CN106340390A - 一种电子点和钌染料复合敏化的太阳能电池及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于太阳能电池领域，具体为一种电子点和染料复合敏化的太阳能电池，所述电子点和染料复合敏化的太阳能电池自上而下依次由以下部件组成：上端FTO玻璃(1)，对电极(6)，电解质溶液(5)，正钛酸锌纳米晶薄膜(2)，下端FTO玻璃(1)；其中正钛酸锌纳米晶薄膜(2)与电解质溶液(5)接触的表面还包括电子点(3)和染料(4)；所述下端FTO玻璃(1)与对电极(6)通过带有电阻的导线(7)连接；所述电子点(3)为硫化铅电子点，所述染料(4)为N719钌染料。本发明电子点和染料复合敏化的太阳能电池结构简单，且电池光电性能好。
Description
技术领域
本发明属于太阳能电池技术领域，更具体涉及一种电子点和钌染料复合敏化的太阳能电池及其制备方法。
背景技术
上世纪90年代瑞士科学家用廉价的宽带隙氧化物半导体制备成具有多孔高比表面的纳米晶薄膜，以吸附羧酸联吡啶Ru(Ⅱ)的配合物为敏化剂，用含I-/I3-氧化物为电解质，制成染料敏化纳米晶太阳能电池(DSSC)且取得约为7.1％～7.9％的光电转换效率。此后，由于电池制作过程简单、成本低廉、稳定性好、无污染和较高光电转换效率等优点引起了研究者的广泛兴趣。但是由于单一染料敏化吸收光谱的限制，很难与太阳光的发射光谱相匹配，为了达到最佳效果，集结各种敏化的优点，复合敏化提高对太阳光的吸收成为DSSC研究的重点之一。正钛酸锌纳米晶半导体的禁带宽为3.29eV，它具有优良的介电性能，光学性能,光催化和在太阳能电池方面具有广泛的应用。到目前为止,有文献报道用天然染料敏化正钛酸锌纳米晶太阳能电池光电转化效率很低，但是还未有染料和电子点复合敏化正钛酸锌纳米晶太阳能电池相关专利报道。
发明内容
本发明提供一种电子点和染料复合敏化的太阳能电池及其制备方法，该太阳能电池制备方法简单，所制备的电池光电性能好。
根据本发明的第一个方面，本发明提供了一种电子点和染料复合敏化的太阳能电池，一种电子点和染料复合敏化的太阳能电池，所述电子点和染料复合敏化的太阳能电池自上而下依次由以下部件组成：上端FTO玻璃、对电极、电解质溶液、正钛酸锌纳米晶薄膜和下端FTO玻璃；其中正钛酸锌纳米晶薄膜与电解质溶液接触的表面还包括电子点和染料；所述下端FTO玻璃与对电极通过带有电阻的导线连接；
所述电子点为硫化铅电子点，所述染料为N719钌染料；
所述正钛酸锌纳米晶薄膜中的正钛酸锌粒径小于200nm；
根据本发明的另一个方面，本发明提供了一种电子点和染料复合敏化太阳能电池的制备方法，具体步骤为：
(1)正钛酸锌纳米晶薄膜的制备：胶体的配制：①用钛酸丁酯、二乙醇胺、去离子水和无水乙醇配制成透明溶胶Ⅰ。②用二水合醋酸锌为反应前驱体，乙醇胺为稳定剂，乙二醇甲醚为溶剂；按乙醇胺与锌离子的摩尔比为1∶1的比例配制Zn2+浓度为0.5mol/l的溶胶Ⅱ；③分别量取一定体积的溶胶Ⅰ和Ⅱ，按Zn与Ti的摩尔比2：1进行混合，并磁力搅拌使之混合均匀，再加入适量的表面活性剂聚乙二醇PEG400，并搅拌均匀，陈化24小时，得到胶体Ⅲ；
电极的制备：将已清洗过的1.5cm×2cm导FTO电玻璃(在400-700nm透光率大于90％，方块电阻14Ω/□)不导电的背面及导电面的边缘用胶带封上并固定在涂膜机上；取制备好的胶体Ⅲ滴于导电玻璃上，用旋涂成膜法在导电面上涂均匀；将涂覆好胶体的FTO在恒温干燥箱中80℃干燥10min，重复涂膜以控制膜厚，镀完最后一层后，干燥30min；撕下胶带，放入箱式电阻炉中，以5℃/min升温速度升温到230℃后保温60min，然后再升温到450～550℃，恒温烧结30～60min，即制备成正钛酸锌纳米晶薄膜电极。
优选的所述透明溶胶Ⅰ中，按体积比计钛酸丁酯：二乙醇胺：去离子水：无水乙醇＝2:1:1.5:12。
