CN104036960A - 一种染料敏化乙炔黑-TiO2复合多孔薄膜电极的制备方法 - Google Patents
一种染料敏化乙炔黑-TiO2复合多孔薄膜电极的制备方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及太阳能电池技术领域，更具体的讲是一种染料敏化乙炔黑-TiO2复合多孔薄膜电极的制备方法，包括如下步骤：乙炔黑预处理、TiO2预处理、乙炔黑-TiO2浆料制备、FTO基体制备、染料敏化乙炔黑-TiO2薄膜电极制备、碳对电极的制备。本发明的有益效果是：乙炔黑的适当掺入有利于提高多孔薄膜电极运输光电子的速度，降低光电子与I3 -和D+的复合几率，改善了染料敏化太阳能电池的光电性能，染料为N719或桑葚色素时，乙炔黑的掺入均提高了电池的光电转换效率，降低了光电子转移电阻，染料为N719，乙炔黑掺入量为0.2wt%时，电池获得最高光电转换效率达12.5a%；染料为桑葚色素，乙炔黑掺入量为0.15wt%时，电池获得最高光电转换效率9.4a%。
Description
技术领域
本发明涉及太阳能电池技术领域，更具体的讲是一种染料敏化乙炔黑-TiO2复合多孔薄膜电极的制备方法。
背景技术
典型的染料敏化太阳能电池由制备在FTO(SnO2:F)导电玻璃上吸附染料的TiO2多孔薄膜(工作电极)、Pt对电极和I-/I3 -电解质组成。TiO2多孔薄膜一方面吸附染料，另一方面将吸附染料释放的光电子运输到外电路。因此，如何优化TiO2多孔薄膜并提高染料敏化太阳能电池光电转换效率已作为科研工作者的研究重点之一。有研究显示，将具有良好导电性能的材料掺入提高了染料敏化太阳能电池的光电转换效率。Kang等将比面积大、孔隙率高的碳粉掺入TiO2制备的碳-TiO2复合电极，电池光电转换效率达5.6％。碳粉的掺入不仅降低了载流子的复合，而且提高了薄膜的机械强度。Yen等制备了碳纳米管-TiO2复合电极，有效的改善了电池的物理化学性质并提高了电池的光电转换效率。Tsai等制备的石墨烯含量为1wt％的石墨烯-TiO2复合电极，电池的光电转换效率较未掺杂电极提高了15％。研究结果显示：石墨烯-TiO2复合电极不仅降低了载流子复合，而且增加了电极对染料的吸附量，增大了工作电极电流。
由于碳纳米管和石墨烯容易发生团聚和分散性较差的特殊性质，至今也未在染料敏化太阳能电池中得到商业化应用。乙炔黑是一种常见的颗粒状碳材料，具有较好的导电性，价格低廉、容易分散，早已被广泛用作锂离子电池、电化学电容器等的导电剂。但并没有在TiO2复合多孔薄膜电极中进行导电性应用。
发明内容
本发明针对以上现有技术中的不足之处提供一种以TiO2粉体制备掺杂乙炔黑的TiO2纳米浆料，采用旋涂法制备乙炔黑-复合多孔薄膜，研究了乙炔黑掺杂对敏化纳米TiO2多孔薄膜的光电性能的影响，并提供了两种不同染料对其光电性能的影响。
本发明是通过以下技术方案实现的：
一种染料敏化乙炔黑-TiO2复合多孔薄膜电极的制备方法，包括如下步骤：乙炔黑预处理、TiO2预处理、乙炔黑-TiO2浆料制备、FTO基体制备、乙炔黑-TiO2薄膜制备、染料敏化多孔薄膜电极制备。
上述乙炔黑预处理的具体步骤为：将乙炔黑置于蒸馏水中，再加入碳纳米管分散剂(TNWDIS)超声处理；超声结束后再将PEG20000加入，在磁力搅拌器上充分搅拌得溶液A，所述乙炔黑、碳纳米管分散剂、PEG20000的质量比为1：2-5：50-400。
