CN105304334B - 一种p-染料敏化太阳能电池光阴极材料的制备方法及应用 - Google Patents
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Abstract
本发明属于染料敏化太阳能电池技术领域，特别涉及一种p‑染料敏化太阳能电池光阴极材料的制备方法和应用。制备方法为：将NiCl2·6H2O和葡萄糖溶解在去离子水中，滴加氨水至溶液恰好出现沉淀为止，将溶液转移至水热釜中恒温反应，待反应结束后冷却，将沉淀物离心分离洗涤后烘干，空气中烧结得到双层氧化镍空心球材料。本发明的双层氧化镍空心球纳米材料用于p‑染料敏化太阳能电池展现了良好光电性能，同时其制备方法简便，具有应用前景。
Description
技术领域
本发明属于染料敏化太阳能电池技术领域，特别涉及一种p-染料敏化太阳能电池光阴极材料的制备方法和应用。
背景技术
n-染料敏化太阳能电池(DSSCs)由于低成本、易组装等特点受到了广泛的关注，转化效率已经超过12％，但距离商业化应用仍有很大的距离。n-染料敏化太阳能电池是光阳极吸附染料被敏化，为了进一步提高电池效率，可以让光阴极也被敏化，即pn-型染料敏化太阳能电池，其理论效率高达43％。n-型电池的制备工艺已经比较完善，因此，想要得到高性能的pn-型电池，关键是改善p-电池的性能。
p-染料敏化太阳能电池的核心部分是纳米晶半导体光阴极，它通常由纳米NiO多孔薄膜构成，是太阳能电池最重要部分。光阴极对太阳能电池光电性能起着重要的作用：如吸附染料，提供空穴传输的路径，以及保证充分的液相通道等。氧化镍材料的形貌和结构决定了光阴极的性能，而光阴极的性能又严重制约着电池的光电性能。目前所采用的光阴极氧化镍一般为颗粒状，光阴极的空穴传输速率、空穴传输寿命有待提高。
发明内容
本发明针对上述氧化镍颗粒存在的问题，制备了具有双层结构的氧化镍空心球，将该双层结构的空心球材料用作p-染料敏化太阳能电池光阴极半导体材料的时候，有效提高了空穴转移的速率和寿命，相应的电池性能得到提升。
本发明中具有双层结构的氧化镍空心球的制备方法为：
(1)将质量为1-5gNiCl2·6H2O和0.5-1.5g葡萄糖溶解在80ml去离子水中，
作为优选，NiCl2·6H2O的用量为3.12g，葡萄糖的用量为1.2g；
(2)然后向其中滴加氨水，
氨水的滴加量为，至溶液恰好出现沉淀为止；
(3)继续搅拌15分钟后，将上述溶液转移至水热釜中，在120-160℃烘箱中恒温反应6-24小时，
作为优选：水热反应温度为140℃，水热反应时间为12小时；
(4)待反应结束后取出水热釜自然冷却至室温，将沉淀物离心分离并用蒸馏水和乙醇反复洗涤后，于烘箱中60℃烘干，
其中，离心机转速为8000rpm/min，去离子水洗涤3次，无水乙醇洗涤1次；
(5)随后于空气中550℃烧结4h，得到双层氧化镍空心球材料。
本发明还提供了一种上述双层氧化镍空心球材料的应用，具体为：以双层氧化镍空心球材料为光阴极半导体材料，四羧基取代酞菁锌染料为光敏化剂，铂电极为对电极，与液体碘电解液组成p-染料敏化太阳能电池。
本发明的有益效果是：通过采用所述制备方法得到双层氧化镍空心球材料用作p-染料敏化太阳能电池光阴极半导体材料的时候，大幅避免了空穴在传输的时候被复合的风险，有效提高了空穴转移的速率和寿命；以本发明所述的双层氧化镍空心球材料为电池光阴极材料时，可以配合能级较低的染料组装成的p-染料敏化太阳能电池，在保障电池光电性能的基础上，大幅降低了电池的组装成本，具有成本低廉、光电转换效率高、制备工艺简单等优点。
附图说明
图1为实施例1制备的双层氧化镍空心球材料的透射电镜图片。
图2为实施例2、比较例1中的双层氧化镍空心球材料和实心氧化镍纳米颗粒分别组装成的太阳能电池的光电流-电压曲线。
具体实施方式
实施例1
(1)将质量为3.12gNiCl2·6H2O和1.2g葡萄糖溶解在80ml去离子水中；
(2)然后向其中滴加氨水，当恰好出现沉淀时停止滴加；
(3)继续搅拌15分钟后，将上述溶液转移至水热釜中，在140℃烘箱中恒温反应12小时；
(4)待反应结束后取出水热釜自然冷却至室温(25℃)，将反应后的分散液在转速为8000rpm/min的情况下进行离心，所得沉淀物分别用去离子水、无水乙醇各洗涤3次和1次，烘箱60℃烘干；
(5)随后空气中550℃烧结4h，得到双层氧化镍空心球材料。
实施例2
将0.5g实施例1制备得到的双层氧化镍空心球材料与0.5ml无水乙醇添加到研钵中，研磨成浆糊状，用玻璃棒将其均匀地涂在导电玻璃上，干燥后于450℃温度下烧结0.5h，然后在2×10-4mol/L的四羧基取代酞菁锌染料溶液中浸泡充分(24h)，制成光阴极；
以双层氧化镍空心球材料为光阴极半导体材料，以Pt电极为对电极，组装成太阳能电池，电解液为含0.5M LiI、0.05M I2和0.5M TBP(4-tert-butylpyridine)的乙腈溶液。检测电池的有效测试面积为0.25cm2。
比较例1
采用实心氧化镍纳米颗粒代替实施例2中的双层氧化镍空心球材料制备光阴极，并组装成太阳能电池，制备工艺和组装工艺同实施例2相同。