(2)染料和量子点敏化正钛酸锌薄膜电极的制备：将上述制备好的正钛酸锌纳米晶薄膜电极，在120℃下干燥60min，冷却至80℃后，浸入溶液浓度为0.1-0.2M PH值为5的醋酸铅水溶液中浸泡1～10min，使Pb2+进入电极纳米孔内，然后用二次蒸馏水冲洗，再将含有Pb2+的电极浸入溶液浓度为0.1-0.2M，PH值为8的Na2S水溶液中浸泡1～10min后取出，沉积温度15-25℃，用二次蒸馏水冲洗电极表面，吹干；在80℃烘箱内干燥30min，循环处理10-25次，从浸入醋酸铅水溶液中浸泡1～10min工序开始至在80℃烘箱内干燥30min工序结束，即制成了Q-PbS电子点敏化的正钛酸锌电极；将电子点敏化过的电极浸入到0.3～0.5M的染料N719乙醇溶液中，室温浸泡10～24小时，晾干，即制成了复合敏化过的电极；
(3)太阳能电池的组装：用碳酸丙烯酯为溶剂配制0.5mol/lKI+0.05mol/lI2的电解质溶液，用一块1.cm×1cm的喷金的FTO玻片为对电极，用复合敏化过正钛酸锌电极为光阳极，有效面积为0.8cm2，将两电极夹在一起，注入电解质，组装成敏化太阳能电池(DSSC)，从两极引出导线，组成电子点和染料复合敏化的太阳能电池。
本发明的显著优点是：本发明利用的正钛酸锌纳米晶是一种很好的半导体材料，小粒径的正钛酸锌纳米晶制备过程简单，纯度高，较大的比表面能吸附更多的电子点和染料，增加了光的利用率。同时本发明首次提供了一种电子点和钌染料敏化正钛酸锌纳米晶的太阳能电池及制备方法，制备方法简单，具良好的光电性能。
本发明中N719钌染料是指二-四丁铵-双(异硫氰基)双(2,2'-联吡啶-4,4'-二羧基)钌；FTO是指掺杂氟的SnO2透明导电玻璃。
本发明中的Zn2TiO4是按照本发明制备正钛酸锌纳米晶薄膜电极的制备方法制备的；Q-PbS是按照本发明中制备染料和量子点敏化的正钛酸锌薄膜电极的制备方法中制备的。
附图说明
图1是本发明的三明治结构的敏化太阳能电池示意图，自上而下依次由以下部件组成：FTO玻璃-1、正钛酸锌纳米晶薄膜-2、电子点-3、染料-4、电解质溶液-5、对电极-6、带有电阻的导线7。
图2是本发明制备的正钛酸锌纳米晶薄膜电极的SEM图片。
图3是不同敏化正钛酸锌纳米晶电极的可见光吸收光谱。
图4不同敏化正钛酸锌纳米晶薄膜太阳能电池曲线。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实施方式，对本发明进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。
实施例
一种电子点和染料复合敏化的太阳能电池自上而下依次由以下部件组成：上端FTO玻璃1；对电极6；电解质溶液5；正钛酸锌纳米晶薄膜2；下端FTO玻璃1；其中正钛酸锌纳米晶薄膜2与电解质溶液5接触的表面还包括电子点3和染料4；所述下端FTO玻璃1与对电极6通过带有电阻的导线7连接；
所述电子点3为硫化铅电子点，所述染料4为N719钌染料；
所述正钛酸锌纳米晶薄膜中的正钛酸锌粒径小于200nm；
该太阳能电池的制备方法的具体步骤为：
(1)正钛酸锌纳米晶薄膜的制备：胶体的配制：①用钛酸丁酯、二乙醇胺、去离子水和无水乙醇，按体积比2:1:1.5:12的比例配制成透明溶胶Ⅰ。②用二水合醋酸锌为反应前驱体，乙醇胺为稳定剂，乙二醇甲醚为溶剂。按乙醇胺与锌离子的摩尔比为1∶1的比例配制Zn2+浓度为0.5mol/l的溶胶Ⅱ。③用量筒分别量取一定体积的溶胶Ⅰ和Ⅱ，按Zn与Ti的摩尔比2：1进行混合，并磁力搅拌使之混合均匀，再加入适量的表面活性剂聚乙二醇PEG400，并搅拌均匀，陈化24小时，得到胶体Ⅲ，即为所需胶体。
电极的制备：将已清洗过的1.5cm×2cm导电玻璃FTO(在400-700nm透光率大于90％，方块电阻14Ω/□)不导电的背面及导电面的边缘用胶带封上并固定在涂膜机上；取制备好的胶体Ⅲ滴于导电玻璃上，用旋涂成膜法在导电面上涂均匀；将涂覆好胶体的FTO在恒温干燥箱中80℃干燥10min，重复涂膜以控制膜厚，镀完最后一层后，干燥30min；撕下胶带，放入箱式电阻炉中，以5℃/min升温速度升温到230℃后，保温60min，然后再升温到450～550℃，恒温烧结30～60min，即制备成正钛酸锌纳米晶薄膜电极。