上述TiO2预处理的具体步骤为：将TiO2、乙酰丙酮加入蒸馏水中，搅拌，然后向其滴加OP乳化剂，继续搅拌得溶液B，所述TiO2、乙酰丙酮、OP乳化剂的质量比为：1:0.05-0.08:0.02-0.05。
上述乙炔黑预处理步骤与TiO2预处理步骤中，乙炔黑的用量为TiO2用量的0.05-0.5wt％。
上述乙炔黑-TiO2浆料制备的具体步骤为：将溶液A和溶液B混合搅拌既得乙炔黑-TiO2浆料。
上述FTO基体的制备包括如下步骤：将FTO导电玻璃切割成方块，置于丙酮中超声处理，分别用蒸馏水冲洗干净、吹干，将FTO导电玻璃导电面的三个边进行封边。
上述染料敏化乙炔黑-TiO2薄膜电极制备的具体步骤为：采用旋涂法在FTO电极上制备一层TiO2致密薄膜，再将乙炔黑-TiO2浆料滴加到致密薄膜上，旋转使TiO2浆料在导电玻璃上平铺，然后再提高转速继续旋转，得乙炔黑-TiO2复合多孔薄膜，去掉胶带，将其干燥、烧结，冷却，并浸入染料溶液，避光敏化得染料敏化多孔薄膜电极(工作电极)。
上述染料为N719钌染料或桑葚色素。
碳对电极制备的具体步骤为：先将FTO电极浸入HF溶液，对导电面进行腐蚀，再用碳棒在其腐蚀面涂抹，去掉胶带，制得碳对电极。
上述的一种染料敏化乙炔黑-TiO2复合多孔薄膜电极的制备方法，其具体步骤为：
乙炔黑预处理：乙炔黑置于10ml蒸馏水中，再加入乙炔黑用量3倍的碳纳米管分散剂，超声4.5小时；超声结束后再将0.5g的PEG20000加入，在磁力搅拌器上充分搅拌得溶液A；
TiO2预处理：将2.5g TiO2，0.15ml乙酰丙酮分别加入8ml蒸馏水中，在磁力搅拌器上搅拌2小时，然后向其滴加0.1mlOP乳化剂，继续搅拌2小时得溶液B；
乙炔黑-TiO2浆料制备：将溶液A倒入溶液B中，搅拌2小时，即得乙炔黑-TiO2浆料；
FTO基体制备：将FTO导电玻璃切割成2cm×2.5cm大小的方块，置于丙酮中超声20分钟，用蒸馏水冲洗干净、吹干，用3M思高胶带将FTO导电玻璃导电面的三个边分别盖住5mm、5mm和5mm，使电极的有效面积为2cm×1cm；
染料敏化乙炔黑-TiO2薄膜电极制备：采用旋涂法在FTO导电玻璃上制备一层TiO2致密薄膜，将乙炔黑-TiO2浆料滴加到致密薄膜上，先以1700r/min的转速旋转15s，以使TiO2浆料在导电玻璃上平铺开来，再以5000r/min的转速旋转30s，得乙炔黑-TiO2复合多孔薄膜，去掉胶带，将复合多孔薄膜于100℃干燥30min，升温至450℃烧结30min，却至80℃，浸入染料溶液，避光敏化24h即得敏化的多孔薄膜电极(工作电极)。
碳对电极制备：FTO导电玻璃浸入1mol/L的HF溶液，对导电面进行腐蚀，再用碳棒在其腐蚀面涂抹，去掉胶带，制得碳对电极。
本发明的有益效果是：乙炔黑的适当掺入有利于提高多孔薄膜电极运输光电子的速度，降低光电子与I3 -和D+的复合几率，改善了染料敏化太阳能电池的光电性能，染料为N719钌染料或桑葚色素时，乙炔黑的掺入均提高了电池的光电转换效率，降低了光电子转移电阻，染料为N719钌染料时，乙炔黑掺入量为0.2wt％时，电池获得最高光电转换效率达12.5a％；染料为MBY时，乙炔黑掺入量为0.15wt％时，电池获得最高光电转换效率9.4a％。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明做进一步说明，以便本领域技术人员可以更好的了解本发明，但并不因此限制本发明。
