CN104167293B - 一种染料敏化太阳能电池光阳极及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种染料敏化太阳能电池光阳极及其制备方法，属于能源技术领域。该光阳极包括三维透明导电氧化物空心球导电骨架以及沉积在透明导电氧化物空心球内表面和外表面的薄层TiO2。所述的光阳极采用聚苯乙烯和聚乙二醇为复合模板，与透明导电氧化物前驱体混和制得透明导电氧化物空心球电极并在透明导电氧化物空心球内外表面各沉积一层TiO2，最终在氩气中进行热处理。本发明从根本上改变了光生电子在光伏层中的传输路径，在提高光捕获效率的同时极大的降低了电子传输距离，电子在光伏层中的缓慢扩散过程被一种更为迅速的场驱动的电荷分离过程所取代，从而可有效抑制电子在界面层和电解质的电荷重组，降低电池中的暗电流。
Description
技术领域
本发明涉及一种染料敏化太阳能电池光阳极及其制备方法，属于能源技术领域。
背景技术
能源问题是人类面临的共同问题，由于化石燃料的日渐枯竭和大量化石燃料的使用造成的环境污染，已经严重威胁到人类的生存和发展，太阳能的大规模应用则是解决能源问题和环境问题的关键突破口。在此背景下，太阳光伏发电和光热利用已经成为近十年来世界上发展最迅猛的可再生能源技术。
目前硅电池占据了全球95％以上的太阳能电池的市场份额。但是冶炼高纯度的硅需要消耗大量的能源，计算表明，制造单晶硅电池消耗的能源相当于该电池十五年时间的发电量，制造多晶硅电池消耗的能源相对较少，也相当于块体多晶硅电池5-7年的发电量。染料敏化太阳能电池(DSSC)由于具有安全无毒，转化效率较高，成本低廉的优点，被认为是取代硅电池，实现太阳能大规模利用的主要候选者。
在染料敏化太阳能电池中，光阳极是一个极其重要的组成部分。一般来说，光阳极由平面的透明导电氧化物(TCO)玻璃和吸附染料的半导体光伏层组成。半导体光伏层的主要作用表现为：(i)提供足够大的比表面积以最大化染料的吸附；(ii)在可匹配的能级范围内，其导带接收来自于染料生成的光电子；(iii)将接收到的光电子快速传输到TCO平面玻璃。由于具有良好的透明性、大的比表面积以及和大多数染料分子良好的能级匹配性，基于TiO2和ZnO的纳米光阳极在传统的DSSC设计中一直扮演着最重要的角色。然而，这种电子传输性能完全依赖于半导体光伏层的DSSC设计具有很大的局限性，主要表现为：(i)光诱导生成的电子完全占据整个光伏层，导致电子和溶液中反离子的结合，降低光电流；(ii)大多数半导体导电性能非常差，即使具有单晶结构的锐钛矿TiO2或者ZnO，其电导率也仅为几个S/cm；(iii)整个电子的扩散传输路径被处于氧化态的染料分子包围，极易产生逆向电子复合，电子的传递属于极其缓慢的陷阱制约型双极扩散过程。一般来说，一个移动的光生电子穿过厚度为15μm的TiO2纳米粒子膜，将会经历约一百万次的入陷/脱陷事件，需要几个毫秒的时间才能扩散到最外层的电子收集电极。单从导电性而言，用作电子收集的透明TCO电极具有极高的电导率(>103S/cm)，然而，假如我们采用TCO做为光伏层，则存在如下缺点：TCO材料导带低于TiO2和ZnO，电子从染料转移到TCO导带时，由于载流子的热均化，必然会造成开路电压的极大损失。因此，重新设计并优化现有DSSC的光阳极结构，优化电子在光伏层中的传输路径，并同时提高体系的光捕获效率，具有重要的意义。
发明内容
针对上述问题，本发明提出了一种具有快速电子传输能力的染料敏化太阳能电池光阳极及其制备方法，从根本上改变了光生电子在光伏层中的传输路径，在提高光捕获效率的同时降低了电子传输距离。
