CN103871749B - 一种染料敏化太阳能电池光阳极薄膜光散射层及其制备方法 - Google Patents

一种染料敏化太阳能电池光阳极薄膜光散射层及其制备方法 Download PDF

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Abstract

一种染料敏化太阳能电池光阳极薄膜光散射层及其制备方法。其特征在于用喷雾器将钛源溶液（钛源与溶剂的体积比为1:1～1:10）喷出雾化到预先加热到一定温度（400～550℃）的染料敏化太阳能电池光阳极薄膜上，通过热分解钛源生成二氧化钛纳米颗粒而制备光散射层。根据本发明制备的光散射层不但生产工艺简单、成本低、所需设备简单、易于实现工业化生产，而且能够显著提高光阳极薄膜对太阳光的吸收，提高染料敏化太阳能电池的光电转换效率。

Description

一种染料敏化太阳能电池光阳极薄膜光散射层及其制备方法
技术领域
本发明涉及太阳能电池开发与利用研究领域，具体涉及一种染料敏化太阳能电池光阳极薄膜光散射层及其制备方法，其特征在于用喷雾器将钛源溶液（钛源与溶剂的体积比为1:1～1:10）喷出雾化到预先加热到一定温度（400～550℃）的染料敏化太阳能电池光阳极薄膜上，通过热分解钛源生成二氧化钛纳米颗粒而制备光散射层。
背景技术
染料敏化太阳电池主要是模仿光合作用原理而研制出来的一种新型太阳能电池，与目前已经商业化的硅基太阳能电池相比，染料敏化太阳能电池具有理论转换效率高、原料丰富、材料稳定、制作工艺简单、成本低等诸多优点，在大面积工业化生产中具有较大的优势，被认为是最有发展潜力的太阳能电池之一。自1991年瑞士的M.教授在染料敏化太阳能电池研究取得突破性进展以来，美国、日本、欧洲等发达国家和地区都投入了大量的资金进行研发。目前，染料敏化太阳能电池的最高转换效率已经达到了13.1%。其中，由TiO2纳米颗粒组成光阳极薄膜既是染料附着的载体，又起着关键的分离和传输电荷的作用，是染料敏化太阳能电池的核心组成部分之一。为了增大光阳极薄膜的比表面积，提高染料的吸附量，TiO2纳米颗粒的粒径一般都比较小，约为20nm，但纳米粒子的尺寸越小，透过率就越高，反而造成了太阳光的浪费。因此，有必要在光阳极薄膜的外层制备由大粒径的TiO2纳米颗粒所组成的散射层，将透过内层光阳极薄膜的太阳光反射回来再次被吸收利用，从而有效提高光阳极薄膜的捕光效率，提高染料敏化太阳能电池的光电转换效率。
文献“大粒径TiO2反射层对染料敏化太阳能电池性能改进”（无机化学学报，2008，24：2002-2006）使用大粒径的TiO2纳米颗粒制备了散射层，提高了对光的反射率。但该散射层的制备过程复杂，首先要用有机碱四甲基氢氧化铵做胶化剂制备大粒径的TiO2纳米颗粒，其次配制TiO2纳米颗粒浆料，然后涂布浆料，最后还要经过高温热处理才能获得散射层。文献“Dual‐FunctionScatteringLayerofSubmicrometer‐SizedMesoporousTiO2BeadsforHigh-EfficiencyDye-SensitizedSolarCells”（AdvancedFunctionalMaterial，2010，20：1301-1305）报道了一种由亚微米级别的介孔结构TiO2纳米颗粒所组成的散射层，能够有效提高染料敏化太阳能电池的光电转换效率。该散射层能够在一定程度上提高光阳极薄膜的捕光效率，但制备过程仍然十分复杂，需要依次经历溶胶凝胶-水热反应-过滤提取-制浆-印刷-热处理等诸多步骤。以上及其它相关报道中，染料敏化太阳能电池光阳极薄膜散射层的制备基本要经历合成-提取-制浆-热处理的复杂步骤，因此工艺流程复杂，不利用大规模生产应用。基于本发明的染料敏化太阳能电池光阳极薄膜光散射层及其制备方法，通过在光阳极薄膜上直接热分解雾化的钛源即可完成，不但大大简化工艺流程，而且能够显著提高光阳极薄膜对太阳光的吸收，提高染料敏化太阳能电池的光电转换效率。
