CN106449120B - 一种红外染料级联敏化的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
一种红外染料级联敏化的染料敏化太阳能电池光阳极及其制备方法，本发明涉及太阳能电池光阳极材料及其制备方法。它是要解决现有上转换基染料敏化太阳能电池的窄带弱吸收红外波段太阳光的技术问题。本发明的染料敏化太阳能电池光阳极由FTO导电玻璃基板、负载N719染料的二氧化钛层和IR783红外染料敏化的NaYF4:Yb/Er@NaYF4:Nd层组成。制法：先在FTO导电玻璃基板上制备二氧化钛层，然后浸渍N719染料，然后再浸渍在敏化NaYF4:Yb/Er@NaYF4:Nd溶液中处理，取出后洗净晾干，得到光阳极。用该光阳极制备的电池可吸收可见及红外光，光电转换效率比常规太阳能电池提高了13.4％。
Description
技术领域
本发明涉及太阳能电池光阳极材料的制备方法。
背景技术
光伏太阳能电池作为可再生无污染能源，能很好地解决能源和环境两大难题，并期望大力推广。目前，我们利用的太阳光仅为到达地球表面太阳能的万分之一，人们期望太阳能将来能够满足大部分能量消耗需求。虽然光伏行业在近几十年已经取得巨大发展，但光伏太阳能电池的低效率和高成本使太阳能电池千瓦时的费用与常规能源相比偏高，限制其普及化和实用化。因此，为了实现低成本和高效率的目标，第三代太阳能电池“染料敏化太阳能电池”受到国际科研工作者的广发关注和研究。科学家通过多种技术手段提高其光电转换效率，已使其效率提高到7％以上，然而为了进一步提高这类电池的光电转换效率，研究者们需要大幅度提高该类电池各步制作工艺同时伴随着生产成本的急剧增加，因此该种电池效率的继续提高已经遇到了瓶颈。这主要是由于染料电极材料不能对全波段太阳发射光谱进行吸收，从而严重限制其电池效率的有效提高。通常染料敏化电池光阳极与染料N-719对太阳光的吸收波段主要在290nm～700nm，但对占据太阳光全部能量43％的红外波段太阳光利用甚微。因此，人们希望通过有效的措施使染料电池光阳级材料能够吸收红外波段太阳光。具有吸收红外激发源能量后再发射出可见太阳光的上转换荧光材料逐渐进入人们的视野，因红外光子上转换过程能够将红外波段太阳光进行有效叠加，并发射出一个具有高能量的可见波段光子，在太阳能电池中具有重大的潜在应用价值。有望成为大幅提高染料敏化电池效率的有效材料，但在应用上转换材料提高染料敏化电池效率的过程中其提高效果是非常有限的，其中主要存在两个问题：(1)上转换光谱转换材料对红外波段太阳光的窄带吸收以及低的吸收效率：例如，Er3+和Ho3+离子是目前用于晶体硅太阳能电池中最理想的稀土离子，其中Er3+离子吸收波段在1480-1580nm(4I15/2-4I13/2跃迁)，发射光谱带为660nm(4I9/2-4I15/2)和550nm(4S3/2-4I15/2)，并且在N-719染料的吸收波段范围内。Ho3+离子吸收波段在1150-1225nm(5I8-5I6跃迁)，发射光谱带为可见650nm(5F5-5I8)和近红外910nm(5I5-5I8)，同样位于N-719染料的吸收波段范围。但是Er3+和Ho3+离子在红外区的吸收谱跨度仅为50nm，并且上转换吸收转换效率低于1.2％，因此红外波段太阳光仅有少部分被有效转换，严重限制上转换材料在提高太阳能电池效率方面的作用。(2)上转换是一种非线性光学现象，因此受激光强度的影响非常大，在低光强照射下严重受限，即太阳光的强度很难使上转换光谱转换材料发挥作用。上述的稀土荧光纳米材料本质上的窄带吸收和弱吸收是由稀土离子4f-4f电子跃迁决定的，使上转换材料在染料敏化电池领域的应用受到限制。
发明内容
本发明是要解决现有上转换基染料敏化太阳能电池的窄带弱吸收红外波段太阳光的技术问题，而提供一种红外染料级联敏化的染料敏化太阳能电池光阳极的制备方法。