为了实现上述目的，本发明通过结构设计以及材料合成，将二维平面TCO(如氟掺杂二氧化锡(FTO)，铝掺杂氧化锌(AZO)或者锡掺杂氧化铟(ITO))转变为三维多孔TCO做为电子传输层，构建三维(3D)多孔TCO/TiO2复合电极。本发明从根本上改变并大幅度提高了目前染料敏化太阳能电池中的电荷传输速度。
本发明所述的染料敏化太阳能电池光阳极，以三维透明导电氧化物(TCO)空心球为导电骨架，薄层TiO2通过原子层沉积方法沉积在三维透明导电氧化物空心球内表面和外表面，从而可以最大程度的利用空心球的内表面和外表面，并且由于空心结构的存在，电解质可以在半导体膜中自由流动，从而使染料或电解质和半导体材料之间的接触面积最大化。
当薄层TiO2的厚度过小时，容易造成部分TCO骨架裸露在外面，从而可以和电解质直接接触，电子和电解质中的阳离子耦合机率增大，造成暗电流的增大，最终降低了电池的效率。本发明所述的薄层TiO2的厚度为20-30nm，可以有效的降低暗电流，提高光电转换效率。
本发明所述的三维透明导电氧化物选自氟掺杂二氧化锡(FTO)或铝掺杂氧化锌(AZO)或锡掺杂氧化铟(ITO)。掺杂量对导电性有一定影响，一般而言，掺杂量越大，导电性越好，但有一个最佳值。以FTO为例，当掺杂F原子含量较低时，每个F原子取代原氧化锡中的一个O，同时产生一个自由电子，随着掺F量的增加，载流子浓度增大，最终在氟掺杂二氧化锡的摩尔掺杂比为F/Sn＝6/5时达到极限。进一步掺杂，F原子则以杂质形式存在于氧化锡的颗粒空隙之间，导致粉体电阻增高。同理，ITO中掺杂的Sn，AZO中掺杂的Al，都存在最佳掺杂量。经过发明人长期研究发现所述的氟掺杂二氧化锡的最佳摩尔掺杂比为F/Sn＝6/5；所述的铝掺杂氧化锌的最佳摩尔掺杂比为Al/Zn＝1/7；所述的锡掺杂氧化铟的最佳摩尔掺杂比为Sn/In＝1/12。
本发明采用的三维透明导电氧化物具有极高的导电子能力，其导电能力约为介孔TiO2的107倍，本发明在三维透明导电氧化物骨架上均匀涂覆一层TiO2。由于TiO2层的厚度薄至空间电荷层的厚度(20～30nm)，因此，在三维透明导电氧化物骨架和TiO2层间会产生电势梯度，这种电势梯度的存在使染料产生的电子在场电势差的驱动下，瞬间被拉入三维透明导电氧化物骨架，然后，电子通过具有极高导电性的三维透明导电氧化物骨架直接传输到导电玻璃，电子传输距离极大的降低(从传统的10μm TiO2层的厚度降低到30nm的空间电荷层厚度)，电子在光伏层中的缓慢扩散过程被一种更为迅速的场驱动的电荷分离过程所取代，从而可有效抑制电子在界面层和电解质的电荷重组，降低电池中的暗电流。
综上所述，本发明从根本上改变了光生电子在光伏层中的传输路径，三维透明导电氧化物(3-DTCO)电极的使用极大的增加了透明导电氧化物(TCO)和光伏层之间的接触面积，在提高光捕获效率的同时极大的降低了电子传输距离(10μm降低到30nm)，电子在光伏层中的缓慢扩散过程被一种更为迅速的场驱动的电荷分离过程所取代，从而可有效抑制电子在界面层和电解质的电荷重组，降低电池中的暗电流，实现了高效电子传输和高效光捕获的协同作用。
另外，本发明还提供了所述染料敏化太阳能电池光阳极的制备方法，其具体步骤如下：
(1)向玻璃瓶中加入透明导电氧化物(TCO)前驱体以及聚苯乙烯(PS)微球悬浊液和聚乙二醇，超声混合均匀；
(2)将上述混合物滴于氟掺杂二氧化锡(FTO)导电玻璃上，形成透明导电氧化物膜，并使用透明胶带定义电极面积，得电极；
(3)所得电极在室温下过夜干燥后，煅烧除去聚苯乙烯微球模板，得到三维透明导电氧化物空心球电极；
(4)将所得三维透明导电氧化物空心球电极在氩气中进行热处理；
