CN106971852A - 一种改进型光阳极结构的染料敏化太阳能电池 - Google Patents
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Abstract
本申请涉及一种改进型光阳极结构的染料敏化太阳能电池，该染料敏化太阳能电池包括光阳极、对电极、电解液；其中，该对电极与光阳极对置设置，该对电极是在FTO基底的上表面印刷有铂形成的；电解液设置在光阳极与对电极之间；该光阳极表面吸附有染料敏化剂，该染料敏化剂为N719钌染料，该电解液中氧化还原对为I‑/I3 ‑；该光阳极包括FTO基底，在FTO基底表面设有SnO2颗粒层，在SnO2颗粒层表面设有SnO2纳米线层。
Description
技术领域
本申请涉及染料敏化太阳能电池领域，尤其涉及一种改进型光阳极结构的染料敏化太阳能电池。
背景技术
随着环境问题和能源危机的加重，越来越多的研究关注清洁能源，太阳能是一种用之不尽的清洁能源。目前，使用最多的是硅基太阳能电池，其光电转换效率高，但是存在缺点是制备工艺复杂，价格昂贵，硅的提纯过程污染大；而染料敏化太阳能电池(DSSC)具有价廉、稳定、高效、容易制作等优点，需要进一步提高其光电转换效率。
染料敏化太阳能电池是一种由光阳极、对电极夹着电解液的类“三明治”结构的新型电池，影响染料敏化太阳能电池光电转换效率的因素有很多，包括光阳极、对电极、染料敏化剂、氧化还原电解质、电池封装等，其中，光阳极对光电转换效率有着至关重要的作用，目前，光阳极一般是采用TiO2纳米颗粒薄膜吸附染料构成，然而，由于电子在纳米颗粒薄膜中传输时要经过大量的界面，增加了电子与电解液中I3 ＿离子的复合几率，其限制了光电转换效率的进一步提高；为了提高光电转换效率，可以从光阳极结构的比表面积、电子传输性能及光散射性能等方面进行改进，具体来说，可以通过提高光阳极材料的比表面积来增加染料的吸附，进而增加光生电子的数量，可以通过改善电极材料的电子传输性能，来提高对电子的收集效率，可以增强电极材料的光散射性来增加光程以利于光的捕获。
发明内容
针对上述染料敏化太阳能电池中光阳极的问题，本发明旨在提供一种改进型光阳极结构的染料敏化太阳能电池，以解决上述提出问题。
本发明实施例中提供了一种改进型光阳极结构的染料敏化太阳能电池，该染料敏化太阳能电池包括光阳极、对电极、电解液；其中，该对电极与光阳极对置设置，该对电极是在FTO基底的上表面印刷有铂形成的；电解液设置在光阳极与对电极之间；该光阳极表面吸附有染料敏化剂，该染料敏化剂为N719钌染料，该电解液中氧化还原对为I-/I3 -；其特征在于，该光阳极包括FTO基底，在FTO基底表面设有SnO2颗粒层，在SnO2颗粒层表面设有SnO2纳米线层。
本发明的实施例提供的技术方案可以包括以下有益效果：
本发明的染料敏化太阳能电池中，该光阳极包括FTO基底，在FTO基底表面设有SnO2颗粒层，在SnO2颗粒层表面设有SnO2纳米线层，该光阳极通过SnO2颗粒层、SnO2纳米线层的设置，使得该光阳极具备良好的电子传输通道、较高的染料吸附率、较强的光散射性能，大大提高了光电转换效率，具备很好的实用性。
本申请附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本申请的实践了解到。应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本申请。
附图说明
利用附图对本发明作进一步说明，但附图中的实施例不构成对本发明的任何限制，对于本领域的普通技术人员，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据以下附图获得其它的附图。