(2)染料和量子点敏化正钛酸锌薄膜电极的制备：将上述制备好的正钛酸锌薄膜电极，在120℃下干燥60min，冷却至80℃后，浸入溶液浓度为0.1-0.2M，PH值为5的醋酸铅水溶液中浸泡1～10min，使Pb2+进入电极纳米孔内，然后用二次蒸馏水冲洗，再将含有Pb2+的电极浸入溶液浓度为0.1-0.2M，PH值为8的Na2S水溶液中浸泡1～10min后取出，沉积温度15-25℃，用二次蒸馏水冲洗电极表面，吹干。在80℃烘箱内干燥30min，循环周期为10-25次，即制成了Q-PbS电子点敏化的正钛酸锌电极。将电子点敏化过的电极浸入到0.3～0.5M的染料N719乙醇溶液中，室温浸泡10～24小时，晾干，即制成了复合敏化过的电极。
(3)太阳能电池的组装：用碳酸丙烯酯为溶剂配制0.5mol/lKI+0.05mol/lI2的电解质溶液，用一块1.cm×1cm的喷金的FTO玻片为对电极，用复合敏化过正钛酸锌电极为光阳极，有效面积为0.8cm2，将两电极夹在一起，注入电解质，组装成敏化太阳能电池(DSSC)，从两极引出导线，组成三明治结构的染料敏化太阳能电池。
所使用的液态电解质溶液采用常规的染料敏化太阳能电池电解质溶液。
性能表征：
图2是Zn2TiO4纳米晶薄膜SEM照片，Zn2TiO4纳米晶颗粒基本呈球形，粒径小于200nm，大多在80nm左右，表面粗糙，颗粒之间还存在很多的孔隙，这增大了颗粒的表面积，有利于把更多的量子点和染料吸附到Zn2TiO4纳米晶孔隙上。
图3是Zn2TiO4+N719，Zn2TiO4+Q-PbS，Zn2TiO4+Q-PbS+N719薄膜电极的UV-vis吸收光谱，从图可知染料N719和Q-PbS敏化的Zn2TiO4纳米晶薄膜电极的吸收边出现红移，这可能是由于染料分子与Zn2TiO4纳米晶的表面态相互作用，分子能级轨道进行能量交换，电子跃迁所需能量减少，从而使Zn2TiO4纳米晶薄膜的吸收光谱被扩展到了可见光区。另一方面，可能是由于PbS量子点在Zn2TiO4纳米晶电极的纳米孔中形成，此时的PbS是纳米粒子，与Zn2TiO4纳米紧密接触，由于量子尺寸效应的结果，使得PbS纳米粒子的导带与Zn2TiO4导带位置相匹,在较长波长光激发下PbS纳米粒子导带上产生的电子可注入到Zn2TiO4的导带上，从而起到敏化作用。由于染料和量子点的复合敏化作用，复合敏化的薄膜电极与单一敏化形成的薄膜电极相比，发现不仅吸收区域拓展到可见光区，而且吸收强度也显著的增加，吸收效果最好。(Zn2TiO4+Q-PbS+N719代表本发明的电子点和染料复合敏化的太阳能电池；Zn2TiO4+N719与本发明的电子点和染料复合敏化的太阳能电池相比不添加硫化铅电子点，其余原料和制备方法与本发明均一致；Zn2TiO4+Q-PbS与本发明的电子点和染料复合敏化的太阳能电池相比不添加染料N719，其余原料和制备方法与本发明均一致)。
图4是不同敏化组成太阳能电池的工作曲线，根据曲线计算出开路电压(Voc)、短路电流(Jsc)、填充因子(FF)和转换效率(η)的数值见表1。
表1不同敏化组成太阳能电池的工作曲线
从表中可知，复合敏化光阳极比单一敏化光阳极组装成的太阳能电池的Voc、Jsc、FF和η都有所提高。这是因为除了量子点和染料分子的复合敏化，电极的光响应范扩展到了可见光区，提高了可见光的利用率；吸附了PbS纳米粒子的N719分子，在光照下，有激发态迅速注入到PbS纳米粒子的导带，电子可由PbS纳米的导带注入到Zn2TiO4电极的导带防止光注人到电极导带的电子反向转移，加快了电荷分离，减少了电子-空穴的复合外，因此提高了电子光电转换效率。复合敏化的开路电压0.65V，短路电流密度为3.3mA.cm2，填充因子77％，转换效率1.61％均为最大值，这比单一敏化的转换效率增大了80％。