本发明的红外染料级联敏化的染料敏化太阳能电池光阳极由FTO导电玻璃基板、负载N719染料的二氧化钛层和IR783红外染料敏化的NaYF4:Yb/Er@NaYF4:Nd层组成；其中负载N719染料的二氧化钛层为中间层，IR783红外染料敏化的NaYF4:Yb/Er@NaYF4:Nd层为表层。
本发明的红外染料级联敏化的染料敏化太阳能电池光阳极的结构不同于常规染料敏化电池光阳极，常规光阳极仅包含N719染料浸渍的二氧化钛层，仅能吸收可见太阳光。而本发明的光阳极在N719染料浸渍的二氧化钛层上再沉积一层具有宽带吸收红外光的近红外染料IR783敏化的上转换纳米晶层，使染料敏化电池也能利用红外太阳光，从而使级联敏化的上转换纳米晶辅助二氧化钛光阳极同时吸收可见和红外太阳光能量，是一种增强现有太阳能电池光电转换效率非常实用的新型光阳极结构。
本发明的红外染料级联敏化的染料敏化太阳能电池光阳极的制备方法按以下步骤进行：
步骤一：将FTO导电玻璃按光阳极的尺寸裁剪后，钻取电解质注入孔，清洗干净并烘干，得到基板；
步骤二：称取乙基纤维素、二氧化钛粉、松油醇和乙醇，先将乙基纤维素超声溶于乙醇中，再加入二氧化钛粉和松油醇，超声搅拌1h～3h，加热除去乙醇，得到浆料；
步骤三：将步骤二制备的浆料刮涂在经步骤一处理的FTO导电玻璃基板上，室温晾干后，放到马弗炉中，程序升温进行烧结，得到负载二氧化钛的FTO导电玻璃基板；
步骤四：按N719染料的浓度为0.5～0.6mmol/L，将N719染料加入到叔丁醇与乙腈的混合溶液中，超声分散，得到染料浸渍液；
步骤五：将负载二氧化钛的FTO导电玻璃基板放在温度为60～80℃、浓度为20～50mmol/L的TiCl4水溶液中浸渍10～30min，取出后用去离子水冲洗2～3次，在温度为450～550℃的马弗炉中烧结10～30min，降温至50～70℃时取出，放在染料浸渍液保持12～24h，得到具有负载N719染料的二氧化钛层的FTO导电玻璃基板；
步骤六：按IR783的浓度为0.1～0.5mg/mL，将IR783滴加到浓度为8～15mg/mL的NaYF4:Yb/Er@NaYF4:Nd二甲基甲酰胺(DMF)溶液之中，超声分散，得到敏化NaYF4:Yb/Er@NaYF4:Nd溶液；将经步骤五处理后的FTO导电玻璃基板放在敏化NaYF4:Yb/Er@NaYF4:Nd溶液中浸渍10～30min，取出后用乙醇冲洗干净，晾干，得到红外染料级联敏化的染料敏化太阳能电池光阳极。
利用上述的红外染料级联敏化的染料敏化太阳能电池光阳极制备太阳能电池的方法如下：
一、制作对电极：称取0.05～0.10g H2PtCl6溶于10～20ml异丙醇中，超声分散，配成10mmol/L的溶液，在FTO玻璃导电面上选取合适的大小，滴加一滴H2PtCl6溶液，空气中晾置10～30min，300～500℃烧结0.5～1h，得到对电极；
二、将回字形热封膜放在对电极与红外染料级联敏化的染料敏化太阳能电池光阳极之间，确保光阳极上的电解质注入孔在回字形内部，在温度为90～120℃的条件下加压热封；再通过电解质注入孔将I3-/I-电解质注入到光阳极和对电极之间，将电解质注入孔密封，得到红外染料级联敏化上转换基染料太阳能电池。
本发明利用红外染料敏化上转换进行宽带吸收红外太阳光，再对染料太阳能电池光阳极进行级联敏化，制备出红外染料级联敏化的染料敏化太阳能电池光阳极材料，该材料通过与上转换材料能级匹配的红外染料对红外波段太阳光进行宽带吸收，将有机染料键联在上转换纳米晶表面，是一种新型宽带吸收红外波段太阳光敏化上转换的复合材料，突破限制太阳能电池效率提高的瓶颈。本发明的光阳极材料中有机染料高效宽带吸收红外波段太阳光，上转换材料具有高效的波长转换特性，是一种高效的、可调谐宽带吸收红外上转换复合材料，这种红外染级联敏化吸收红外波段太阳光的光阳极材料，更加有效和全面地利用太阳光谱。
