CN105131021A - 一种染料敏化太阳能电池多酸共敏化剂及制备方法 - Google Patents

一种染料敏化太阳能电池多酸共敏化剂及制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种染料敏化太阳能电池多酸共敏化剂及制备方法，提供了一种新的多酸化合物，分子式为：C48H40Cu2N8O23V2W4；结构式为：[Cu(C12H8N2)2]2[V2W4O19]·4H2O；分子量为：2061.24；本发明合成工艺简单，环保安全，该多酸化合物可用于染料敏化太阳能电池共敏化剂，与单独的N719敏化相比，将太阳能电池的光电转换效率提高了21%以上，为解决能源问题提供了一种新的途径。

Description

一种染料敏化太阳能电池多酸共敏化剂及制备方法
技术领域
本发明公开一种染料敏化太阳能电池多酸共敏化剂，同时还提供了其制备方法，属于化学合成技术领域。
背景技术
光敏剂作为染料敏化太阳能电池(英文简写为DSSC)的重要组成部分,在光电转换效率方面起着至关重要的作用。目前为止光敏剂主要采用羧酸吡啶钌类化合物，然而它们在可见区吸收较窄，限制了可见区的光子捕获，阻碍了DSSC光电转换效率的提高。因此研究全光谱敏化剂或共敏化剂至关重要。多酸（英文简写为POMs）可与有机基团结合改变多酸电子特征和氧化还原性质，扩大多酸的光谱吸收范围。此外，通过改变多酸的组成可以改变多酸的能级结构，使得多酸作为染料敏化太阳能电池的光敏剂成为可能，为充分利用太阳光，进而解决能源问题提供一种新途径。
发明内容
本发明公开的一种多酸化合物，为一种新的化合物。
本发明公开的一种多酸化合物的制备方法，适用于工业化生产。
本发明所述的一种多酸化合物在染料敏化太阳能电池共敏化剂中的用途。
本发明所述的一种多酸化合物，其特征在于：
分子式为：C48H40Cu2N8O23V2W4；结构式为：[Cu(C12H8N2)2]2[V2W4O19]·4H2O；分子量为：2061.24；晶体数据如表1所示：
本发明公开的一种多酸化合物的制备方法，包括以下步骤：
按摩尔比约为18:1:1:1.37:10000将Na2WO4•2H2O、CuCl2•2H2O、1,10-邻菲罗啉、NH4VO3、蒸馏水混合于烧杯中，在室温下搅拌0.5~1.0小时，pH为8.1~8.5；然后把上述溶液转移到反应釜中，在150~160℃下加热100~140小时，然后以每小时5℃缓慢降温到室温；分离出绿色块状晶体并用蒸馏水洗涤，即得（以下简称：化合物1），多酸化合物单晶结构如图1所示。
本发明的积极效果在于：提供了一种新的多酸化合物及制备方法，合成工艺简单，环保安全，该多酸化合物可用于染料敏化太阳能电池共敏化剂，与单独的N719敏化相比，将太阳能电池的光电转换效率提高了21%以上，为解决能源问题提供了一种新的途径。
附图说明
图1为本多酸化合物单晶结构图；
图2为实施例1多酸化合物红外谱图；
图3为实施例2多酸化合物红外谱图；
图4为实施例3多酸化合物红外谱图；
图5为电池性能曲线图；
其中，图5（a）在AM1.5 100mW cm -2光照条件下N719单独敏化的（黑线）和1/N719共敏的(红线)DSSCs的电流-电压线。插图是在黑暗条件；（b）能奎斯特曲线；（c）Bode曲线；（d）OCVD曲线，插图是基于N719（黑线）和1/N719共敏化（红线）DSSC的电子寿命图。
具体实施方式：
为了使本发明的目的和技术方案及优点更加清楚，本发明用以下具体实施例进行说明，但是本发明并不局限于这些例子。
实施例 1
按摩尔比为18:1:1:1.37:10000将Na2WO4•2H2O、CuCl2•2H2O、1,10-邻菲罗啉、NH4VO3、蒸馏水混合于烧杯中，在室温下搅拌0.5小时，pH为8.3；然后把上述溶液转移到反应釜中，在155℃下加热135小时，然后以每小时5℃缓慢降温到室温；分离出绿色块状晶体并用蒸馏水洗涤，即得（以下简称：化合物1）。其谱图如图2，多酸化合物单晶结构见图1。
实施例 2
按摩尔比为18:1:1:1.37:10000将Na2WO4•2H2O、CuCl2•2H2O、1,10-邻菲罗啉、NH4VO3、蒸馏水混合于烧杯中，在室温下搅拌1.0小时，pH为8.1；然后把上述溶液转移到反应釜中，在150℃下加热100小时，然后以每小时5℃缓慢降温到室温；分离出绿色块状晶体并用蒸馏水洗涤，即得（以下简称：化合物1）。其谱图如图3，多酸化合物单晶结构见图1。
实施例 3
按摩尔比为18:1:1:1.37:10000将Na2WO4•2H2O、CuCl2•2H2O、1,10-邻菲罗啉、NH4VO3、蒸馏水混合于烧杯中，在室温下搅拌1.0小时，pH为8.5；然后把上述溶液转移到反应釜中，在160℃下加热140小时，然后以每小时5℃缓慢降温到室温；分离出绿色的单晶并用蒸馏水洗涤，即得（以下简称：化合物1）。其谱图如图4，多酸化合物单晶结构见图1。