本发明开发了一种染料敏化太阳能电池光阳极薄膜光散射层及其制备方法，制备工艺简单、制备条件温和、成本低、所需设备简单、易于实现工业化生产。所制备的染料敏化太阳能电池光阳极薄膜光散射层能够显著提高光阳极薄膜对太阳光的吸收，提高染料敏化太阳能电池的光电转换效率。根据本发明制备的染料敏化太阳能电池光阳极薄膜光散射层，在组装染料敏化太阳能电池之后，获得了7.5%的光电转换效率，与没有制作光散射层的的染料敏化太阳能电池相比，光电转换效率提高了23%。
发明内容
本发明的目的是提供一种染料敏化太阳能电池光阳极薄膜光散射层及其制备方法。其特征是用喷雾器将钛源溶液（钛源与溶剂的体积比为1:1～1:10）喷出雾化到预先加热到一定温度（400～550℃）的染料敏化太阳能电池光阳极薄膜上，通过热分解钛源生成二氧化钛纳米颗粒而制备光散射层。根据本发明制备的染料敏化太阳能电池光阳极薄膜光散射层，在组装染料敏化太阳能电池之后，获得了7.5%的光电转换效率，与没有制作光散射层的的染料敏化太阳能电池相比，光电转换效率提高了23%。
本发明提供一种染料敏化太阳能电池光阳极薄膜光散射层及其制备方法。包括以下几个步骤：
步骤1：在喷雾器中配制钛源溶液（钛源与溶剂的体积比为1:1～1:10）；
步骤2：将染料敏化太阳能电池光阳极薄膜加热到400～550℃；
步骤3：将钛源溶液喷出雾化到预先加热的染料敏化太阳能电池光阳极薄膜上，通过热分解雾化的钛源生成二氧化钛纳米颗粒而获得光散射层。
其中钛源是乙酰丙酮钛、钛酸四丁酯、钛酸四乙酯、钛酸四丙酯、四氯化钛中的一种。
其中溶解钛源的溶剂是乙醇或丙酮。
其中钛源与溶剂的体积比为1:1～1:10，雾化热解的温度为400～550℃。
本发明的有益效果在于：提出了一种染料敏化太阳能电池光阳极薄膜光散射层及其制备方法。该光散射层通过在光阳极薄膜上直接热分解雾化的钛源即可完成，不但大大简化工艺流程，而且制备条件温和、成本低、所需设备简单、生产安全性强，易于实现工业化生产。所制备的染料敏化太阳能电池光阳极薄膜光散射层能够显著提高光阳极薄膜对太阳光的吸收，提高染料敏化太阳能电池的光电转换效率。根据本发明制备的染料敏化太阳能电池光阳极薄膜光散射层，在组装染料敏化太阳能电池之后，获得了7.5%的光电转换效率，与没有制作光散射层的的染料敏化太阳能电池相比，光电转换效率提高了23%。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1是包含根据本发明制备的光散射层的染料敏化太阳能电池光阳极薄膜结构示意图。从图中可以看出，该染料敏化太阳能电池光阳极薄膜由三部分组成，分别是导电玻璃1、由小粒径的TiO2纳米颗粒所形成的光吸收层2，以及由大粒径的TiO2纳米颗粒所形成的光散射层3。
图2是根据本发明制备的染料敏化太阳能电池光阳极薄膜光散射层的正面扫描电镜图。从图中可以看出，形成光散射层的TiO2纳米颗粒的粒径为200纳米左右。
图3是根据本发明制备的染料敏化太阳能电池光阳极薄膜光散射层的侧面扫描电镜图。从图中可以看出，光散射层与光吸收层之间没有间隙，说明光散射层与光吸收层的结合效果良好。
图4是根据本发明制备的染料敏化太阳能电池光阳极薄膜光散射层的X射线衍射谱图。从图中可以看出，主要成分为TiO2。
图5是基于无光散射层的光阳极薄膜所组装的染料敏化太阳能电池的光电流-光电压曲线图（曲线1）和基于本发明制备的染料敏化太阳能电池光阳极薄膜光散射层所组装的染料敏化太阳能电池的光电流-光电压曲线图（曲线2）。从图中可以看出，基于本发明制备的染料敏化太阳能电池光阳极薄膜光散射层所组装的染料敏化太阳能电池的光电性能得到了明显的改善。
具体实施方式
实施例1：以乙酰丙酮钛为钛源，以丙酮为溶剂，制备染料敏化太阳能电池光阳极薄膜光散射层。在喷雾器中预先加入100ml丙酮，将10～100ml的乙酰丙酮钛搅拌下缓慢滴入喷雾器中，继续搅拌5min后配制成钛源溶液。将染料敏化太阳能电池光阳极薄膜置于加热板上，加热到400～550℃。将钛源溶液喷出雾化到预先加热的染料敏化太阳能电池光阳极薄膜上，热分解雾化的钛源，保温时间1h，自然降温后，即获得光散射层。