本发明的材料实现了光阳极对无法吸收的红外太阳光能量的捕获，具有高效的红外光转换特性，其原理为：(1)上转换NaYF4:Yb/Er@NaYF4:Nd核壳结构纳米晶，内层双掺Yb/Er能够增强红外波段980nm波段太阳光的吸收，而在壳层中掺杂Nd离子可以增强800nm波段太阳光的吸收；(2)通过在NaYF4:Yb/Er@NaYF4:Nd核壳结构表面键连IR783染料的设计，由于IR783染料对800nm波段太阳光具有更高的吸收效率，并能将吸收的能量高效传递给壳层中的Nd离子，而后通过Nd离子将能量传递给内层的Yb/Er离子对，实现了光谱转换上转换材料对红外太阳光的宽带吸收，而后光谱转换上转换材料又能将吸收的红外能量有效的传递给染料敏化太阳能电池的光阳极，该结构实现对红外波段太阳光的高效吸收，本发明的红外染料级联敏化的染料敏化太阳能电池光阳极对近红外750-860nm波段光源都有很强的吸收能力，可大幅度提高染料敏化电池的光电转换效率。
在标准条件下仅使用太阳光模拟器对利用本发明所得的红外染料级联敏化的染料敏化太阳能电池光阳极制备的电池及常规单层染料敏化太阳能电池进行测试，在标准条件下仅使用太阳光模拟器对制作的上转换基染料敏化电池进行照射，单层染料敏化电池的光电转换效率为7.573％，而本发明所得的红外染料级联敏化的染料敏化太阳能电池光阳极制备的电池的光电转换效率则提高至8.586％。光电转换效率提高了13.4％。本发明的电极在提高太阳能电池的光电转换效率方面具有巨大潜力。
附图说明
图1是试验1中步骤六中使用的上转换纳米晶NaYF4:Yb/Er@NaYF4:Nd的纳米晶核NaYF4:Yb/Er的透射电镜照片；
图2是试验1中步骤六中使用的核壳结构上转换纳米晶NaYF4:Yb/Er@NaYF4:Nd的的透射电镜照片；
图3是试验1制备的红外染料级联敏化的染料敏化太阳能电池光阳极截面的扫描电镜照片；
图4是试验1中步骤五得到的负载N719染料与二氧化钛的FTO导电玻璃基板的扫描电镜照片；
图5是试验1中得到的红外染料级联敏化的染料敏化太阳能电池光阳极的扫描电镜照片；
图6是试验1中负载N719染料与二氧化钛的FTO导电玻璃基板和红外染料级联敏化的染料敏化太阳能电池光阳极进行的EDS能谱图；
图7是试验1中步骤一处理后的FTO导电玻璃、步骤五得到的负载N719染料与二氧化钛的FTO导电玻璃基板和经步骤六得到的红外染料级联敏化的染料敏化太阳能电池光阳极的XRD谱图；
图8是试验1中上转换纳米晶NaYF4:Yb/Er@NaYF4:Nd、IR783染料敏化的上转换纳米晶NaYF4:Yb/Er@NaYF4:Nd和经步骤六得到的红外染料级联敏化太阳光染料敏化太阳能电池光阳的吸收光谱图；
图9是试验1中步骤六中IR783敏化NaYF4:Yb/Er@NaYF4:Nd纳米晶和红外染料级联敏化的染料敏化太阳能电池光阳极的荧光发射光谱图；
图10是试验1中红外染料级联敏化太阳光染料敏化太阳能电池及对照的电池的电流密度-电压曲线图。
具体实施方式
具体实施方式一：本实施方式的红外染料级联敏化的染料敏化太阳能电池光阳极由FTO导电玻璃基板、负载N719染料的二氧化钛层和IR783红外染料敏化的NaYF4:Yb/Er@NaYF4:Nd层组成；其中负载N719染料的二氧化钛层为中间层，IR783红外染料敏化的NaYF4:Yb/Er@NaYF4:Nd层为表层。
具体实施方式二：具体实施方式一所述的红外染料级联敏化的染料敏化太阳能电池光阳极的制备方法，按以下步骤进行：
步骤一：将FTO导电玻璃按光阳极的尺寸裁剪后，钻取电解质注入孔，清洗干净并烘干，得到基板；
步骤二：称取乙基纤维素、二氧化钛粉、松油醇和乙醇，先将乙基纤维素超声溶于乙醇中，再加入二氧化钛粉和松油醇，超声搅拌1h～3h，加热除去乙醇，得到浆料；
步骤三：将步骤二制备的浆料刮涂在经步骤一处理的FTO导电玻璃基板上，室温晾干后，放到马弗炉中，程序升温进行烧结，得到负载二氧化钛的FTO导电玻璃基板；
步骤四：按N719染料的浓度为0.5～0.6mmol/L，将N719染料加入到叔丁醇与乙腈的混合溶液中，超声分散，得到染料浸渍液；
