CN103560011B - 一种基于Er,Yb-FTO粉体的上转换染料敏化太阳能电池对电极的制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种基于Er,Yb-FTO粉体的上转换染料敏化太阳能电池对电极的制备方法，它涉及一种太阳能电池对电极的制备方法。本发明是要解决现有技术制备的染料敏化太阳能电池不能吸收利用红外光区能量，影响光阳极材料电传输性质，成本高的问题。本发明的制备方法如下：一、制备Er(NO3)3和Yb(NO3)3；二、将SnCl2·2H2O、Er(NO3)3和Yb(NO3)3溶解，调节pH值，得混合物A；三、离心，取沉淀，向沉淀中滴入HF水溶液，得混合物B；四、加热、洗涤、烘干、煅烧，得上转换FTO粉体；五、将乙基纤维素、松节油透醇和上转换FTO粉体、混匀，丝网印刷后煅烧，即得。本发明用于电子传输领域。
Description
技术领域
本发明涉及一种太阳能电池对电极的制备方法。
背景技术
常规染料敏化太阳能电池只能吸收紫外光区和可见光区的太阳光能量，而无法吸收利用占太阳光谱能量43%的红外光，因此限制了染料敏化太阳能电池的效率。
上转换材料能够吸收较低能量的光如红外光，释放出可见光，因此将上转换材料应用在染料敏化太阳能电池上能够使得电池的吸收光谱拓展到红外光区，从而提高其光电转换效率。然而目前利用上转换材料的染料敏化太阳能电池多是在光阳极内部混合上转换粉体或者在对电极外部涂覆一层上转换粉体与散射层粉体。其对于红外光入射光的吸收率很低，且会影响光阳极材料的电传输性质，因此上转换材料对电池性能提高幅度受到较大限制。与此同时，染料敏化太阳能电池中对电极应用贵金属材料Pt，因而成本难以进一步降低。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有技术制备的染料敏化太阳能电池不能吸收利用红外光区能量，影响光阳极材料的电传输性质，而且成本高的问题，而提供了一种基于Er,Yb-FTO粉体的上转换染料敏化太阳能电池对电极的制备方法。
本发明的一种基于Er,Yb-FTO粉体的上转换染料敏化太阳能电池对电极的制备方法是按以下步骤进行：
步骤一：取Er2O3和Yb2O3分别与酸液在60-80℃温度下加热溶解0.5-2h，然后在90-110℃烘干6-24h，得Er(NO3)3和Yb(NO3)3，待用；其中，酸液的质量百分含量为60%-63%，Er2O3与酸液的质量体积比为1g：（19mL-197mL），Yb2O3与酸液的质量体积比为1g：（2mL-21mL）；
步骤二：室温下将SnCl2·2H2O、步骤一所得的Er(NO3)3和Yb(NO3)3溶解在去离子水中，然后以10-30滴/分钟的速度滴入碱性矿化溶液，调节pH值至7，得混合物A；其中，混合物A中Sn2+的质量百分含量为45-89%，Er3+的质量百分含量为1-5%、Yb3+的质量百分含量为10-50%；碱性矿化溶液的质量百分含量为35-37%；
步骤三：将步骤二得到的混合物A在8000-12000转/min的条件下离心5-10min，取沉淀，并用水和无水乙醇依次洗涤沉淀3次，然后向洗涤后的沉淀中加入HF水溶液，得混合物B；其中，HF水溶液的质量百分含量为0.5-1%，F-与Sn2+的摩尔浓度比为1:2-10；
步骤四：将步骤三所得的混合物B转移到水热反应釜中加热到195-205℃，保温23-25h，然后在8000-12000转/min的条件下离心5-10min，取沉淀，并用水和无水乙醇依次洗涤沉淀，在90-110℃烘干6-12h后，放入马弗炉中，在400-450℃温度下煅烧15-60min，自然冷却至室温，得上转换FTO粉体；
步骤五：将乙基纤维素、松节油透醇和步骤四所得的上转换FTO粉体混合搅拌，配制成浆料，使用250目丝网，对浆料进行丝网印刷，以1℃/min的速率升温至445-455℃，保温10-20min后，即得基于Er,Yb-FTO粉体的上转换染料敏化太阳能电池对电极；其中，上转换FTO粉体、乙基纤维素与松节油透醇的质量比为1：（0.2-0.3）：（4.0-5.0）。
本发明包含以下有益效果：
本发明制备了一种新型、廉价的上转换导电对电极，制备方法简单。使用常用的较廉价的FTO粉体作为一种导电粉材料，与Pt作为对电极的电池相比，上转换FTO作为对电极的电池的表面光电压光谱在近红外区有光响应信号，短路电流提高了19%，开路电压保持为Pt制备的电池的98%，并且光电转化效率比基于Pt作为对电极的染料敏化太阳能电池提高24%，而且成本低，仅为Pt对电极成本的1/20。