实施例 4
多酸共敏化太阳能电池的制备
5 mL钛酸异丙酯（TTIP）滴入到3 mL正丁醇中；在另一个烧杯中 0.05 g化合物1 （实施例 1 ）分散于6 mL水中，超声半个小时；在强力搅拌下，缓慢滴入TTIP的正丁醇溶液中；浑浊液体在45℃和80°C条件下分别加热搅拌约3小时,直到形成水凝胶；最后转移到45°C真空干燥箱加热3h，在80°C继续加热3h直至形成固体；最终得到的绿色的粉末，即为光阳极的前躯体。
然后探究了不同质量比的多酸与二氧化钛复合（简称1@TiO2/nP25）和N719共同敏化后光电转换效率与只有N719敏化的纯TiO2电池（简称N719）进行对比。根据文献制备掺杂不同质量比多酸的二氧化钛浆料，光阳极用丝网印刷方法在FTO上印制，导电玻璃在120°C加热5分钟使过多的乙醇蒸发，这样就形成一层薄膜。重复操作四次，最终形成面积为0.1 cm2厚度约为8-12 μm的薄膜。然后在高温马弗炉中进行煅烧(275°C和300°C条件下各5分钟，320°C下30分钟，然后自然降温)。FTO浸泡在70°C 40 mmol TiCl4溶液中半小时，最终仍按照上述的程序进行高温煅烧。掺杂多酸的TiO2光阳极在N719（0.3mM）的乙醇溶液中敏化24小时。用乙醇冲洗掉表面附着的多余的N719，用N2吹干。Pt电极作为对电极，电解质[0.6MDMPII, 0.05M I2, 0.1M LiI and 0.5M TBP 的乙腈–戊腈溶液(85: 15, V/V)]。同理，不加多酸的纯TiO2光阳极也在N719中浸泡24小时，作为对比实验，结果见表2。
表 2 不同电池的性能参数
可以看出1@TiO2/19P25的光电转换效率为7.05%，高于其他比例的以及纯TiO2的光电效率。这说明加入多酸后与N719共敏化，从而提高各个参数。
选择效率最高的1@TiO2/19P25和N719共敏的电池（简称1/N719），与只有N719敏化的纯TiO2电池（简称N719）进行一系列测试。图5a中显示在光照条件下，共敏的电池效率高于单独N719敏化的。插图显示了在黑暗中电流电压特性，从图看出，加入多酸后，暗电流变小，这可能是由于多酸的加入阻止电子回传到电解质或者染料，从而使得更多的电子传到外电路。图5b显示了1和N719共同敏化和单独N719敏化的电化学阻抗结果。图5b显示了两个半圆形曲线，分别对应着对电极和电解质界面的电荷转移电阻（R1）和TiO2-染料-电解质界面的电荷转移电阻（R2）。1/N719和N719敏化的R1大小基本没区别，这主要是由于在实验中使用的对电极和电解质是一样的，所以电阻基本一致。而相比于N719单独敏化的电池，1/N719电池有着较大的R2，R2的增大意味着电子复合的阻抗大，这样有助于提升电池的整体性能。图5c是DSSC的相位-频率图，1/N719在中频区的特征峰向低频区移动。峰值向低频移动意味着电子传输的更加迅速。图5d是电池的开路电压衰减测试，其中电子寿命可以根据τ e =(kT/e)×(dV/dt)−1计算出变化趋势。由图可知，1/N719共同敏化的电池显示出电压衰减更慢，这就意味着电子重组的速率变小。
结论：本发明合成并表征了一种新型的V取代的同多钨酸盐有机无机杂化材料 [Cu(C12H8N2)2]2[V2W4O19]·4H2O（1）。制备了1/N719共同敏化的太阳能电池来探究化合物1与 N719的协同作用。结果证明多酸与二氧化钛以1:19的比例混合作为光阳极时，与N719共同敏化的光电转换效率最高，高于单独用N719敏化的电池效率。这对于染料敏化太阳能电池效率的提高有着重大的意义，为今后充分利用太阳光提供一种新办法，进而解决能源问题。

Claims (3)

1. 一种多酸化合物，其特征在于：
分子式为：C48H40Cu2N8O23V2W4；结构式为：[Cu(C12H8N2)2]2[V2W4O19]·4H2O；分子量为：2061.24。
2. 权利要求1所述的一种多酸化合物的制备方法，包括以下步骤：
按摩尔比为18:1:1:1.37:10000将Na2WO4•2H2O、CuCl2•2H2O、1,10-邻菲罗啉、NH4VO3、蒸馏水混合于烧杯中，在室温下搅拌0.5~1.0小时，pH为8.1~8.5；然后把上述溶液转移到反应釜中，在150~160℃下加热100~140小时，然后以每小时5℃缓慢降温到室温，分离出绿色块状晶体并用蒸馏水洗涤，即得。
3. 权利要求1所述的一种多酸化合物在染料敏化太阳能电池共敏化剂中的用途。
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