步骤五：将负载二氧化钛的FTO导电玻璃基板放在温度为60～80℃、浓度为20～50mmol/L的TiCl4水溶液中浸渍10～30min，取出后用去离子水冲洗2～3次，在温度为450～550℃的马弗炉中烧结10～30min，降温至50～70℃时取出，放在染料浸渍液保持12～24h，得到具有负载N719染料的二氧化钛层的FTO导电玻璃基板；
步骤六：按IR783的浓度为0.1～0.5mg/mL，将IR783滴加到浓度为8～15mg/mL的NaYF4:Yb/Er@NaYF4:Nd二甲基甲酰胺溶液之中，超声分散，得到敏化NaYF4:Yb/Er@NaYF4:Nd溶液；将经步骤五处理后的FTO导电玻璃基板放在敏化NaYF4:Yb/Er@NaYF4:Nd溶液中浸渍10～30min，取出后用乙醇冲洗干净，晾干，得到红外染料级联敏化的染料敏化太阳能电池光阳极。
具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式二不同的是步骤一中电解质注入孔的直径为0.8mm～1mm。其它步骤与参数与具体实施方式二相同。
具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式二或三不同的是步骤一中清洗程序是：将FTO导电玻璃放在烧杯中，先添加洗涤剂超声清洗10～30min，然后依次用丙酮、乙醇、去离子水各超声清洗15～30min。其它步骤与参数与具体实施方式二相同。
具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式二至四之一不同的是步骤二中乙基纤维素与二氧化钛粉的质量比为1g：2g，二氧化钛粉的质量与松油醇的体积之比为1g：5mL，乙基纤维素的质量与乙醇体积比为1g：20mL。其它步骤与参数与具体实施方式二至四之一相同。
具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式二至五之一不同的是步骤二中除去乙醇时要加热至60～80℃。其它步骤与参数与具体实施方式二至五之一相同。
具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式二至六之一不同的是步骤三中浆料的刮涂层厚度为15～30μm。其它步骤与参数与具体实施方式二至六之一相同。
具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式二至七之一不同的是步骤三中升温烧结程序为：以1～2℃/min的升温速率升至140℃～160℃保持10～15min，再以1～2℃/min的升温速率升至300℃～330℃保持10～15min；再以8～12℃/min的升温速率升至360℃～380℃保持10～15min；再以8～12℃/min的升温速率升至430℃～460℃保持30～60min；8～12℃/min的升温速率升至490℃～520℃保持30～60min；最后自然退火。其它步骤与参数与具体实施方式二至七之一相同。
本实施方式的烧结程序下低温时升温速率平和，有利于松油醇和残留乙醇的均匀挥发，乙基纤维素充分热解，后续升温程序符合二氧化钛吸放热过程，促进应力的消除，得到的二氧化钛光阳极表面平整、无裂痕，有助于电子传输。此外，稳定的孔道结构有利于染料分子的均匀吸附，提高染料负载量，可有效促进电子注入。
具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式二至八之一不同的是步骤四中叔丁醇与乙腈的混合溶液是按叔丁醇与乙腈的体积比为1：(0.5～2)的比例配制而成的。其它步骤与参数与具体实施方式二至八之一相同。
本实施方式的叔丁醇与乙腈的混合溶液的这种特定比例，尤其是乙腈分子中的-C≡N可与N719分子结合，使染料分子能够均匀、稳定分散于溶液体系中，且在染料的浸渍过程中不会对二氧化钛光阳极薄膜造成损伤。
具体实施方式十：利用具体实施方式一的红外染料级联敏化的染料敏化太阳能电池光阳极制备太阳能电池的方法如下：