图1是本发明的染料敏化太阳能电池的结构示意图。
其中，01-光阳极，02-对电极，03-电解液，11-FTO基底，12-SnO2颗粒层，13-SnO2纳米线层。
具体实施方式
这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本发明相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本发明的一些方面相一致的装置和方法的例子。
本申请的实施例涉及一种改进型光阳极结构的染料敏化太阳能电池，如图1，该染料敏化太阳能电池包括光阳极01、对电极02、电解液03；其中，该对电极02与光阳极01对置设置，该对电极02是在FTO基底11的上表面印刷有铂形成的，电解液03设置在光阳极01与对电极02之间；该光阳极01表面吸附有染料敏化剂，该染料敏化剂为N719钌染料，该电解液03中氧化还原对为I-/I3 -。
参照图1所示，上述的光阳极01以FTO为基底，在FTO基底11表面设有SnO2颗粒层12，然后在SnO2颗粒层12表面设有SnO2纳米线层13，该SnO2纳米线层13嵌入上述的SnO2颗粒层12并在其表面形成SnO2纳米线层13。
染料敏化太阳能电池中，该光阳极一般采用单一的结构设置，通常为纳米颗粒、纳米线等，纳米颗粒、纳米线均有各自的优势：纳米线可以作为直接的电子传输通道，大大提高了电子的传输效率，而纳米颗粒的比表面积大，吸附的染料多，从而提高光电转换效率；而本申请所涉及的染料敏化太阳能电池中，该光阳极的FTO基底表面设有颗粒层和纳米线层，并且，该纳米线层嵌入到颗粒层中，其能够将纳米颗粒和纳米线的优势结合，既具有大的比表面积，又具有良好的电子传输性能，能够有效提高染料敏化太阳能电池的光电转换效率。
具体的，首先在FTO基底11上采用刮涂法制备SnO2颗粒层12，然后通过水热法在SnO2颗粒层12内部嵌入SnO2纳米线，同时在SnO2颗粒层12表面形成了SnO2纳米线层13。
在优选地实施方式中，上述的光阳极01中，该SnO2颗粒层12厚度为5μm，粒径为10μm；该SnO2颗粒是以油菜花花粉为模板通过水热法制备的，表现为一种分层多孔的球状结构，该球状结构外壳表面具有类似油菜花花粉的开放的孔网状结构；在该结构中，该SnO2颗粒具有高的比表面积和开放的孔状结构，能够有效提高染料的吸附率，增强电子传输速率；同时，该SnO2颗粒能够有效提高光散射性能，间接提高了光电转换效率。
在优选地实施方式中，上述的光阳极01中，该SnO2纳米线层13以水热法制备，该SnO2纳米线层13厚度为5μm，纳米线长度为10μm，直径为200nm。
本申请的光阳极中，采用SnO2纳米材料，由于SnO2纳米半导体材料具有特殊的光、电特性，是一种灵敏度较高的气敏材料，也能够应用于染料敏化太阳能电池中，然而，如上所述，通常情况是单独采用纳米线或者纳米颗粒材料，而本申请中，将SnO2纳米线和SnO2颗粒结合作为光阳极结构，对光阳极的光电转换效率的提高产生了积极效果；该光阳极中，通过SnO2颗粒层、SnO2纳米线层的设置，使得该光阳极具备良好的电子传输通道、较高的染料吸附率、较强的光散射性能。
下面通过实施例比较本申请的光阳极(实施例1)与没有设置SnO2颗粒层(实施例2)或没有设置SnO2纳米线层(实施例3)光阳极的性能。
实施例1
在本实施例的染料敏化太阳能电池中，该光阳极包括FTO基底、SnO2颗粒层、SnO2纳米线层，上述光阳极的制备过程如下：
步骤1，制备SnO2颗粒
首先，筛选出直径20μm的油菜花花粉，取8g用酒精漂洗、干燥；