(5)采用原子层沉积方法在热处理后的三维透明导电氧化物空心球电极内表面和外表面各沉积一层20-30nm厚的薄层TiO2，之后，将电极迅速浸入染料中过夜，并采用乙醇润洗，最终在N2中干燥。
首先，本发明采用聚苯乙烯微球和聚乙二醇为复合模板，所述的聚苯乙烯微球的直径为300-600nm，用于提供大孔通道，微球直径过小的话无法进行原子层沉积包覆，过大的话样品表面积降低，效率下降；所述的聚乙二醇分子量为200-800，在合成过程中产生介孔，增加三维TCO骨架的比表面积。
步骤(2)中透明导电氧化物膜的厚度为10μm。
本发明中聚苯乙烯微球模板通过煅烧实现去除充分，当所述的三维透明导电氧化物选自氟掺杂二氧化锡或铝掺杂氧化锌时，煅烧温度为450℃；当所述的三维透明导电氧化物选自锡掺杂氧化铟时，煅烧温度380℃。试验中发现采用本发明所述制备方法，在煅烧过程中，由于高分子物质转化为气体快速挥发，最终所得的三维透明导电氧化物空心球电极上除了具有微小气体通孔外还具有一个开口，本发明通过该开口可以轻松实现薄层TiO2在空心球内表面的沉积。
为了提高所得电极的导电性，所得电极在氩气中热处理30分钟以增加氧化物导电骨架中氧空位的数量，热处理温度为300℃。
本发明所述的原子层沉积方法为本领域的常用沉积方法。
将上述制得的光阳极与Pt对电极组合成光伏电池，使用Solaronix热熔胶进行封装，在缝隙中滴加电解质溶液至充满状态，然后分别在光阳极和对电极的端侧接上铜导线，即组成染料敏化太阳能电池。
综上所述，与现有技术相比，本发明的优势在于：
(1)TCO具有极高的导电子能力，其导电能力约为介孔TiO2的107倍，本发明采用三维透明导电氧化物(TCO)空心球为导电骨架，然后在这个骨架上均匀涂覆一层TiO2。由于TiO2层的厚度薄至空间电荷层的厚度(20～30nm)，因此，在TCO骨架和TiO2层间会产生电势梯度，这种电势梯度的存在使染料产生的电子在场电势差的驱动下，瞬间被拉入三维透明导电氧化物(TCO)空心球导电骨架，然后，电子通过具有极高导电性的三维透明导电氧化物骨架直接传输到导电玻璃，因此，电子传输距离极大的降低(从传统的10μmTiO2层的厚度降低到30nm的空间电荷层厚度)。传统DSSC中电子在光伏层中的缓慢扩散过程能被一种更为迅速的场驱动的电荷分离过程所取代，从而可有效抑制电子在界面层和电解质的电荷重组，降低电池暗电流。
(2)在传统的DSSC设计中，TCO一般为平面结构，位于光阳极的最底端接收经TiO2薄膜扩散传输的电子，因此，TCO和TiO2层之间的接触表面积非常低。本发明中，由于采用了三维多孔TCO结构，通过在TCO三维多孔网络上负载活性光伏材料(如TiO2)，TCO和光伏层之间的表面积将极大提高，多孔结构由PS牺牲模板的消除产生，可以负载足够多的光伏活性材料如二氧化钛，从而可吸附更多的染料，获得更高的光捕获效率。
(3)本发明所述的制备方法中采用聚苯乙烯(PS)和聚乙二醇为复合模板，用于提供大孔通道以及在合成过程中产生介孔，增加三维TCO骨架的比表面积，使染料或电解质和半导体材料之间的接触面积最大化。
(4)本发明所述的制备方法中采用了氩气进行热处理，这种处理可以增加氧化物导电骨架中氧空位的数量，从而提高了材料的导电性能。
因此，本发明实现了高效电子传输和高效光捕获的协同作用。
附图说明
图1为本发明所述的染料敏化太阳能电池光阳极结构示意图；
图2为本发明所述的染料敏化太阳能电池光阳极的扫描电镜照片；
图3为本发明所述的染料敏化太阳能电池光阳极的透射电镜照片；
图4为本发明所述的染料敏化太阳能电池光阳极的XRD衍射光谱；
图5为本发明实施例1染料敏化太阳能电池光阳极材料的J-V曲线；