尽管已经详细描述了本发明的实施方式，但是应该理解的是，在不偏离本发明的精神和范围的情况下，可以对本发明的实施方式做出各种改变、替换和变更。
Claims (7)
1.一种电子点和染料复合敏化的太阳能电池，所述电子点和染料复合敏化的太阳能电池自上而下依次由以下部件组成：上端FTO玻璃(1)、对电极(6)，电解质溶液(5)、正钛酸锌纳米晶薄膜(2)和下端FTO玻璃(1)；其中正钛酸锌纳米晶薄膜(2)与电解质溶液(5)接触的表面还包括电子点(3)和染料(4)；所述下端FTO玻璃(1)与对电极(6)通过带有电阻的导线(7)连接；所述电子点(3)为硫化铅电子点，所述染料(4)为N719钌染料。
2.根据权利要求1所述的电子点和染料复合敏化的太阳能电池，其特征在于：正钛酸锌纳米晶薄膜中的正钛酸锌粒径小于200nm。
3.一种权利要求1或2所述的电子点和钌染料复合敏化的太阳能电池的制备方法，其特征在于：制备方法步骤如下：
(1)正钛酸锌纳米晶薄膜电极的制备，包括胶体的制备和电极的制备：其中胶体的由以下步骤制备所得；
①用钛酸丁酯、二乙醇胺、去离子水和无水乙醇配制成透明溶胶Ⅰ；
②用二水合醋酸锌为反应前驱体，乙醇胺为稳定剂，乙二醇甲醚为溶剂；按乙醇胺与锌离子的摩尔比为1∶1的比例配制Zn2+浓度为0.5mol/l的溶胶Ⅱ；
③取溶胶Ⅰ和Ⅱ，按Zn与Ti的摩尔比2：1进行混合，并磁力搅拌使之混合均匀，再加入表面活性剂聚乙二醇PEG400，并搅拌均匀，陈化12小时，得到胶体Ⅲ；
其中电极由以下步骤制备：
取制备好的胶体Ⅲ滴于FTO导电玻璃上，用旋涂成膜法在导电面上涂均匀；将涂覆好胶体的FTO在恒温干燥箱中80℃干燥10min，重复涂膜15次以控制膜厚，干燥30min；放入箱式电阻炉中，升温到230℃后，保温60min，然后再升温到450～550℃，恒温烧结30～60min，即制备成正钛酸锌纳米晶薄膜电极；
(2)染料和量子点敏化的正钛酸锌薄膜电极的制备：
将上述制备好的正钛酸锌纳米晶薄膜电极，在120℃下干燥60min，冷却至80℃后，浸入醋酸铅水溶液中浸泡1～10min，使Pb2+进入电极纳米孔内，然后用二次蒸馏水冲洗，再将含有Pb2+的电极浸入Na2S水溶液中浸泡1～10min后取出，沉积温度15-25℃，用二次蒸馏水冲洗电极表面，吹干，在80℃烘箱内干燥30min；循环处理10-25次，从浸入醋酸铅水溶液中浸泡1～10min工序开始至在80℃烘箱内干燥30min工序结束，即制成了硫化铅电子点敏化的正钛酸锌电极；将硫化铅电子点敏化过的正钛酸锌电极浸入到N719钌染料乙醇溶液中，室温浸泡10～24小时，晾干，即制成了染料和量子点敏化的正钛酸锌薄膜电极；
(3)太阳能电池的组装：配制KI和I2的电解质溶液，用一块喷金的FTO玻片为对电极，用步骤(2)制备的染料和量子点敏化的正钛酸锌薄膜电极为光阳极，将两电极夹在一起，注入电解质，组装成敏化太阳能电池，从两极引出导线，组成电子点和钌染料复合敏化的太阳能电池。
4.根据权利要求3所述的一种电子点和钌染料复合敏化的太阳能电池的制备方法，其特征在于：所述透明溶胶Ⅰ中，按体积比计钛酸丁酯：二乙醇胺：去离子水：无水乙醇＝2:1:1.5:12。
5.根据权利要求3所述的一种电子点和钌染料复合敏化的太阳能电池的制备方法，其特征在于：步骤(2)中所述醋酸铅水溶液中醋酸铅浓度为0.1～0.2M，pH为5；Na2S水溶液中Na2S浓度为0.1～0.2M，pH值为8。
6.根据权利要求3所述的一种电子点和钌染料复合敏化的太阳能电池的制备方法，其特征在于：步骤(2)中所述N719钌染料乙醇溶液中N719钌染料浓度为0.3～0.8M。
7.根据权利要求3所述的一种电子点和钌染料复合敏化的太阳能电池的制备方法，其特征在于：步骤(3)中所述电解质溶液由碳酸丙烯酯为溶剂配制所得，其中KI浓度为0.5mol/l，I2浓度为0.05mol/l。
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