CN104319106A - 一种染料敏化太阳能电池用氧化钇包裹二氧化钛纳米粉体的制备方法 - Google Patents

一种染料敏化太阳能电池用氧化钇包裹二氧化钛纳米粉体的制备方法 Download PDF

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Abstract

一种染料敏化太阳能电池用氧化钇包裹二氧化钛纳米粉体的制备方法，属于纳米材料的制备与染料敏化太阳能电池(DSSC)领域。将硝酸钇(Y(NO3)3)作为钇源，三乙醇胺(TEOA)与去离子水的混合液为溶剂，与二氧化钛粉体利用溶剂热法经过两步保温处理，第一步在80-120℃保温12-30h，第二步升温至120-250℃保温60-240h；优选上述两步温度不同时为120℃。本发明实现了其组装DSSC光电转换效率的提高。

Description

一种染料敏化太阳能电池用氧化钇包裹二氧化钛纳米粉体的制备方法
技术领域
一种染料敏化太阳能电池用氧化钇包裹二氧化钛纳米粉体的制备方法，属于纳米材料的制备与染料敏化太阳能电池(DSSC)领域。
背景技术：
染料敏化太阳能电池(DSSC)由于其生产成本低、制备工艺简单和理论光电转换效率前景等诸多优点，被视为解决能源与环境问题的有效途径。作为染料敏化太阳能电池的核心部件，光阳极传输光生电子的能力将极大影响其光电转化效率。
纳米二氧化钛薄膜是组装染料敏化太阳能电池的最重要的光阳极之一，低的传输电阻和小的暗电流，成为高光电转换效率的决定因素。氧化钇作为发光材料的基体材料被广泛研究，但其应用于染料敏化太阳能电池鲜见报道，而包裹氧化钛应用于染料敏化太阳能电池中更是首次。氧化钇是一个宽禁带绝缘体(禁带宽度5.8eV)，而同时其电子迁移率远远高于氧化钛。基于此，氧化钇具备为氧化钛同时提供电子传输通道和阻挡层的作用。发明人前期采用离子掺杂与溶剂热相结合的方法制备了钇离子掺杂TiO2纳米颗粒(专利申请号：201410143834.8)，将染料敏化太阳电池的光电转化效率提升了20％。
发明内容
本发明的目的是进一步提高TiO2纳米颗粒的光电性能，而提供的一种氧化钇包覆TiO2纳米颗粒所形成的“壳核”纳米结构，本发明方法避免了常规“壳核结构”纳米粉体常见高温烧结环节，将染料敏化太阳电池的光电转化效率提升了49％，并大幅度减小染料敏化太阳能电池中光阳极与电解液中的传输电阻，并减小其暗电流。
氧化钇包裹二氧化钛纳米粉体。
本发明提供的氧化钇包裹二氧化钛纳米粉体的制备方法，其特征在于，包含以下步骤：以异丙醇钛(TTIP)为钛源制备二氧化钛粉体；然后将硝酸钇(Y(NO3)3)作为钇源，三乙醇胺(TEOA)与去离子水的混合液为溶剂，与二氧化钛粉体利用溶剂热法经过两步保温处理，第一步在80-120℃保温12-30h，第二步升温至140-250℃保温60-240h；优选上述第二步合成温度为140-180℃，保温时间为72-158h。以上两个保温步骤采用更长的时间对本发明没有太大的影响。
本发明的制备方法进一步优选，以下步骤：20ml异丙醇钛(TTIP)缓慢滴加到100ml去离子水中，并充分搅拌；所得沉淀去离子水清洗、抽滤，并在空气中30-90℃烘干，马弗炉400-500℃煅烧；得到二氧化钛粉体。
二氧化钛粉体加入三乙醇胺(TEOA)与去离子水体积比为(0.1-0.6):1的溶剂中，使得二氧化钛的物质的量浓度为0.01M-5M、硝酸钇在溶剂中的物质的量浓度为0.1mM–0.5M；并使得硝酸钇与TiO2的摩尔比为0.01-0.1。
取上述氧化钇包裹TiO2纳米粉制备光阳极，经过封装处理制备出染料敏化太阳能电池。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
Y2O3具有高的导电性、好的热稳定性、强的吸附能力和宽禁带宽度等诸多优点，采用Y2O3包裹TiO2，不仅能提高光阳极电子迁移率，并且由于Y2O3禁带宽度为5.8eV，而TiO2为3.2eV，将在TiO2表面形成势垒，减少暗电流，有利于提高DSSC电池光电转换效率。本发明采用溶剂热法制备的Y2O3包裹TiO2纳米颗粒，应用于DSSC实现了49％光电转换效率提升，器件的光电转化效率高达8.08％。
采用氧化钇包裹与溶剂热处理相结合，制备出氧化钇包裹TiO2纳米粉，与常规的二氧化钛纳米颗粒相比，化学稳定性、热稳定性和电子迁移率都得到了提升，应用于DSSC中，实现了其组装DSSC光电转换效率的提高。
附图说明
图1：氧化钇包裹二氧化钛(实施例3)透射电镜图
图2：纯二氧化钛与氧化钇包裹二氧化钛作为光阳极制备的染料敏化电池的I-V曲线。
具体实施方式
下面通过实施例结合附图进一步描述本发明，其目的在于更好地理解本发明的内容，而不是对本发明的限制。
实施例1：
取5M TiO2、10ml TEOA、80ml去离子水与0.45M的六水合硝酸钇，将此混合液放入高压釜中。经过两步保温处理，第一步在80℃保温12h，然后升温到180℃保温220h，冷却后取出氧化钇包裹TiO2纳米粉，用乙醇与去离子水冲洗抽滤，烘干。冷却至室温，氧化钇包裹TiO2纳米粉制备完成。取氧化钇包裹TiO2纳米粉制备成光阳极，经过封装处理制备出氧化钇包裹TiO2染料敏化太阳能电池。
实施例2：
取3M TiO2、200ml TEOA、600ml去离子水与0.3M的六水合硝酸钇，将此混合液放入高压釜中。经过两步保温处理，第一步在90℃保温20h，然后升温到150℃保温180h，冷却后取出氧化钇包裹TiO2纳米粉，用乙醇与去离子水冲洗抽滤，烘干。冷却至室温，氧化钇包裹TiO2纳米粉制备完成。取氧化钇包裹TiO2纳米粉制备成光阳极，经过封装处理制备出氧化钇包裹TiO2染料敏化太阳能电池。
实施例3：
取0.5M TiO2、8ml TEOA、43ml去离子水与0.01M的六水合硝酸钇，将此混合液放入高压釜中。经过两步保温处理，第一步在100℃保温24h，然后升温到140℃保温72h，冷却后取出氧化钇包裹TiO2纳米粉，用乙醇与去离子水冲洗抽滤，烘干。冷却至室温，氧化钇包裹TiO2纳米粉制备完成。取氧化钇包裹TiO2纳米粉制备成光阳极，经过封装处理制备出氧化钇包裹TiO2染料敏化太阳能电池。
实施例4：
取0.6M TiO2、100ml TEOA、200ml去离子水与0.01M的六水合硝酸钇，将此混合液放入高压釜中。经过两步保温处理，第一步在110℃保温26h，然后升温到250℃保温60h，冷却后取出氧化钇包裹TiO2纳米粉，用乙醇与去离子水冲洗抽滤，烘干。冷却至室温，氧化钇包裹TiO2纳米粉制备完成。取氧化钇包裹TiO2纳米粉制备成光阳极，经过封装处理制备出氧化钇包裹TiO2染料敏化太阳能电池。
实施例5：
取0.3M TiO2、22ml TEOA、55ml去离子水与0.15M的四水合硝酸钇，将此混合液放入高压釜中。经过两步保温处理，第一步在120℃保温30h，然后升温到160℃保温80h，冷却后取出氧化钇包裹TiO2纳米粉，用乙醇与去离子水冲洗抽滤，烘干。冷却至室温，氧化钇包裹TiO2纳米粉制备完成。取氧化钇包裹TiO2纳米粉制备成光阳极，经过封装处理制备出氧化钇包裹TiO2染料敏化太阳能电池。
附表：
表1实验参数列表
表2I-V测试结果