实施例1
乙炔黑预处理：0.00125g乙炔黑置于10ml蒸馏水中，再加入乙炔黑用量3倍的碳纳米管分散剂，超声4.5小时；超声结束后再将0.5g的PEG20000加入，在磁力搅拌器上充分搅拌得溶液A；
TiO2预处理：将2.5g TiO2，0.15ml乙酰丙酮分别加入8ml蒸馏水中，在磁力搅拌器上搅拌2小时，然后向其滴加0.1mlOP乳化剂，继续搅拌2小时得溶液B；
乙炔黑-TiO2浆料制备：将溶液A倒入溶液B中，搅拌2小时，即得乙炔黑-TiO2浆料；
FTO电极制备：将FTO导电玻璃切割成2cm×2.5cm大小的方块，置于丙酮中超声20分钟，用蒸馏水冲洗干净、吹干，用3M思高胶带将FTO导电玻璃导电面的三个边分别盖住5mm、5mm和5mm，使电极的有效面积为2cm×1cm；
染料敏化乙炔黑-TiO2薄膜电极的制备：采用旋涂法在FTO导电玻璃上制备一层TiO2致密薄膜，将乙炔黑-TiO2浆料滴加到致密薄膜上，先以1700r/min的转速旋转15s，以使TiO2浆料在导电玻璃上平铺开来，再以5000r/min的转速旋转30s，得乙炔黑-TiO2复合多孔薄膜，去掉胶带，将复合多孔薄膜于100℃干燥30min，升温至450℃烧结30min，冷却至80℃，浸入5×10-4mol/L的N719钌染料的乙醇溶液，避光敏化24h即得敏化的多孔薄膜电极(工作电极)。
碳对电极制备：FTO导电玻璃浸入1mol/L的HF溶液，对导电面进行腐蚀，再用碳棒在其腐蚀面涂抹，去掉胶带，制得碳对电极。
实施例2
其制备方法同实施例1，其不同点为，乙炔黑的用量为0.0025g。
实施例3
其制备方法同实施例1，其不同点为，乙炔黑的用量为0.00375g。
实施例4
其制备方法同实施例1，其不同点为，乙炔黑的用量为0.005g。
实施例5
其制备方法同实施例1，其不同点为，乙炔黑的用量为0.01g。
实施例6
其制备方法同实施例1，其不同点为，染料采用桑葚色素。
实施例7
其制备方法同实施例2，其不同点为，染料采用桑葚色素。
实施例8
其制备方法同实施例3，其不同点为，染料采用桑葚色素。
实施例9
其制备方法同实施例4，其不同点为，染料采用桑葚色素。
实施例10
其制备方法同实施例5，其不同点为，染料采用桑葚色素。
对实施例1-10制备的敏化的TiO2多孔薄膜电极放在干净的实验台上，将碳对电极朝下放在着色面上，两部分微微错开，留出约5mm宽的导电部分留作测试用。用两个长尾票夹将电池夹住两电极，用胶头滴管将电解质从一侧滴入。在毛细管原理的作用下，电解质很快扩散满电极。染料敏化太阳能电池组装完成，测试其各项性能。测试组装好的染料敏化太阳能电池的光电性能，以日光灯作为光源，通过电化学分析仪测试电池的I-V曲线和电化学阻抗谱。
I-V特性实验
乙炔黑掺杂量为由实施例1-5以及实施例6-10分别为0.05％、0.1％、0.15％、0.2％和0.4％，其染料敏化太阳能电池的I-V曲线如表1和表2所示。ISC为短路电流，数值越大越好。染料敏化太阳能电池理论光电转换效率值为36％，实验值越接近理论值越好。
表1基于N719钌染料乙炔黑-TiO2复合电极I-V特性
| 电极 | 乙炔黑(wt％) | ISC(mA/cm2) | VOC(V) | η(％) |