检测实验：
用太阳模拟器(氙灯，AM 1.5,100mW/cm2)和CIMPS-2电化学工作站测量实施例2和比较例1中电池的光伏性能。如图2和表1所示，双层氧化镍空心球材料电池的短路电流和开路电压明显高于氧化镍纳米颗粒，通过计算得到电池的光电转换效率，双层氧化镍空心球材料电池的转换效率为0.46％，明显高于颗粒电池的0.083％。
表1
| J<sub>sc</sub>(mA/cm<sup>2</sup>) | V<sub>oc</sub>(V) | η(℅) | |
| 颗粒 | 0.07 | 0.056 | 0.042 |
| 双层空心球 | 0.38 | 0.29 | 0.46 |
采用强度调制光电流谱和光电压谱测量电池的空穴传输动力学性能：强度调制光电流谱(IMPS)测试采用Zahner CIMPS-2操作系统，在短路情况下测定；强度调制光电压谱(IMVS)测试采用Zahner CIMPS-2操作系统，在开路情况下测定，光源由PP210驱动的波长为470nm的蓝色发光二极管提供，正弦扰动光强为直流光强的10％，频率范围从1000Hz到0.01Hz，通过计算得到电池的空穴传输时间和空穴寿命如表2所示：
表2
| τ<sub>d</sub>(ms) | τ<sub>n</sub>(ms) | |
| 颗粒 | 75.7 | 140.3 |
| 双层空心球 | 24.1 | 284.9 |
双层氧化镍空心球材料电池的空穴传输时间明显短于颗粒电池，表明空穴传输速率快；同时双层氧化镍空心球材料电池的空穴寿命还明显高于颗粒，为空穴的传输提供了充足的时间，以上结果表明双层氧化镍空心球材料具有优异的空穴传输动力学性能，空穴收集效率高，电池光电性能优良。
比较例2
采用实心氧化镍纳米小球材料代替实施例2中的双层氧化镍空心球材料(两者粒径相等)制备光阴极，并组装成太阳能电池，制备工艺和组装工艺同实施例2相同。
采用强度调制光电流谱和光电压谱测量电池的空穴传输动力学性能：强度调制光电流谱(IMPS)测试采用Zahner CIMPS-2操作系统，在短路情况下测定；强度调制光电压谱(IMVS)测试采用Zahner CIMPS-2操作系统，在开路情况下测定，光源由PP210驱动的波长为470nm的蓝色发光二极管提供，正弦扰动光强为直流光强的10％，频率范围从1000Hz到0.01Hz，通过计算得到电池的空穴传输时间和空穴寿命如表3所示：
表3
| τ<sub>d</sub>(ms) | τ<sub>n</sub>(ms) | |
| 实心纳米球 | 41.6 | 213.4 |
| 双层空心球 | 24.1 | 284.9 |
Claims (4)
1.一种具有双层结构的氧化镍空心球的应用，其特征在于：所述的应用为，以具有双层结构的氧化镍空心球为光阴极半导体材料、四羧基取代酞菁锌染料为光敏化剂、铂电极为对电极，与液体碘电解液组成p-染料敏化太阳能电池；
所述的具有双层结构的氧化镍空心球的制备方法为，
（1）将质量为1～5gNiCl2·6H2O 和0.5～1.5g 葡萄糖溶解在80ml 去离子水中；
（2）然后向其中滴加氨水；
（3）继续搅拌15 分钟后，将上述溶液转移至水热釜中，在120～160℃烘箱中恒温反应6～24 小时；
（4）待反应结束后取出水热釜自然冷却至室温，将沉淀物离心分离并用蒸馏水和乙醇反复洗涤后，于烘箱中60℃烘干；
（5）随后于空气中550℃烧结4h，得到双层氧化镍空心球材料；
所述氨水滴加量为，至溶液恰好出现沉淀为止。
2.如权利要求1 所述的具有双层结构的氧化镍空心球的应用，其特征在于：步骤（1）中，NiCl2·6H2O 的用量为3.12g，葡萄糖的用量为1.2g。
3.如权利要求 1 所述的具有双层结构的氧化镍空心球的应用，其特征在于：步骤（3）中，水热反应温度为140℃，水热反应时间为12 小时。
4.如权利要求1 所述的具有双层结构的氧化镍空心球的应用，其特征在于：步骤（4）中，离心分离时，离心机转速为8000r/min；离心分离后，用蒸馏水洗涤3次，无水乙醇洗涤1次。
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Application publication date: 20160203 Assignee: Senbiao Technology Services (Shandong) Co.,Ltd. Assignor: CHANGZHOU University Contract record no.: X2023980051006 Denomination of invention: Preparation method and application of a p-dye sensitized solar cell photocathode material Granted publication date: 20190125 License type: Common License Record date: 20231209 |
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