Claims (9)

1.一种氧化钇包裹二氧化钛的纳米粉体。
2.氧化钇包裹二氧化钛纳米粉体的制备方法，其特征在于，包含以下步骤：以异丙醇钛(TTIP)为钛源制备二氧化钛粉体；然后将硝酸钇(Y(NO3)3)作为钇源，三乙醇胺(TEOA)与去离子水的混合液为溶剂，与二氧化钛粉体利用溶剂热法经过两步保温处理，第一步在80-120℃保温12-30h，第二步升温至120-250℃保温60-240h。
3.按照权利要求2的方法，其特征在于，两步保温处理的温度不同时为120℃。
4.按照权利要求2的方法，其特征在于，二氧化钛粉体的制备：异丙醇钛(TTIP)缓慢滴加到去离子水中，TTIP与去离子水的体积比为(0.01-0.6)：1，并充分搅拌；所得沉淀去离子水清洗、抽滤，并在空气中30-90℃烘干，马弗炉400-500℃煅烧。
5.按照权利要求2的方法，其特征在于，二氧化钛粉体加入去离子水与三乙醇胺中，并充分搅拌，使得二氧化钛的物质的量浓度为0.01M-5M。
6.按照权利要求2的方法，其特征在于，溶剂TEOA与去离子水的体积比为(0.1-3)：1。
7.按照权利要求2的方法，其特征在于，硝酸钇在三乙醇胺(TEOA)与去离子水的混合液中的物质的量浓度为0.1mM–0.5M。
8.氧化钇包裹TiO2纳米颗粒用于染料敏化太阳能电池。
9.氧化钇包裹TiO2纳米颗粒用于染料敏化太阳能电池的光阳极。
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