一、制作对电极：称取0.05～0.10g H2PtCl6溶于10～20ml异丙醇中，超声分散，配成10mmol/L的溶液，在FTO玻璃导电面上选取合适的大小，滴加一滴H2PtCl6溶液，空气中晾置10～30min，300～500℃烧结0.5～1h，得到对电极；
二、将回字形热封膜放在对电极与红外染料级联敏化的染料敏化太阳能电池光阳极之间，确保光阳极上的电解质注入孔在回字形内部，在温度为90～120℃的条件下加压热封；再通过电解质注入孔将I3-/I-电解质注入到光阳极和对电极之间，将电解质注入孔密封，得到红外染料级联敏化上转换基染料太阳能电池。
用以下试验验证本发明的有益效果：
试验1：本试验的红外染料级联敏化的染料敏化太阳能电池光阳极的制备方法按以下步骤进行：
步骤一：将10cm×10cm的FTO导电玻璃裁成2cm×1.5cm的小块，在其中央位置钻取直径为0.8mm的电解质注入孔；然后将其置于烧杯中，先添加洗涤剂超声清洗10min，然后依次用丙酮、乙醇、去离子水各超声清洗15min，将洗好的FTO导电玻璃导电面朝上80℃烘干备用；
步骤二：称取1.00g乙基纤维素超声溶于50ml乙醇中，加入2.0gP25粉体及8.69ml松油醇，超声搅拌1h溶解，加热至65℃搅拌蒸发2h，除去乙醇，得到浆料；
步骤三：用厚度为25μm的胶带贴在FTO导电玻璃边缘用于控制刮涂厚度，吸取一滴浆料，一次性刮涂在FTO导电玻璃上，室温晾干，使浆料铺展均匀，放到马弗炉中，程序升温进行烧结，升温程序如下表1所示，得到负载二氧化钛的FTO导电玻璃基板；
表1程序升温烧结参数
步骤四：称取0.0119g N719染料溶于10ml叔丁醇和10ml乙腈混合溶液中，超声分散，得到染料浸渍液；
步骤五：将负载二氧化钛的FTO导电玻璃基板放在温度为70℃、浓度为30mmol/L的TiCl4水溶液中浸渍30min，取出后用去离子水冲洗3次，在温度为500℃的马弗炉中烧结30min，降温至60℃时取出，放在染料浸渍液保持24h，得到具有负载N719染料的二氧化钛层的FTO导电玻璃基板；
步骤六：取12mL浓度为0.3mg/mL的IR783溶液滴加到浓度为10mg/mL的NaYF4:Yb/Er@NaYF4:Nd DMF溶液之中，超声分散20min，得到敏化NaYF4:Yb/Er@NaYF4:Nd溶液；将经步骤五处理的FTO导电玻璃基板放在敏化NaYF4:Yb/Er@NaYF4:Nd溶液中浸渍20min，取出后用乙醇冲洗掉多余的粒子，晾干，得到红外染料级联敏化的染料敏化太阳能电池光阳极。
本试验步骤六中使用的上转换纳米晶NaYF4:Yb/Er@NaYF4:Nd是同时将激活剂离子Er3+(将吸收的能量转换到可见光区)和敏化剂离子Yb3+(作为Er3+和Nd3+离子之间的桥梁)，Nd3+离子同时掺杂到设计的纳米晶中，如果将这三种离子掺杂到一种纳米材料中会出现严重的淬灭现象，而本试验中采用的上转换纳米晶为具有空间隔离的核壳结构。将Er3+和Yb3+掺杂到内核中，Nd3+离子掺入壳层保证与外部接入的IR783染料进行能量交换。纳米晶核尺寸为31.5nm，纳米晶核的透射电镜照片及其粒径分布图如图1所示；然后在该晶核表面生长一层同质NaYF4壳层既能保护内核又可作为掺杂Nd3+离子载体，核壳结构纳米晶尺寸为39.8nm，壳层厚度约为8.3nm，核壳结构上转换纳米晶NaYF4:Yb/Er@NaYF4:Nd的透射电镜照片及粒径分布图如图2所示。从图1和图2可以看出，纳米晶核和核壳结构纳米晶具有非常整齐的行貌，可进行染料负载。
本试验制备的红外染料级联敏化的染料敏化太阳能电池光阳极截面的扫描电镜照片如图3所示，从图3可以看出，在FTO导电玻璃上刮涂的TiO2层的厚度约为20.1μm，沉积在TiO2层之上的IR783敏化上转换纳米晶层(图中用UCNPS表示)厚度约为4.6μm。
