CN103440993B - 一种提升染料敏化太阳能电池效率的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种提升染料敏化太阳能电池效率的方法，包括以下步骤：步骤1、制备水热前驱体；步骤2、制备掺杂石墨烯的TiO2粉体；步骤3、制备染料敏化太阳能电池。本发明通过石墨烯片的加入优化了光阳极膜层三维网络，提高光生载流子传输速度，有利于电子导出，减小电子传输损失。
Description
技术领域
本发明涉及一种太阳能电池制备方法，尤其是涉及一种染料敏化太阳能电池新型光阳极薄膜的制备方法。
背景技术
1991年瑞士洛桑高等工业学院Greatzel教授领导的研究小组，把纳米多孔TiO2应用于染料敏化太阳能电池取得了突破性进展。由于染料敏化太阳能电池潜在的应用前景，众多商业公司和研究机构投入大量的力量，并加大了大面积电池的研究。在染料敏化太阳能电池各组成部分中，纳米二氧化钛薄膜是电池的骨架部分：它不仅是光电转换活性物质-染料的支撑和吸附载体，同时也是电子的传输载体。纳米TiO2薄膜的孔隙率、孔径、厚度、晶型等参数，直接影响染料敏化太阳能电池中染料的吸附量，电子从染料激发态到导电玻璃的传输以及电解质中氧化-还原电对的有效传输。因此，光阳极作为染料敏化太阳能电池的重要组成部分一直是研发广泛关注的重点。
对于染料敏化太阳能电池光阳极的研究多集中在尝试新型半导体材料、光阳极浆料添加剂的优选以及制备工艺的优化等方面，目的在于提高半导体材料对太阳光的利用率以及减少注入半导体中电子与电解质的复合。光阳极掺杂方向研究较多的是碳纳米管的掺杂，通过碳纳米管与二氧化钛结合调整三维网络结构从而提高电子传输效率，然而，由于碳纳米管在合成和提纯工艺过程中的产率低，导致其价格昂贵。因此，将碳纳米管引入染料敏化太阳能电池将导致电池成本增加，与染料敏化太阳能电池成本低的突出优点相悖。
发明内容
本发明设计了一种提升染料敏化太阳能电池效率的方法，其解决的技术问题是现有光阳极掺杂技术中存在的光电效率较低、工艺复杂、成本昂贵等不足。
为了解决上述存在的技术问题，本发明采用了以下方案：
一种提升染料敏化太阳能电池效率的方法，包括以下步骤：步骤1、制备水热前驱体；步骤2、制备掺杂石墨烯的TiO2粉体；步骤3、制备染料敏化太阳能电池。
进一步，步骤1中包括以下分步骤：步骤1.1、将钛盐配制成0.05—0.5mol/L钛盐的水溶液；步骤1.2、配制0.1—3mol/L聚丙烯酸水溶液；步骤1.3、钛盐水溶液与聚丙烯酸溶液摩尔比为1:5—2:1，将聚丙烯酸溶液逐滴加入钛盐溶液中，并加以搅拌1—3h至分散均匀；步骤1.4、向混合液中滴加氨水，聚丙烯酸溶液与氨水摩尔比为1：5—2：1，并加以搅拌，搅拌时间为2—5h，得到水热反应前驱体。
进一步，步骤2中包括以下分步骤：步骤2.1、按石墨烯与钛盐摩尔比1：200—1：20加入步骤1中得到的水热反应前驱体中，搅拌30min；
步骤2.2、将上述混合液转移至聚四氟乙烯内衬的水热反应釜内，填充度60%—80%，180℃—230℃水热反应12—36h；步骤2.3、将反应产物用去离子水离心洗涤5次后用无水乙醇交换3次；步骤2.4、离心产物在60℃干燥箱中干燥24h以上，得到掺杂石墨烯的二氧化钛粉体。
进一步，步骤3中包括以下分步骤：步骤3.1、按步骤2所得掺杂石墨烯的二氧化钛粉体：松油醇：乙基纤维素=2：7：1的质量比配制TiO2浆料，涂覆TiO2膜层，干燥并于烧结制得石墨烯掺杂的TiO2光阳极；步骤3.2、采用氯铂酸热解法制得对电极；步骤3.3、采用热封机进行电池封装；步骤3.4、注入液态电解质并封孔，进行光电性能检测。
进一步，步骤3.1中的烧结温度为500℃。