| 实施例1 | 0.05 | 0.334 | 0.649 | 10.9a |
| 实施例2 | 0.1 | 0.299 | 0.629 | 11.2a |
| 实施例3 | 0.15 | 0.294 | 0.648 | 11.6a |
| 实施例4 | 0.2 | 0.327 | 0.595 | 12.5a |
| 实施例5 | 0.4 | 0.260 | 0.707 | 10.7a |
表2基于桑葚色素乙炔黑-TiO2复合电极I-V特性
| 电极 | 乙炔黑(wt％) | ISC(mA/cm2) | VOC(V) | η(％) |
| 实施例6 | 0.05 | 0.158 | 0.558 | 7.4a |
| 实施例7 | 0.1 | 0.199 | 0.592 | 8.0a |
| 实施例8 | 0.15 | 0.227 | 0.633 | 9.4a |
| 实施例9 | 0.2 | 0.195 | 0.592 | 8.3a |
| 实施例10 | 0.4 | 0.199 | 0.571 | 7.1a |
电化学阻抗分析
为研究光单子在电池界面的反应，在光照、电池开路状态下测量电池的电化学阻抗谱。
乙炔黑-TiO2复合电极与N719钌染料和桑葚色素组装的染料敏化太阳能电池的电化学阻抗数据如表3所示。从表3可以看出，乙炔黑的掺杂量分别为0.2％、0.15％时，电池光电子转移电阻最小，光电转换效率最高，与表1、表2数据相对应。
表3电化学阻抗数据
| 电极 | 电阻(Ω) | 电极 | 电阻(Ω) |
| 实施例1 | 210 | 实施例6 | 175 |
| 实施例2 | 170 | 实施例7 | 160 |
| 实施例3 | 150 | 实施例8 | 130 |
| 实施例4 | 160 | 实施例9 | 100 |
| 实施例5 | 272 | 实施例10 | 170 |
乙炔黑的适当掺入有利于提高多孔薄膜电极运输光电子的速度，降低光电子与I3 -和D+的复合几率，改善了染料敏化太阳能电池的光电性能。由上面的分析我们知道，染料为N719钌染料或天然桑葚色素时，乙炔黑的掺入均提高了电池的光电转换效率，降低了光电子转移电阻。染料为N719钌染料，乙炔黑掺入量为0.2wt％时，电池获得光电转换效率达12.5a％；染料为桑葚色素，乙炔黑掺入量为0.15wt％时，电池获得最高光电转换效率9.4a％。因此，乙炔黑的掺入可以改善电池的光电性能，但最佳掺入量要根据组装电池所使用的电极、染料、电解质和对电极具体确定。
Claims (10)
1.一种染料敏化乙炔黑-TiO2复合多孔薄膜电极的制备方法，包括如下步骤：乙炔黑预处理、TiO2预处理、乙炔黑-TiO2浆料制备、FTO基体制备、染料敏化乙炔黑-TiO2薄膜电极制备、碳对电极的制备。
2.根据权利要求1所述的一种染料敏化乙炔黑-TiO2复合多孔薄膜电极的制备方法，其特征在于：所述乙炔黑预处理的具体步骤为：将乙炔黑置于蒸馏水中，加入碳纳米管分散剂超声处理；超声结束后再将PEG20000加入，充分搅拌得溶液A，所述乙炔黑、碳纳米管分散剂、PEG20000的质量比为 1：2-5：50-400。
3.根据权利要求1或2所述的一种染料敏化乙炔黑-TiO2复合多孔薄膜电极的制备方法，其特征在于：所述TiO2预处理的具体步骤为：将TiO2、乙酰丙酮加入蒸馏水中，搅拌，然后向其滴加OP乳化剂，继续搅拌得溶液B，所述TiO2、乙酰丙酮、OP乳化剂的质量比为：1:0.05-0.08: 0.02-0.05。