为了观察IR783染料敏化的上转换纳米晶负载对光阳极微观形貌的影响，对负载前后光阳极进行了场发射扫描电镜测试，本试验步骤五得到的负载N719染料与二氧化钛的FTO导电玻璃基板的扫描电镜照片如图4所示，经本试验步骤六得到的红外染料级联敏化的染料敏化太阳能电池光阳极的扫描电镜照片如图5所示，从图4可以看出未经纳米晶处理的TiO2层包含大量小颗粒组装构成的TiO2颗粒，颗粒的尺寸约为50nm。能够清楚地分辨出TiO2颗粒表面存在很多突起的活性点，这些活性点是经TiCl4处理之后获得的。从图5可以看出，而经上转换纳米晶处理之后，TiO2表面纳米颗粒发生了明显的变化，表面几乎都是约40nm的颗粒，这个尺寸与使用的上转换纳米晶尺寸刚好一致。同时对具有负载N719染料的二氧化钛层的FTO导电玻璃基板和红外染料级联敏化的染料敏化太阳能电池光阳极进行的EDS能谱测试，具有负载N719染料的二氧化钛层的FTO导电玻璃基板的EDS能谱图如图6的a所示，从中可以看出表面仅能出现Ti和O的信号峰。红外染料级联敏化的染料敏化太阳能电池光阳极的能谱图如图6的b所示，对比可知，经IR783染料敏化的上转换纳米晶处理之后，样品中不仅有Ti和O信号峰，还存在Na、F、Y、Yb、Er、Nd、Ti和O信号峰，说明设计的染料敏化的上转换纳米晶已经成功的沉积到TiO2光阳极表面。
本试验步骤一处理后的FTO导电玻璃、本试验步骤五得到的具有负载N719染料的二氧化钛层FTO导电玻璃基板和经本试验步骤六得到的红外染料级联敏化的染料敏化太阳能电池光阳极的XRD谱图如图7所示，其中a为步骤一处理后的FTO导电玻璃的XRD谱图，b为步骤五得到的具有负载N719染料的二氧化钛层的FTO导电玻璃基板的XRD谱图，c为经步骤六得到的红外染料级联敏化的染料敏化太阳能电池光阳极的XRD谱图，从图7可以看出，光阳极衬底材料FTO导电玻璃表面存在镀好的SnO2层，从b可以看出，TiO2层已经被成功的涂履到导电衬底上，从c可以看出，除了TiO2的衍射峰外，还包含NaYF4:Yb,Er@NaYF4:Nd纳米晶的衍射峰，可以确定上转换纳米晶成功附着在TiO2的活性点上，证实了这种负载方法是非常有效的。
为了证实IR783红外染料对上转换纳米颗粒和染料敏化太阳能电池吸收近红外区光源的影响，分别对上转换纳米晶NaYF4:Yb/Er@NaYF4:Nd、IR783染料敏化的上转换纳米晶NaYF4:Yb/Er@NaYF4:Nd和本试验经步骤六得到的红外染料级联敏化的染料敏化太阳能电池光阳极进行了吸收光谱测试。如图8所示。其中a为上转换纳米晶NaYF4:Yb/Er@NaYF4:Nd的吸收光谱,谱图b为IR783敏化NaYF4:Yb/Er@NaYF4:Nd的吸收光谱，c为经步骤六得到的红外染料级联敏化的染料敏化太阳能电池光阳极的吸收光谱，从谱图a可以看出，单独的上转换纳米晶NaYF4:Yb/Er@NaYF4:Nd的吸收非常弱，仅看到745nm(4F7/2或4S3/2能级跃迁)和800nm(4F5/2或2H9/2能级跃迁)处的弱吸收峰，均来自于Nd离子的吸收峰，因此极大的限制了上转换材料对近红外光子的吸收，从谱图b可以看出，当将IR783染料分子键连到纳米晶纳米粒子表面后，上转换纳米晶对红外光的吸收明显增强而且吸收范围也被扩展(678-857nm)，这说明IR783染料有助于大幅度提高上转换纳米晶捕获近红外光子的能力，从谱图c可以看出，红外染料级联敏化的染料敏化太阳能电池光阳极极大的宽化光阳极对近红外750-860nm波段光源的吸收能力，进一步证实了这一结果。
图9为本试验步骤六中IR783敏化NaYF4:Yb/Er@NaYF4:Nd纳米晶和本试验制备的红外染料级联敏化的染料敏化太阳能电池光阳极的荧光发射光谱图，其中a为IR783敏化NaYF4:Yb/Er@NaYF4:Nd纳米晶的荧光发射光谱图，b为红外染料级联敏化的染料敏化太阳能电池光阳极的荧光发射光谱图，从光谱a可以看出，红外染料IR-783敏化NaYF4:Yb,Er@NaYF4:Nd纳米晶的荧光发射较强，从光谱b可以看出，当将IR783敏化NaYF4:Yb/Er@NaYF4:Nd纳米晶负载到光阳极表面，绿色荧光强度大幅下降，这一结果说明采用红外染料级联敏化上转换纳米晶吸收的红外光能够很好传递给光阳极N719染料，进而传递给光阳极TiO2。