附图说明
图1为实施例1中制备的Er,Yb-FTO粉体的透射电子显微镜图；
图2为实施例1中制备的Er,Yb-FTO粉体在的上转换荧光光谱图；
图3为实施例1中制备的Er,Yb-FTO粉体和Pt作为对电极的染料敏化太阳能电池的表面光电压光谱；其中，1为Er,Yb-FTO粉体作为对电极的染料敏化太阳能电池的表面光电压曲线图，2为Pt为对电极的染料敏化太阳能电池的表面光电压曲线图；
图4为实施例1中制备的Er,Yb-FTO粉体和Pt作为对电极的染料敏化太阳能电池的J-V曲线图；其中，1为Er,Yb-FTO粉体作为对电极的染料敏化太阳能电池的J-V曲线图，2为Pt为对电极的染料敏化太阳能电池的J-V曲线图。
具体实施方式
具体实施方式一：本实施方式的一种基于Er,Yb-FTO粉体的上转换染料敏化太阳能电池对电极的制备方法是按以下步骤进行：
步骤一：取Er2O3和Yb2O3分别与酸液在60-80℃温度下加热溶解0.5-2h，然后在90-110℃烘干6-24h，得Er(NO3)3和Yb(NO3)3，待用；其中，酸液的质量百分含量为60%-63%，Er2O3与酸液的质量体积比为1g：（19mL-197mL），Yb2O3与酸液的质量体积比为1g：（2mL-21mL）；
步骤二：室温下将SnCl2·2H2O、步骤一所得的Er(NO3)3和Yb(NO3)3溶解在去离子水中，然后以10-30滴/分钟的速度滴入碱性矿化溶液，调节pH值至7，得混合物A；其中，混合物A中Sn2+的质量百分含量为45-89%，Er3+的质量百分含量为1-5%、Yb3+的质量百分含量为10-50%；碱性矿化溶液的质量百分含量为35-37%；
步骤三：将步骤二得到的混合物A在8000-12000转/min的条件下离心5-10min，取沉淀，并用水和无水乙醇依次洗涤沉淀3次，然后向洗涤后的沉淀中加入HF水溶液，得混合物B；其中，HF水溶液的质量百分含量为0.5-1%，F-与Sn2+的摩尔浓度比为1:2-10；
步骤四：将步骤三所得的混合物B转移到水热反应釜中加热到195-205℃，保温23-25h，然后在8000-12000转/min的条件下离心5-10min，取沉淀，并用水和无水乙醇依次洗涤沉淀，在90-110℃烘干6-12h后，放入马弗炉中，在400-450℃温度下煅烧15-60min，自然冷却至室温，得上转换FTO粉体；
步骤五：将乙基纤维素、松节油透醇和步骤四所得的上转换FTO粉体混合搅拌，配制成浆料，使用250目丝网，对浆料进行丝网印刷，以1℃/min的速率升温至445-455℃，保温10-20min后，即得基于Er,Yb-FTO粉体的上转换染料敏化太阳能电池对电极；其中，上转换FTO粉体、乙基纤维素与松节油透醇的质量比为1：（0.2-0.3）：（4.0-5.0）。
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：步骤一中所述的Er2O3与酸液的质量体积比为1g：39.34mL，Yb2O3与酸液的质量体积比为1g：4.24mL。其它与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二不同的是：步骤一中所述的酸液的质量百分含量为62%，酸液为硝酸溶液。其它与具体实施方式一或二相同。
具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是：步骤一中所述的加热温度为80℃，加热时间为1h，烘干温度为100℃，烘干时间为12h。其它与具体实施方式一至三之一相同。
具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同的是：步骤二中所述的混合物A中Sn2+的质量百分含量为80%，Er3+的质量百分含量为2%、Yb3+的质量百分含量为18%,。其它与具体实施方式一至四之一相同。
具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一至五之一不同的是：步骤二中所述的碱性矿化溶液的质量百分含量为36%，碱性矿化溶液为氨水溶液。其它与具体实施方式一至五之一相同。
具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式一至六之一不同的是：步骤二中所述的滴入碱性矿化溶液的速度为20滴/分钟。其它与具体实施方式一至六之一相同。