实施例2：以钛酸四丁酯为钛源，以乙醇为溶剂，制备染料敏化太阳能电池光阳极薄膜光散射层。在喷雾器中预先加入100ml乙醇，将10～100ml的钛酸四丁酯搅拌下缓慢滴入喷雾器中，继续搅拌5min后配制成钛源溶液。将染料敏化太阳能电池光阳极薄膜置于加热板上，加热到400～550℃。将钛源溶液喷出雾化到预先加热的染料敏化太阳能电池光阳极薄膜上，热分解雾化的钛源，保温时间1h，自然降温后，即获得光散射层。
实施例3：以钛酸四乙酯为钛源，以乙醇为溶剂，制备染料敏化太阳能电池光阳极薄膜光散射层。在喷雾器中预先加入100ml乙醇，将10～100ml的钛酸四乙酯搅拌下缓慢滴入喷雾器中，继续搅拌5min后配制成钛源溶液。将染料敏化太阳能电池光阳极薄膜置于加热板上，加热到400～550℃。将钛源溶液喷出雾化到预先加热的染料敏化太阳能电池光阳极薄膜上，热分解雾化的钛源，保温时间1h，自然降温后，即获得光散射层。
实施例4：以钛酸四丙酯为钛源，以乙醇为溶剂，制备染料敏化太阳能电池光阳极薄膜光散射层。在喷雾器中预先加入100ml乙醇，将10～100ml的钛酸四丙酯搅拌下缓慢滴入喷雾器中，继续搅拌5min后配制成钛源溶液。将染料敏化太阳能电池光阳极薄膜置于加热板上，加热到400～550℃。将钛源溶液喷出雾化到预先加热的染料敏化太阳能电池光阳极薄膜上，热分解雾化的钛源，保温时间1h，自然降温后，即获得光散射层。
实施例5：以四氯化钛为钛源，以乙醇为溶剂，制备染料敏化太阳能电池光阳极薄膜光散射层。在喷雾器中预先加入100ml乙醇，将10ml的四氯化钛剧烈搅拌下缓慢滴入喷雾器中，继续搅拌5min后配制成钛源溶液。将染料敏化太阳能电池光阳极薄膜置于加热板上，加热到400～550℃。将钛源溶液喷出雾化到预先加热的染料敏化太阳能电池光阳极薄膜上，热分解雾化的钛源，保温时间1h，自然降温后，即获得光散射层。
本发明所制备的染料敏化太阳能电池光阳极薄膜光散射层通过在光阳极薄膜上直接热分解雾化的钛源即可获得，不但大大简化工艺流程，而且制备条件温和、成本低、所需设备简单、生产安全性强，易于实现工业化生产。所制备的染料敏化太阳能电池光阳极薄膜光散射层能够显著提高光阳极薄膜对太阳光的吸收，提高染料敏化太阳能电池的光电转换效率。
以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已。并非对本发明作任何形式上的限制；凡熟悉本专业的普通技术人员均可按说明书附图和以上所述而顺畅地实施本发明；但是，凡熟悉本专业的技术人员在不脱离本发明技术方案范围内，可利用以上所揭示的技术内容而作出的些许更改、修饰与演变的等同变化，均为本发明的等效实施例；同时，凡依据本发明的实施技术对以上实施例所作的任何等同变化的更动、修饰与演变等，均属于本发明的技术方案的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种染料敏化太阳能电池光阳极薄膜光散射层的制备方法，其特征是用喷雾器将钛源的乙醇溶液喷出雾化到预先加热到一定温度的染料敏化太阳能电池光阳极薄膜上，通过热分解钛源生成二氧化钛纳米颗粒而制备光散射层，该光散射层的制备的步骤如下：
步骤1：在喷雾器中配制钛源溶液，其中，钛源与溶剂的体积比为1:1~1:10；
步骤2：将染料敏化太阳能电池光阳极薄膜加热到400~550℃；
步骤3：将钛源溶液喷出雾化到预先加热的染料敏化太阳能电池光阳极薄膜上，通过热分解雾化的钛源生成二氧化钛纳米颗粒而获得光散射层；
其中钛源是乙酰丙酮钛、钛酸四丁酯、钛酸四乙酯、钛酸四丙酯、四氯化钛中的一种；溶解钛源的溶剂是乙醇或丙酮。
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