再来制备作为对比的上转换纳米晶基染料敏化太阳能电池光阳极，即用NaYF4:Yb,Er@NaYF4:Nd溶液(NYYE@NYN)处理的光阳极，其制作过程与本试验1的红外染料级联敏化的染料敏化太阳能电池光阳极的制备过程的区别在于：步骤六的操作用以下操作代替：将浓度为10mg/mL的NaYF4:Yb/Er@NaYF4:Nd DFM溶液作为敏化液，将经步骤五处理的FTO导电玻璃基板放在敏化NaYF4:Yb/Er@NaYF4:Nd溶液中浸渍20min，取出后用乙醇冲洗掉多余的粒子，晾干。其它步骤与参数与本试验1相同。得到用上转换纳米晶基染料敏化太阳能电池光阳极。
同时制作做为对比的常规染料敏化太阳能电池的光阳极，其制作方法如下：
一、FTO导电玻璃的裁剪与清洗：将10cm×10cm的FTO导电玻璃裁成2cm×1.5cm的小块，其中一部分在其中央位置钻取直径为0.8mm的小孔。然后将其置于烧杯中，先添加洗涤剂超声清洗10min，然后分别用丙酮、乙醇、去离子水各超声清洗15min，将洗好的FTO导电玻璃导电面朝上80℃烘干备用。
二、浆料的制备：称取1.00g乙基纤维素超声溶于50ml乙醇中，加入2.0g P25二氧化钛粉体及8.69ml松油醇，超声搅拌1h溶解，加热至65℃搅拌2h，除去乙醇。
三、光阳极的制备：吸取一滴浆料，用厚度为25μm的胶带控制刮涂层厚度，一次性刮涂，室温晾干，使浆料铺展均匀，用马弗炉程序升温进行烧结，升温步骤如下表2所示：
表2程序升温烧结步骤
四、将烧结完成的光阳极浸渍在70℃的浓度为30mmol/L的极稀TiCl4水溶液中30min，取出并用去离子水冲洗3次，500℃条件下烧结30min。
五、染料的制备与浸渍：称取0.0119gN719溶于10ml叔丁醇和10ml乙腈混合溶液中，超声分散，配成0.5mmol/L的溶液，将烧好的光阳极降温至80℃时，浸没于染料中24h后取出晾干，得到常规的染料敏化光阳极，待用。
将本试验1制备的红外染料级联敏化的染料敏化太阳能电池光阳极、作为对比的上转换纳米晶基染料敏化太阳能电池和常规的光阳极用以下的方法制备太阳能电池，然后测试各个太阳能电池的电流密度-电压曲线(I-V)进行分析，其中制备太阳能电池的方法如下：
一、制作对电极：称取0.052g H2PtCl6溶于10ml异丙醇中，超声分散，配成10mmol/L的溶液，在FTO玻璃导电面上选取合适的大小，滴加一滴H2PtCl6溶液，空气中晾置10min，450℃烧结0.5h，得到对电极；
二、将回字形热封膜放在对电极与光阳极之间，确保光阳极上的电解质注入孔在回字形内部，在温度为90℃的条件下加压热封；再通过电解质注入孔将I3-/I-电解质注入到光阳极和对电极之间，然后用热熔胶将注入孔密封，得到太阳能电池。
将三个太阳能电池，即红外染料级联敏化太阳光染料敏化太阳能电池、作为对比的上转换纳米晶基染料敏化太阳能电池、常规的染料敏化太阳能电池进行了电流密度-电压曲线(I-V)测试分析。结果如图10所示，各太阳能电池的开路电压VOC、短路电流JSC、填充因子FF和光电转换效率η数据如表3所示，
表3各太阳能电池性能数据
常规的染料敏化太阳能电池的短路电流密度(Jsc)为15.731毫安/平方厘米，其开路电压为0.769伏，填充因子0.626，其光电转换效率为7.573％。当使用NaYF4:Yb,Er@NaYF4:Nd(NYYE@NYN)溶液处理光阳极得到的上转换纳米晶基染料敏化太阳能电池，短路电流密度增加到16.683，同时促使光电转换效率增加到8.166％，与常规染料敏化太阳能电池相比光电转换效率提高了7.8％，说明上转换纳米材料在增强太阳能电池光电转换效率方面具有很大作用。再使用近红外染料IR783去敏化上转换纳米晶，即本试验得到的红外染料级联敏化太阳光染料敏化太阳能电池，其电池效率进一步被提高到8.568％。值得注意的是电路电流密度也明显增加，这是因为在近红外染料和上转换纳米晶的综合作用下，能够将近红外太阳光子转换成光电子，因而大幅度增加了电流密度以及效率。