图中：1、透明导电氧化物，2、空心球外表面二氧化钛；3、空心球内表面二氧化钛。
具体实施方式
下面通过具体的实施例进一步说明本发明，但应当理解为，这些实施例仅仅是用于更详细具体地说明本发明之用，而不应理解为以任何形式限制本发明。本发明在试验中所使用到的材料是本领域公知的或根据现有技术可以制备得到的。试验所涉及数据均在误差允许范围内。
实施例1：
一种染料敏化太阳能电池光阳极的制备方法，其具体步骤为：
(1)向玻璃瓶中加入SnCl2·2H2O22.85mg，氟化铵4.50mg，聚苯乙烯(PS)微球悬浊液(直径300nm)275μl，聚乙二醇60μl(分子量200)，所得混合物超声2小时，混合均匀；
(2)从上述所得悬浊液中吸取45μl混合物滴于FTO导电玻璃上，形成厚度为10μm的透明导电氧化物膜，并用透明胶带定义电极面积为1.0*1.0cm2；
(3)所得电极在室温下过夜干燥后放入马弗炉中，由室温升到450℃后保持2小时以完全除去PS模板，得到三维透明导电氧化物空心球电极；升温速率采用1℃/分；
(4)将所得电极在氩气中热处理30分钟以提高导电性，热处理温度为300℃；
(5)将所得FTO空心球电极采用原子层沉积(ALD)方法在空心球内外表面沉积一层20-30nm厚的TiO2；TiO2前驱体采用四异丙醇钛，四异丙醇钛的脉冲/沉积时间/清洗分别为1.5秒/5秒/20秒，水的脉冲/沉积时间/清洗分别为0.015秒/5秒/20秒；之后，将电极迅速浸入N719染料中过夜，并采用乙醇润洗，所得电极最终在N2中干燥。采用上述光阳极，以I-/I3 -为电解质制备的染料敏化太阳能电池光电转换效率为4.61％。
实施例2：
(1)向玻璃瓶中加入叔丁氧基锡(IV)41.63mg，氟化铵4.50mg以及聚苯乙烯(PS)微球悬浊液(直径600nm)275μl，聚乙二醇60μl(分子量800)，所得混合物超声2小时，混合均匀；
(2)从上述所得悬浊液中吸取40μl混合物滴于FTO导电玻璃上，形成厚度为10μm的透明导电氧化物膜，并用透明胶带定义电极面积为1.0*1.0cm2；
(3)所得电极在室温下过夜干燥后放入马弗炉中，由室温升到450℃后保持2小时以完全除去PS模板，得到三维透明导电氧化物空心球电极；升温速率采用1℃/分；
(4)将所得电极在氩气中热处理30分钟以提高导电性，热处理温度为300℃；
(5)将所得FTO空心球电极采用原子层沉积(ALD)方法在空心球内外表面沉积一层20-30nm厚的TiO2；TiO2前驱体采用四异丙醇钛，四异丙醇钛的脉冲/沉积时间/清洗分别为1.0秒/4秒/25秒，水的脉冲/沉积时间/清洗分别为0.020秒/4秒/25秒；之后，将电极迅速浸入N719染料中过夜，并采用乙醇润洗，所得电极最终在N2中干燥。采用上述光阳极，以I-/I3 -为电解质制备的染料敏化太阳能电池光电转换效率为5.71％。
实施例3：
(1)向玻璃瓶中加入Zn(Ac)2·2H2O13.83mg，无水AlCl31.20mg以及聚苯乙烯(PS)微球悬浊液(直径526nm)275μl，聚乙二醇60μl(分子量200)，所得混合物超声2小时，混合均匀；
(2)从上述所得悬浊液中吸取40μl混合物滴于FTO导电玻璃上，形成厚度为10μm的透明导电氧化物膜，并用透明胶带定义电极面积为1.0*1.0cm2；
(3)所得电极在室温下过夜干燥后放入马弗炉中，由室温升到450℃后保持2小时以完全除去PS模板，形成厚度为10μm的透明导电氧化物膜，并用透明胶带定义电极面积为1.0*1.0cm2；升温速率采用1℃/分；
(4)将所得电极在氩气中热处理30分钟以提高导电性，热处理温度为300℃；