4.根据权利要求3所述的一种染料敏化乙炔黑-TiO2复合多孔薄膜电极的制备方法，其特征在于：所述乙炔黑-TiO2浆料制备的具体步骤为：将溶液A和溶液B混合搅拌既得乙炔黑-TiO2浆料。
5.根据权利要求1所述的一种染料敏化乙炔黑-TiO2复合多孔薄膜电极的制备方法，其特征在于：所述FTO基体的制备包括如下步骤：将FTO导电玻璃切割成方块，置于丙酮中超声处理，用蒸馏水冲洗干净、吹干，将FTO导电玻璃导电面的三个边用胶带封边。
6.根据权利要求1所述的一种染料敏化乙炔黑-TiO2复合多孔薄膜电极的制备方法，其特征在于：所述染料敏化乙炔黑-TiO2薄膜电极制备的具体步骤为：采用旋涂法在FTO基体上制备一层TiO2致密薄膜，再将乙炔黑-TiO2浆料滴加到致密薄膜上，旋转使TiO2浆料在导电玻璃上平铺，然后再提高转速继续旋转，得乙炔黑-TiO2复合多孔薄膜，去掉胶带，将其干燥，烧结，冷却，并浸入染料溶液，避光敏化得染料敏化多孔薄膜电极。
7.根据权利要求1所述的一种染料敏化乙炔黑-TiO2复合多孔薄膜电极的制备方法，其特征在于：所述碳对电极制备的具体步骤为：将FTO电极基体浸入HF溶液，对导电面进行腐蚀，再用碳棒在其腐蚀面涂抹，去掉胶带，制得碳对电极。
8.根据权利要求3所述的一种染料敏化乙炔黑-TiO2复合多孔薄膜电极的制备方法，其特征在于：所述乙炔黑的用量为TiO2用量的0.05-0.5wt%。
9.根据权利要求6所述的一种染料敏化乙炔黑-TiO2复合多孔薄膜电极的制备方法，其特征在于：所述染料为N719钌染料或桑葚色素。
10.根据权利要求1-9所述的一种染料敏化乙炔黑-TiO2复合多孔薄膜电极的制备方法，其具体步骤为：
乙炔黑预处理：乙炔黑置于10ml蒸馏水中，再加入乙炔黑用量3倍的碳纳米管分散剂，超声4.5小时；超声结束后再将0.5g的PEG20000加入，在磁力搅拌器上充分搅拌得溶液A；
TiO2预处理：将2.5g TiO2，0.15ml乙酰丙酮分别加入8ml蒸馏水中，在磁力搅拌器上搅拌2小时，然后向其滴加0.1mlOP乳化剂，继续搅拌2小时得溶液B；
乙炔黑- TiO2浆料制备：将溶液A倒入溶液B中，搅拌2小时，即得乙炔黑-TiO2浆料；
FTO基体制备：将FTO导电玻璃切割成2cm×2.5cm大小的方块，置于丙酮中超声20分钟，用蒸馏水冲洗干净、吹干，用3M思高胶带将FTO导电玻璃导电面的三个边分别盖住5mm、5mm和5mm，使电极的有效面积为2cm×1cm；
染料敏化乙炔黑-TiO2薄膜电极的制备：采用旋涂法在FTO导电玻璃上制备一层TiO2致密薄膜，将乙炔黑-TiO2浆料滴加到致密薄膜上，先以1700r/min的转速旋转15s，以使TiO2浆料在导电玻璃上平铺开来，再以5000r/min的转速旋转30s，得乙炔黑-TiO2复合多孔薄膜，去掉胶带，将复合多孔薄膜于100°C干燥30min，升温至450°C烧结30min，冷却至80°C，浸入染料溶液，避光敏化24h即得敏化的多孔薄膜电极；
碳对电极制备：FTO导电玻璃浸入1mol/L的HF溶液，对导电面进行腐蚀，再用碳棒在其腐蚀面涂抹，去掉胶带，制得碳对电极。
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