进一步，步骤3.3中的工艺参数为：压力0.3MPa、温度120℃、时间60s。
一种使用上述方法得到的染料敏化太阳能电池。
该提升染料敏化太阳能电池效率的方法具有以下有益效果：
（1）本发明通过石墨烯片的加入优化了光阳极膜层三维网络，提高光生载流子传输速度，有利于电子导出，减小电子传输损失。
（2）本发明通过石墨烯的掺杂能拓宽光阳极对可见光的响应，吸收可见光，产生光电子，提高染料敏化太阳能电池的光电转换效率。
（3）本发明中使用的制备工艺简单，石墨烯片的掺杂与二氧化钛的水热反应同步进行，在未增加工艺和制造成本的基础上提升了染料敏化太阳能电池的光电转换效率。
附图说明
图1为未掺杂石墨烯片光阳极组装电池I-V曲线；
图2为掺杂石墨烯片光阳极组装电池I-V曲线。
具体实施方式
下面结合实施例，对本发明做进一步说明：
实施例一：
1、水热前驱体制备；
1.1、将钛盐配制成0.05mol/L钛盐的水溶液；
1.2、配制0.1mol/L聚丙烯酸水溶液；
1.3、钛盐水溶液与聚丙烯酸溶液摩尔比为1:5，将聚丙烯酸溶液逐滴加入钛盐溶液中，并加以搅拌1h至分散均匀；
1.4、向混合液中滴加氨水，聚丙烯酸溶液与氨水摩尔比为1：5，并加以搅拌，搅拌时间3h至均匀，得到水热反应前驱体。
2、制备掺杂石墨烯的TiO2粉体；
2.1、按石墨烯与钛盐摩尔比1：200加入上述水热反应前驱体中，搅拌30min；
2.2、将上述混合液转移至聚四氟乙烯内衬的水热反应釜内，填充度60%，180℃水热反应24h；
2.3、将反应产物用去离子水离心洗涤5次后用无水乙醇交换3次；
2.4、离心产物在60℃干燥箱中干燥24h，得到掺杂石墨烯的二氧化钛粉体。
3、电池制备；
3.1、按混合粉体：松油醇：乙基纤维素=2：7：1的质量比配制TiO2浆料，涂覆TiO2膜层，干燥并于500℃烧结制得石墨烯掺杂的TiO2光阳极；
3.2、采用氯铂酸热解法制得对电极；
3.3、采用热封机进行电池封装，工艺参数为：压力0.3MPa、温度120℃、时间60s；
3.4、注入液态电解质并封孔，进行光电性能检测。
实施例二：
1、水热前驱体制备；
1.1、将钛盐配制成0.3mol/L钛盐的水溶液；
1.2、配制2mol/L聚丙烯酸水溶液；
1.3、钛盐水溶液与聚丙烯酸溶液摩尔比为1:1，将聚丙烯酸溶液逐滴加入钛盐溶液中，并搅拌3h至分散均匀；
1.4、向混合液中滴加氨水，聚丙烯酸溶液与氨水摩尔比为2：1，并搅拌5h至均匀，得到水热反应前驱体。
2、制备掺杂石墨烯的TiO2粉体；
2.1、按石墨烯与钛盐摩尔比1：50加入上述水热反应前驱体中，搅拌30min；
2.2、将上述混合液转移至聚四氟乙烯内衬的水热反应釜内，填充度65%，230℃水热反应18h；
2.3、将反应产物用去离子水离心洗涤5次后用无水乙醇交换3次；
2.4、离心产物在60℃干燥箱中干燥24h，得到掺杂石墨烯的二氧化钛粉体。
3、电池制备；
3.1、按混合粉体：松油醇：乙基纤维素=2：7：1的质量比配制TiO2浆料，涂覆TiO2膜层，干燥并于500℃烧结制得石墨烯掺杂的TiO2光阳极；
3.2、采用氯铂酸热解法制得对电极；
3.3、采用热封机进行电池封装，工艺参数为：压力0.3MPa、温度120℃、时间60s；
3.4、注入液态电解质并封孔，进行光电性能检测。
实施例三：
1、水热前驱体制备；
1.1、将钛盐配制成0.5mol/L钛盐的水溶液；
1.2、配制3mol/L聚丙烯酸水溶液；
1.3、钛盐水溶液与聚丙烯酸溶液摩尔比为2:1，将聚丙烯酸溶液逐滴加入钛盐溶液中，并加以搅拌2h至分散均匀；
1.4、向混合液中滴加氨水，聚丙烯酸溶液与氨水摩尔比为1：1，并加以搅拌，搅拌时间2—5h至均匀，得到水热反应前驱体。