具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式一至七之一不同的是：步骤三中所述的将离心转速为10000转/min，离心时间为10min。其它与具体实施方式一至七之一相同。
具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式一至八之一不同的是：步骤三中所述的HF水溶液的质量百分含量为1%，F-与Sn2+的摩尔浓度比为2.3：1。其它与具体实施方式一至八之一相同。
具体实施方式十：本实施方式与具体实施方式一至九之一不同的是：步骤四中所述的水热反应釜中加热到200℃，保温24h。其它与具体实施方式一至九之一相同。
具体实施方式十一：本实施方式与具体实施方式一至十之一不同的是：步骤四中所述的离心转速为10000转/min，时间为5min，烘干温度为100℃，烘干时间为12h。其它与具体实施方式一至十之一相同。
具体实施方式十二：本实施方式与具体实施方式一至十一之一不同的是：步骤四中所述的马弗炉中煅烧温度为450℃，时间为30min。其它与具体实施方式一至十一之一相同。
具体实施方式十三：本实施方式与具体实施方式一至十二之一不同的是：步骤五中所述的上转换FTO粉体、乙基纤维素与松节油透醇的质量比为1：0.26：4.68。其它与具体实施方式一至十二之一相同。
具体实施方式十四：本实施方式与具体实施方式一至十三之一不同的是：步骤五中所述的升温至450℃，保温时间为15min。其它与具体实施方式一至十三之一相同。
实施例1
本实施例的一种基于Er,Yb-FTO粉体的上转换染料敏化太阳能电池对电极的制备方法是按以下步骤进行：
步骤一：将0.2542gEr2O3和2.3575gYb2O3分别与10mL硝酸溶液混合，在80℃加热溶解1h，然后在100℃烘干12h，得新制Er(NO3)3和Yb(NO3)3，待用；其中，硝酸溶液的质量百分含量为62%；
步骤二：室温下将15gSnCl2·2H2O、步骤一所得的新制的Er(NO3)3和Yb(NO3)3溶解在50mL去离子水中，然后以20滴/分钟的速度滴入质量百分含量为36%的氨水溶液，调节pH值至7，得混合物A；其中，混合合物A中Sn2+的质量百分含量为80%，Er3+的质量百分含量为2%、Yb3+的质量百分含量为18%；
步骤三：将步骤二得到的混合物A在10000转/min的条件下离心10min，取沉淀，并用水和无水乙醇分别洗涤沉淀3次，然后向洗涤后的沉淀中滴入HF水溶液，得混合物B；其中，HF水溶液的质量百分含量为1%，F-与Sn2+的摩尔浓度比为2.3：1；
步骤四：将步骤三所得的混合物B转移到水热反应釜中加热到200℃，保温24h，然后在10000转/min的条件下离心5min，取沉淀，并用水和无水乙醇洗涤沉淀，100℃烘干12h后，放入马弗炉中，450℃煅烧30min，自然冷却至室温，得上转换FTO粉体；
步骤五：将步骤四所得的上转换FTO粉体、乙基纤维素和松节油透醇混合搅拌，配制成浆料，使用250目丝网，对浆料进行丝网印刷，以1℃/min的速率升温至450℃后，保温15min，即得一种基于Er,Yb-FTO粉体的上转换染料敏化太阳能电池对电极；其中，上转换FTO粉体、乙基纤维素与松节油透醇的质量比为1：0.26：4.68。
本实施例得到的Er,Yb-FTO粉体为单分散的小颗粒，平均粒径约为7-8nm（如图1所示）；本实施例得到的Er,Yb-FTO粉体，在408、455、488、522、545和660nm处上转换发光，分别对应于Er3+离子的2H9/2→4I15/2，F5/2→4I15/2，4F7/2→4I15/2，2H11/2→4I15/2,4S3/2→4I15/2和4F9/2→4I15/2能级跃迁，整体呈现红光，（如图2所示）。
本实施例得到的上转换FTO作为对电极的染料敏化太阳能电池的SPS信号与Pt作为对电极的染料敏化太阳能电池相比，在紫外光区两种电池光电响应曲线相差不大，在可见光区上转换FTO制备的电池明显占优，且在近红外区有光响应信号（如图3所示）；本实施例制备的上转换FTO作为对电极的染料敏化太阳能电池的短路光电流为18.44mA/cm2，开路光电压为0.744V，光电转化效率为7.30%，而基于Pt作为对电极的染料敏化太阳能电池的短路电流仅为14.88mA/cm2，开路光电压为0.760V，光电转化效率为6.69%；本实施例制备的上转换FTO作为对电极的电池短路电流提高了19%，开路电压保持为Pt制备的电池的98%，并且光电转化效率比基于Pt作为对电极的染料敏化太阳能电池提高24%（如图4所示）。