Claims (8)
1.一种红外染料级联敏化的染料敏化太阳能电池光阳极的制备方法，其特征在于该方法按以下步骤进行：
步骤一：将FTO导电玻璃按光阳极的尺寸裁剪后，钻取电解质注入孔，清洗干净并烘干，得到基板；
步骤二：称取乙基纤维素、二氧化钛粉、松油醇和乙醇，先将乙基纤维素超声溶于乙醇中，再加入二氧化钛粉和松油醇，超声搅拌1h～3h，加热除去乙醇，得到浆料；
步骤三：将步骤二制备的浆料刮涂在经步骤一处理的FTO导电玻璃基板上，室温晾干后，放到马弗炉中，程序升温进行烧结，得到负载二氧化钛的FTO导电玻璃基板；
步骤四：按N719染料的浓度为0.5～0.6mmol/L，将N719染料加入到叔丁醇与乙腈的混合溶液中，超声分散，得到染料浸渍液；
步骤五：将负载二氧化钛的FTO导电玻璃基板放在温度为60～80℃、浓度为20～50mmol/L的TiCl4水溶液中浸渍10～30min，取出后用去离子水冲洗2～3次，在温度为450～550℃的马弗炉中烧结10～30min，降温至50～70℃时取出，放在染料浸渍液保持12～24h，得到具有负载N719染料的二氧化钛层的FTO导电玻璃基板；
步骤六：按IR783的浓度为0.1～0.5mg/mL，将IR783滴加到浓度为8～15mg/mL的NaYF4:Yb/Er@NaYF4:Nd二甲基甲酰胺溶液之中，超声分散，得到敏化NaYF4:Yb/Er@NaYF4:Nd溶液；将经步骤五处理后的FTO导电玻璃基板放在敏化NaYF4:Yb/Er@NaYF4:Nd溶液中浸渍10～30min，取出后用乙醇冲洗干净，晾干，得到红外染料级联敏化的染料敏化太阳能电池光阳极；该光阳极由FTO导电玻璃基板、负载N719染料的二氧化钛层和IR783红外染料敏化的NaYF4:Yb/Er@NaYF4:Nd层组成；其中负载N719染料的二氧化钛层为中间层，IR783红外染料敏化的NaYF4:Yb/Er@NaYF4:Nd层为表层。
2.根据权利要求1所述的一种红外染料级联敏化的染料敏化太阳能电池光阳极的制备方法，其特征在于步骤一中电解质注入孔的直径为0.8mm～1mm。
3.根据权利要求1或2所述的一种红外染料级联敏化的染料敏化太阳能电池光阳极的制备方法，其特征在于步骤一中清洗程序是：将FTO导电玻璃放在烧杯中，先添加洗涤剂超声清洗10～30min，然后依次用丙酮、乙醇、去离子水各超声清洗15～30min。
4.根据权利要求1或2所述的一种红外染料级联敏化的染料敏化太阳能电池光阳极的制备方法，其特征在于步骤二中乙基纤维素与二氧化钛粉的质量比为1g：2g，二氧化钛粉的质量与松油醇的体积之比为1g：5mL，乙基纤维素的质量与乙醇体积比为1g：20mL。
5.根据权利要求1或2所述的一种红外染料级联敏化的染料敏化太阳能电池光阳极的制备方法，其特征在于步骤二中除去乙醇时要加热至60～80℃。
6.根据权利要求1或2所述的一种红外染料级联敏化的染料敏化太阳能电池光阳极的制备方法，其特征在于步骤三中浆料的刮涂层厚度为15～30μm。
7.根据权利要求1或2所述的一种红外染料级联敏化的染料敏化太阳能电池光阳极的制备方法，其特征在于步骤三中升温烧结程序为：以1～2℃/min的升温速率升至140℃～160℃保持10～15min，再以1～2℃/min的升温速率升至300℃～330℃保持10～15min；再以8～12℃/min的升温速率升至360℃～380℃保持10～15min；再以8～12℃/min的升温速率升至430℃～460℃保持30～60min；8～12℃/min的升温速率升至490℃～520℃保持30～60min；最后自然退火。
8.根据权利要求1或2所述的一种红外染料级联敏化的染料敏化太阳能电池光阳极的制备方法，其特征在于步骤四中叔丁醇与乙腈的混合溶液是按叔丁醇与乙腈的体积比为1：(0.5～2)的比例配制而成的。
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