(5)将所得FTO空心球电极采用原子层沉积(ALD)方法在空心球内外表面沉积一层20-30nm厚的TiO2；TiO2前驱体采用四异丙醇钛，四异丙醇钛的脉冲/沉积时间/清洗分别为1.0秒/4秒/25秒，水的脉冲/沉积时间/清洗分别为0.020秒/4秒/25秒。之后，将电极迅速浸入N719染料中过夜，并采用乙醇润洗，所得电极最终在N2中干燥。采用上述光阳极，以I-/I3 -为电解质制备的染料敏化太阳能电池光电转换效率为6.70％。
实施例4
(1)向玻璃瓶中加入SnCl2·2H2O14.90mg，In2(SO4)3410.13mg以及聚苯乙烯(PS)微球悬浊液(直径526nm)275μl，聚乙二醇60μl(分子量200)，所得混合物超声2小时，混合均匀；
(2)从上述所得悬浊液中吸取45μl混合物滴于FTO导电玻璃上，形成厚度为10μm的透明导电氧化物膜，并用透明胶带定义电极面积为1.0*1.0cm2；
(3)所得电极在室温下过夜干燥后放入马弗炉中，由室温升到380℃后保持5小时以完全除去PS模板，得到三维透明导电氧化物空心球电极；升温速率采用1℃/分；
(4)将所得电极在氩气中热处理30分钟以提高导电性，热处理温度为300℃；
(5)将所得ITO空心球电极采用原子层沉积(ALD)方法在空心球内外表面沉积一层20-30nm厚的TiO2。TiO2前驱体采用四异丙醇钛，四异丙醇钛的脉冲/沉积时间/清洗分别为1.0秒/4秒/25秒，水的脉冲/沉积时间/清洗分别为0.020秒/4秒/25秒。之后，将电极迅速浸入N719染料中过夜，并采用乙醇润洗，所得电极最终在N2中干燥。采用上述光阳极，以I-/I3 -为电解质制备的染料敏化太阳能电池光电转换效率为7.50％。
对比例1
(1)向玻璃瓶中加入SnCl2·2H2O22.85mg，氟化铵4.50mg以及聚苯乙烯(PS)微球悬浊液(直径300nm)275μl，聚乙二醇60μl(分子量200)，所得混合物超声2小时，混合均匀；
(2)从上述所得悬浊液中吸取45μl混合物滴于FTO导电玻璃上，形成厚度为10μm的透明导电氧化物膜，并用透明胶带定义电极面积为1.0*1.0cm2；
(3)所得电极在室温下过夜干燥后放入马弗炉中，由室温升到450℃后保持2小时以完全除去PS模板，，得到三维透明导电氧化物空心球电极，升温速率采用1℃/分；
(4)将所得电极在氩气中热处理30分钟以提高导电性，热处理温度为300℃；
(5)将所得FTO空心球电极采用原子层沉积(ALD)方法在空心球内外表面沉积5个循环的Al2O3。之后，将电极迅速浸入N719染料中过夜，并采用乙醇润洗，所得电极最终在N2中干燥。采用上述光阳极，以I-/I3 -为电解质制备的染料敏化太阳能电池光电转换效率为0.943％。
通过实施案例1-4可以看出，本发明得到的DSSC具有优异的光电效应。相对于采用Al2O3包覆的3-DFTO染料敏化太阳能电池(对比例1)，本发明在短路电流、开路电压以及填充因子等方面都有了极大的提高。相对于采用传统TiO2纳米粒子(P25)制造的光阳极来说，本发明实施例2-4在短路电流密度和开路电压方面均有较大的提升，表明本发明的优越性。
表1染料敏化太阳能电池的光伏参数对比
Claims (8)
1.一种染料敏化太阳能电池光阳极，其特征在于：该光阳极以三维透明导电氧化物空心球为导电骨架，薄层TiO2通过原子层沉积方法沉积在三维透明导电氧化物空心球内表面和外表面。
2.根据权利要求1所述的染料敏化太阳能电池光阳极，其特征在于：所述的薄层TiO2的厚度为20-30nm。
3.根据权利要求1所述的染料敏化太阳能电池光阳极，其特征在于：所述的三维透明导电氧化物选自氟掺杂二氧化锡或铝掺杂氧化锌或锡掺杂氧化铟。
