洗基片表面至洗脱液为无色，将基片吹干后作为光阳极与对电极组装成三明治式电池。

Claims

1.一种制备染料敏化太阳能电池光阳极的方法，包括如下步骤：

（1）溶液配制：将5~10mL钛酸丁酯加入到由3~6mL盐酸和30~80mL无水乙醇组成的混合液中，再加入1~5g P123；

（2）溶液处理：将步骤（1）中配好的溶液经磁力搅拌5~20min，制成钛溶胶，放入冰箱陈化；

（3）拉膜：将钛溶胶陈化2~8h后取出，将基片以5~20cm/min匀速在钛溶胶中进行拉膜，拉膜1—10次后将导电玻璃放入冰箱陈化，其中，所述基片为导电玻璃；

（4）退火：将基片陈化12~48h后取出，放入马弗炉中退火；其中，所述马弗炉退火模式如下：1o~5o C/min持续升温，温度升到100o~500o C后恒温3~10h，然后随炉冷却，即得表面覆有二氧化钛介孔薄膜的基片；

（5）染料敏化太阳能电池的制备：将表面覆有二氧化钛介孔薄膜的基片在500℃烧结后降温至100℃，浸入配制好的叶绿素、酞花青类或腐殖酸染料中5~20h，取出基片，用无水乙醇冲洗基片表面至洗脱液为无色，将基片吹干后作为光阳极与对电极组装成三明治式电池。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤（1）所述的溶液配制是将8.6mL钛酸丁酯加入到由5.4mL盐酸和50.6mL无水乙醇组成的混合溶液中，再加入2g P123。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤（2）所述的磁力搅拌时间为10min。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤（3）所述的拉膜是将钛溶胶陈化6h后取出，将基片以12cm/min匀速在钛溶胶中进行拉膜，拉膜6次后将基片放入冰箱陈化，其中，所述基片为导电玻璃。

5.如权利要求1或4所述的方法，其特征在于，每次拉膜的时间间隔为10min。

6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤（4）所述的退火是将基片陈化48h后取出，放入马弗炉中退火；其中，所述马弗炉退火模式如下：1oC/min持续升温，温度升到500o C后恒温6小时，然后随炉冷却。

7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤（5）中所述的染料浸泡时间为15h。