Claims (9)
1.一种基于Er,Yb-FTO粉体的上转换染料敏化太阳能电池对电极的制备方法，其特征在于它是按以下步骤进行：
步骤一：取Er2O3和Yb2O3分别与酸液在60-80℃温度下加热溶解0.5-2h，然后在90-110℃烘干6-24h，得Er(NO3)3和Yb(NO3)3，待用；其中，Er2O3与酸液的质量体积比为1g：(19mL-197mL)，Yb2O3与酸液的质量体积比为1g：(2mL-21mL)；
步骤一中所述的酸液的质量百分含量为62％，酸液为硝酸溶液；
步骤二：室温下将SnCl2·2H2O、步骤一所得的Er(NO3)3和Yb(NO3)3溶解在去离子水中，然后以10-30滴/分钟的速度滴入碱性矿化溶液，调节pH值至7，得混合物A；其中，混合物A中Sn2+的质量百分含量为45-89％，Er3+的质量百分含量为1-5％、Yb3+的质量百分含量为10-50％；碱性矿化溶液的质量百分含量为35-37％；
步骤三：将步骤二得到的混合物A在8000-12000转/min的条件下离心5-10min，取沉淀，并用水和无水乙醇依次洗涤沉淀3次，然后向洗涤后的沉淀中加入HF水溶液，得混合物B；其中，HF水溶液的质量百分含量为0.5-1％，F-与Sn2+的摩尔浓度比为1:2-10；
步骤四：将步骤三所得的混合物B转移到水热反应釜中加热到195-205℃，保温23-25h，然后在8000-12000转/min的条件下离心5-10min，取沉淀，并用水和无水乙醇依次洗涤沉淀，在90-110℃烘干6-12h后，放入马弗炉中，在400-450℃温度下煅烧15-60min，自然冷却至室温，得上转换FTO粉体；
步骤五：将乙基纤维素、松节油透醇和步骤四所得的上转换FTO粉体混合搅拌，配制成浆料，使用250目丝网，对浆料进行丝网印刷，以1℃/min的速率升温至445-455℃，保温10-20min后，即得基于Er,Yb-FTO粉体的上转换染料敏化太阳能电池对电极；其中，上转换FTO粉体、乙基纤维素与松节油透醇的质量比为1：(0.2-0.3)：(4.0-5.0)。
2.根据权利要求1所述的一种基于Er,Yb-FTO粉体的上转换染料敏化太阳能电池对电极的制备方法，其特征在于步骤一中所述的Er2O3与酸液的质量体积比为1g：39.34mL，Yb2O3与酸液的质量体积比为1g：4.24mL。
3.根据权利要求1所述的一种基于Er,Yb-FTO粉体的上转换染料敏化太阳能电池对电极的制备方法，其特征在于步骤一中所述的加热温度为80℃，加热时间为1h，烘干温度为100℃，烘干时间为12h。
4.根据权利要求1所述的一种基于Er,Yb-FTO粉体的上转换染料敏化太阳能电池对电极的制备方法，其特征在于步骤二中所述的混合物A中Sn2+的质量百分含量为80％，Er3+的质量百分含量为2％、Yb3+的质量百分含量为18％。
5.根据权利要求1所述的一种基于Er,Yb-FTO粉体的上转换染料敏化太阳能电池对电极的制备方法，其特征在于步骤二中所述的碱性矿化溶液的质量百分含量为36％，碱性矿化溶液为氨水溶液。
6.根据权利要求1所述的一种基于Er,Yb-FTO粉体的上转换染料敏化太阳能电池对电极的制备方法，其特征在于步骤三中所述的HF水溶液的质量百分含量为1％，F-与Sn2+的摩尔浓度比为2.3：1。
7.根据权利要求1所述的一种基于Er,Yb-FTO粉体的上转换染料敏化太阳能电池对电极的制备方法，其特征在于步骤四中所述的马弗炉中煅烧温度为450℃，时间为30min。
8.根据权利要求1所述的一种基于Er,Yb-FTO粉体的上转换染料敏化太阳能电池对电极的制备方法，其特征在于步骤四中所述的水热反应釜中加热到200℃，保温24h。
9.根据权利要求1所述的一种基于Er,Yb-FTO粉体的上转换染料敏化太阳能电池对电极的制备方法，其特征在于步骤五中所述的上转换FTO粉体、乙基纤维素与松节油透醇的质量比为1：0.26：4.68。
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| C06 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20160316 Termination date: 20161113 |
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