4.根据权利要求3所述的染料敏化太阳能电池光阳极，其特征在于：所述的氟掺杂二氧化锡的摩尔掺杂比为F/Sn＝6/5；所述的铝掺杂氧化锌的摩尔掺杂比为Al/Zn＝1/7；所述的锡掺杂氧化铟的摩尔掺杂比为Sn/In＝1/12。
5.制备权利要求1所述的染料敏化太阳能电池光阳极的方法，其特征在于：其具体步骤如下：
(1)向玻璃瓶中加入透明导电氧化物前驱体以及聚苯乙烯微球悬浊液和聚乙二醇，超声混合均匀；
(2)将上述混合物滴于氟掺杂二氧化锡导电玻璃上，形成透明导电氧化物膜，并使用透明胶带定义电极面积，得电极；
(3)所得电极在室温下过夜干燥后，煅烧除去聚苯乙烯微球模板，得到三维透明导电氧化物空心球电极；
(4)将所得三维透明导电氧化物空心球电极在氩气中进行热处理；
(5)采用原子层沉积方法在热处理后的三维透明导电氧化物空心球电极内表面和外表面各沉积一层20-30nm厚的薄层TiO2，之后，将电极迅速浸入染料中过夜，并采用乙醇润洗，最终在N2中干燥。
6.根据权利要求5所述的制备染料敏化太阳能电池光阳极的方法，其特征在于：所述的聚苯乙烯微球的直径为300-600nm；所述的聚乙二醇分子量为200-800。
7.根据权利要求5所述的制备染料敏化太阳能电池光阳极的方法，其特征在于：当所述的三维透明导电氧化物选自氟掺杂二氧化锡或铝掺杂氧化锌时，步骤(3)中的煅烧温度为450℃；当所述的三维透明导电氧化物选自锡掺杂氧化铟时，步骤(3)中的煅烧温度380℃。
8.根据权利要求5所述的制备染料敏化太阳能电池光阳极的方法，其特征在于：步骤(4)中的热处理温度为300℃，热处理时间为30分钟。
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| WO2010059749A1 (en) * | 2008-11-18 | 2010-05-27 | Cornell University | Carbon coated anode materials |
| CN102543456A (zh) * | 2011-12-23 | 2012-07-04 | 中国科学院过程工程研究所 | 染料敏化太阳能电池用氧化锌薄膜电极材料及其制备方法 |
| CN103474245A (zh) * | 2013-09-22 | 2013-12-25 | 中国科学院过程工程研究所 | 一种染料敏化太阳能电池用氧化锡薄膜电极材料及其制备方法 |
Non-Patent Citations (2)
| Title |
|---|
| Enhanced Electron Extraction from Template-Free 3D Nanoparticulate Transparent Conducting Oxide (TCO) Electrodes for Dye-Sensitized Solar Cells;Zhenzhen Yang, Shanmin Gao, Tao Li, Fa-Qian Liu, Yang Ren, Tao;<ACS Applied Materials & Interfaces>;20120726;全文 * |
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Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN104167293A (zh) | 2014-11-26 |
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