CN103956270A - 利用金属有机框架材料改进敏化太阳能电池性能的方法 - Google Patents

利用金属有机框架材料改进敏化太阳能电池性能的方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种利用金属有机框架材料改进敏化太阳能电池性能的方法，具体为：对染料敏化太阳能电池的光阳极进行染料敏化之后，交替重复进行金属有机框架材料的表面生长以及染料的再敏化过程。该方法使用金属有机框架材料来构筑特殊结构的光阳极，以提高其光电性能。通过控制染料敏化的先后顺序、金属有机框架材料的生长时间、金属有机框架材料的生长和染料再敏化的次数，可有效提高染料敏化太阳能电池的效率。

Description

利用金属有机框架材料改进敏化太阳能电池性能的方法
技术领域
本发明属于太阳能电池领域，更具体涉及一种利用金属有机框架材料改进染料敏化太阳能电池性能的方法。
背景技术
1991年，瑞士科学家Michael                                                 研究小组在染料敏化太阳能电池（DSSC）的研究中取得突破性进展，从而掀起了研究DSSC的热潮。作为第三代太阳能电池的代表之一，DSSC具有价格低廉、制作简单、转换效率高、环境友好等显著优点。当DSSC中的染料受太阳光激发后，电子从染料的LUMO轨道注入到半导体的导带中；电子在半导体中扩散至导电基底，然后流入外电路；处于氧化态的染料分子被还原态的电解质还原再生；氧化态的电解质在对电极接受电子后被还原，从而完成DSSC循环工作。目前DSSC的光电转化效率已达13%，可与传统的非晶硅光伏电池媲美，但是在电极/电解质和电极/染料界面发生的电荷复合阻碍了电池性能的进一步提高，使得DSSC的光电转换效率与理论最大值还有着较大的差距。为了降低界面处的电荷复合，提高电池的性能，可在光阳极表面覆盖一层宽带隙半导体或者绝缘层。我们之前的研究表明，金属有机框架材料可用来增强DSSC的开路电压，但是随着金属有机框架材料的生长，电池的光电转换效率却降低了。
发明内容
     本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种利用金属有机框架材料改进敏化太阳能电池性能的方法，该方法通过改变染料敏化的顺序、交替进行金属有机框架材料的生长和染料的再敏化，显著的提高了DSSC的效率。
    本发明是通过如下技术方案实施的：
    一种利用金属有机框架材料改进敏化太阳能电池性能的方法包括先敏化DSSC的光阳极，然后生长金属有机框架材料并进行染料再敏化，重复该过程0-5次，可显著提高电池的光电性能。
所述方法的步骤为：
1）将二氧化钛的纳米晶加入到2-30wt%乙酰纤维素的乙醇溶液中，充分搅拌制得浆料，用丝网印刷将其印在导电玻璃上并于500-550℃焙烧1-4h得到电极材料；将此电极浸泡于染料溶液中，得到敏化后的电极材料；
2）将敏化后的电极材料浸入金属有机框架材料的生长母液中，使电极表面生长薄层金属有机框架材料；然后将此电极浸泡于染料溶液中再次进行染料的敏化；对电极交替重复进行生长金属有机框架材料、染料再敏化的过程；
3）将得到的电极材料、Pt对电极和注入的液态电解质溶液组装在一起，形成三明治结构的染料敏化的纳米晶薄膜太阳能电池。
步骤1）、2）所述的染料溶液为溶解了N719、D131染料的乙醇溶液，浓度为0.1-0.5 mM。
步骤2）中染料的再次敏化时间为1-200分钟。
步骤2）所述的生长母液为含有硝酸锌和2-甲基咪唑，其浓度均为0.1-50 mmol/L。
步骤2）中金属有机框架材料的生长时间为2-60分钟。
步骤2）中电极表面金属有机框架材料的生长和染料的再次敏化过程交替重复进行0-5次。
本发明的优点在于：
该方法使用金属有机框架材料来构筑特殊结构的光阳极，并且通过控制染料敏化的先后顺序、金属有机框架材料的生长时间、金属有机框架材料的生长和染料再敏化的次数，有效地提高了染料敏化太阳能电池的效率，效率显著提高了12%以上。
附图说明
图1为金属有机框架材料的生长和染料再敏化的不同重复次数下电池的电流电压曲线。
具体实施例
本发明用下列实施例来进一步说明本发明，但本发明的保护范围并不限于下列实施例。
实施例1
1）将二氧化钛的纳米晶在质量浓度为8wt%的乙酰纤维素的乙醇溶液中充分搅拌制得浆料，用丝网印刷将其印在导电玻璃上并于500℃焙烧4h得到电极材料；将该电极材料浸泡于N719和D131染料的乙醇溶液中进行敏化，敏化时间为18小时；
2）将敏化后的电极材料浸入浓度为5 mM的硝酸锌、2-甲基咪唑的乙醇溶液中，浸泡时间为20分钟，得到表面生长了薄层金属有机框架材料的核壳结构的电极；将此电极浸泡于溶解了N719和D131染料的乙醇溶液中1分钟进行染料再敏化，得到敏化后的电极材料；重复该生长金属有机框架材料、染料再敏化过程0次。
3）将敏化后的电极材料、Pt对电极和注入的液态电解质溶液组装在一起，形成三明治结构的所述的染料敏化的纳米晶薄膜太阳能电池。
本实施例制得的染料敏化的纳米晶薄膜太阳能电池与处理之前的电池相比，电池的效率从5.84%提高到6.59%。
实施例2
1）将二氧化钛的纳米晶在质量浓度为2wt%的乙酰纤维素的乙醇溶液中充分搅拌制得浆料，用丝网印刷将其印在导电玻璃上并于550℃焙烧1h得到电极材料；将该电极材料浸泡于N719和D131染料的乙醇溶液中进行敏化，敏化时间为18小时；
2）将敏化后的电极材料浸入浓度为0.1 mM的硝酸锌、2-甲基咪唑的甲醇溶液中，浸泡时间为60分钟，得到表面生长了薄层金属有机框架材料的核壳结构的电极；将此电极浸泡于溶解了N719和D131染料的乙醇溶液中50分钟进行染料再敏化，得到敏化后的电极材料；重复该生长金属有机框架材料、染料再敏化过程1次；
3）将敏化后的电极材料、Pt对电极和注入的液态电解质溶液组装在一起，形成三明治结构的所述的染料敏化的纳米晶薄膜太阳能电池。
本实施例制得的染料敏化的纳米晶薄膜太阳能电池与处理之前的电池相比，电池的效率从5.84%提高到6.68%。
实施例3
1）将二氧化钛的纳米晶在质量浓度为30wt%的乙酰纤维素的乙醇溶液中充分搅拌制得浆料，用丝网印刷将其印在导电玻璃上并于520℃焙烧2h得到电极材料；将该电极材料浸泡于N719和D131染料的乙醇溶液中进行敏化，敏化时间为18小时；
2）将敏化后的电极材料浸入浓度为50 mM的硝酸锌、2-甲基咪唑的乙醇溶液中，浸泡时间为2分钟，得到表面生长了薄层金属有机框架材料的核壳结构的电极；将此电极浸泡于溶解了N719和D131染料的乙醇溶液中200分钟进行染料再敏化，得到敏化后的电极材料；重复该生长金属有机框架材料、染料再敏化过程5次；
3）将敏化后的电极材料、Pt对电极和注入的液态电解质溶液组装在一起，形成三明治结构的所述的染料敏化的纳米晶薄膜太阳能电池。
本实施例制得的染料敏化的纳米晶薄膜太阳能电池与处理之前的电池相比，电池的效率从5.84%提高到6.64%。
图1为金属有机框架材料的生长和染料再敏化的不同重复次数下电池的电流电压曲线。从图1中可看出，对照电极未利用金属有机框架材料加以改进，开路电压为0.72V；而经金属有机框架材料的生长和染料再敏化处理过的电池，开路电压显著增强；且在一定范围内，重复次数越多，电池的开路电压越强。而且结合实施例1-3的数据表明，金属有机框架材料的生长和染料再敏化的交替重复进行，也有助于提高电池的效率。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。