2、制备掺杂石墨烯的TiO2粉体
2.1、按石墨烯与钛盐摩尔比1：20加入上述水热反应前驱体中，并搅拌30min；
2.2、将上述混合液转移至聚四氟乙烯内衬的水热反应釜内，填充度80%，200℃水热反应36h；
2.3、将反应产物用去离子水离心洗涤5次后用无水乙醇交换3次；
离心产物在60℃干燥箱中干燥24h，得到掺杂石墨烯的二氧化钛粉体。
3、电池制备
3.1、按混合粉体：松油醇：乙基纤维素=2：7：1的质量比配制TiO2浆料，涂覆TiO2膜层，干燥并于500℃烧结制得石墨烯掺杂的TiO2光阳极；
3.2、采用氯铂酸在450℃热解法制得对电极；
3.3、采用热封机进行电池封装，工艺参数为：压力0.3MPa、温度120℃、时间60s；
3.4、注入液态电解质并封孔，进行光电性能检测。
本发明的原理在于：石墨烯片是由结合成六边形结构的碳原子的平面阵列形成，其中一个有益特性是电子在石墨烯片中以完全不受阻碍的方式流动，也就是说，电子以光在真空中的速度流动。基于以上石墨烯的独特性能，将其通过掺杂的方式引入光阳极导电网络中，通过一定手段实现两者的连接和结合，从而增加光阳极结构网络完整性，大大提升光生电子的传输速率，从而有效提高染料敏化太阳能电池的光电转换效率。
图1与图2比较后，可以发现本发明中生产的掺杂石墨烯片光阳极组装电池在短路电流密度Jsc和光电转换效率均有提升，最终衡量标准一般看光电转换效率。
上面结合附图和实施例对本发明进行了示例性的描述，显然本发明的实现并不受上述方式的限制，只要采用了本发明的方法构思和技术方案进行的各种改进，或未经改进将本发明的构思和技术方案直接应用于其它场合的，均在本发明的保护范围内。
Claims (4)
1.一种提升染料敏化太阳能电池效率的方法，包括以下步骤：步骤1、制备水热前驱体；步骤2、制备掺杂石墨烯的TiO2粉体；步骤3、制备染料敏化太阳能电池；步骤1中包括以下分步骤：步骤1.1、将钛盐配制成0.05—0.5mol/L钛盐的水溶液；步骤1.2、配制0.1—3mol/L聚丙烯酸水溶液；步骤1.3、钛盐水溶液与聚丙烯酸溶液摩尔比为1:5—2:1，将聚丙烯酸溶液逐滴加入钛盐溶液中，并加以搅拌1—3h至分散均匀；步骤1.4、向混合液中滴加氨水，聚丙烯酸溶液与氨水摩尔比为1：5—2：1，并加以搅拌，搅拌时间为2—5h，得到水热反应前驱体；步骤2中包括以下分步骤：步骤2.1、按石墨烯与钛盐摩尔比1：200—1：20加入步骤1中得到的水热反应前驱体中，搅拌30min；
步骤2.2、将上述混合液转移至聚四氟乙烯内衬的水热反应釜内，填充度60%—80%，180℃—230℃水热反应12—36h；步骤2.3、将反应产物用去离子水离心洗涤5次后用无水乙醇交换3次；步骤2.4、离心产物在60℃干燥箱中干燥24h以上，得到掺杂石墨烯的二氧化钛粉体；步骤3中包括以下分步骤：步骤3.1、按步骤2所得掺杂石墨烯的二氧化钛粉体：松油醇：乙基纤维素=2：7：1的质量比配制TiO2浆料，涂覆TiO2膜层，干燥并于烧结制得石墨烯掺杂的TiO2光阳极；步骤3.2、采用氯铂酸热解法制得对电极；步骤3.3、采用热封机进行电池封装；步骤3.4、注入液态电解质并封孔，进行光电性能检测。
2.根据权利要求1所述提升染料敏化太阳能电池效率的方法，其特征在于：步骤3.1中的烧结温度为500℃。
3.根据权利要求1所述提升染料敏化太阳能电池效率的方法，其特征在于：步骤3.3中的工艺参数为：压力0.3MPa、温度120℃、时间60s。
4.一种使用权利要求1至3中任何一项方法得到的染料敏化太阳能电池。
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