Claims (7)

1.一种利用金属有机框架材料改进敏化太阳能电池性能的方法，其特征在于：对染料敏化太阳能电池的光阳极进行染料敏化之后，交替重复进行金属有机框架材料的表面生长以及染料的再敏化过程。
2.根据权利要求1所述的一种利用金属有机框架材料改进敏化太阳能电池性能的方法，其特征在于：具体步骤为：
1）将二氧化钛的纳米晶加入到2-30wt%乙酰纤维素的乙醇溶液中，充分搅拌制得浆料，用丝网印刷将其印在导电玻璃上并于500-550℃焙烧1-4h得到电极材料；将此电极浸泡于染料溶液中，得到敏化后的电极材料；
2）将敏化后的电极材料浸入金属有机框架材料的生长母液中，使电极表面生长薄层金属有机框架材料；然后将此电极浸泡于染料溶液中再次进行染料的敏化；对电极交替重复进行生长金属有机框架材料、染料再敏化的过程；
3）将得到的电极材料、Pt对电极和注入的液态电解质溶液组装在一起，形成三明治结构的染料敏化的纳米晶薄膜太阳能电池。
3.根据权利要求2所述的一种利用金属有机框架材料改进敏化太阳能电池性能的方法，其特征在于：步骤1）、2）所述的染料溶液为溶解了N719、D131染料的乙醇溶液，浓度为0.1-0.5 mM。
4.根据权利要求2所述的一种利用金属有机框架材料改进敏化太阳能电池性能的方法，其特征在于：步骤2）中染料的再次敏化时间为1-200分钟。
5.根据权利要求2所述的一种利用金属有机框架材料改进敏化太阳能电池性能的方法，其特征在于：步骤2）所述的生长母液中含有硝酸锌和2-甲基咪唑，其浓度均为0.1-50 mmol/L。
6.根据权利要求2所述的一种利用金属有机框架材料改进敏化太阳能电池性能的方法，其特征在于：步骤2）中金属有机框架材料的生长时间为2-60分钟。
7.根据权利要求1或2所述的一种利用金属有机框架改进敏化太阳能电池性能的方法，其特征在于：步骤2）中电极表面金属有机框架材料的生长和染料的再次敏化过程交替重复进行0-5次。
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