然后，将15g氯化锡粉末(SnCl4·5H2O)放入80ml无水酒精中，搅拌至澄清溶液得到前驱体溶液；
将准备好的花粉粒进行两步浸泡：第一步浸泡，将花粉放入上述前驱体溶液中强力搅拌14h，将溶液离心分离，酒精清洗三遍，无离子水清洗，在60℃的干燥箱中干燥3h；第二步浸泡，依照第一步浸泡方法，将浸泡过的花粉再放入前驱体溶液中浸泡8h；然后将花粉放入100ml酒精和100ml水的混合溶液中水解2h，离心分离后分散在酒精溶液中，在60℃的干燥箱中干燥4h，最后，将模板化的混合体在空气退火炉中以2℃/min的升温速率升到600℃煅烧3h，以去除花粉模板，收集白色粉末为SnO2颗粒，粒径为10μm。
步骤2，制备SnO2颗粒层
首先，将FTO基底清洗干净，将清洗过的FTO基底放入TiCl4水溶液中，在70℃下保持30min取出，用去离子水反复清洗干净，然后将FTO基底放入马弗炉中在400℃下退火1h；
然后，配置SnO2浆料，采用刮涂法将SnO2浆料涂覆在FTO基底上，制成厚度为5μm的薄膜，晾干后放入空气退火炉中350℃煅烧2h，得到SnO2颗粒层；
步骤3，制备SnO2纳米线层
将一定量的草酸亚锡和聚乙烯屁咯烷酮分别溶解于乙二醇溶液中，然后把两种溶液倒入烧杯中，搅拌均匀，再将上步得到的带有SnO2颗粒层的FTO基底浸入烧杯中，加热并控制温度为170℃，使其反应3h，待反应完成后，静止冷却至室温，将FTO基底用无水乙醇反复清洗几次，干燥后，将FTO基底放入马弗炉中450℃煅烧4h，在FTO基底上得到SnO2纳米线层；
在本实施例的染料敏化太阳能电池中，该对电极采用镀铂的FTO基底；
在本实施例的染料敏化太阳能电池中，该电解液制备过程为：称取一定量的乙腈溶液，向其中加入0.1M的碘化锂，0.1M的单质碘，0.6M的4-叔丁基吡啶和0.6M的四丁基碘化铵，然后避光超声10min，磁力搅拌，使其充分溶解；
在本实施例的染料敏化太阳能电池中，该染料敏化剂的制备过程为：称取50mg的N719粉末，使其加入30ml高纯无水乙醇的溶液中，避光，搅拌12h，使其充分溶解；
最后，将上述制备的光阳极放入上述染料溶液中，浸泡24h后取出用无水乙醇溶液进行表面冲洗，晾干，使得光阳极表面吸附有染料敏化剂，然后将光阳极和对电极相对放置，封装在一起，形成三明治结构，将电解液用注射器注入两电极之间，形成染料敏化太阳能电池。
实施例2
在本实施例中，该光阳极包括FTO基底、SnO2纳米线层，所述光阳极的制备过程如下：
首先，将FTO基底清洗干净，将清洗过的FTO基底放入TiCl4水溶液中，在70℃下保持30min取出，用去离子水反复清洗干净，然后将FTO基底放入马弗炉中在400℃下退火1h；
将一定量的草酸亚锡和聚乙烯屁咯烷酮分别溶解于乙二醇溶液中，然后把两种溶液倒入烧杯中，搅拌均匀，再将清洗干净的FTO基底浸入烧杯中，加热并控制温度为170℃，使其反应3h，待反应完成后，静止冷却至室温，将FTO基底用无水乙醇反复清洗几次，干燥后，将FTO基底放入马弗炉中450℃煅烧4h，在FTO基底上得到SnO2纳米线层；
在本实施例的染料敏化太阳能电池中，该对电极采用镀铂的FTO基底；
在本实施例的染料敏化太阳能电池中，该电解液制备过程为：称取一定量的乙腈溶液，向其中加入0.1M的碘化锂，0.1M的单质碘，0.6M的4-叔丁基吡啶和0.6M的四丁基碘化铵，然后避光超声10min，磁力搅拌，使其充分溶解；
在本实施例的染料敏化太阳能电池中，该染料敏化剂的制备过程为：称取50mg的N719粉末，使其加入30ml高纯无水乙醇的溶液中，避光，搅拌12h，使其充分溶解；
最后，将上述制备的光阳极放入上述染料溶液中，浸泡24h后取出用无水乙醇溶液进行表面冲洗，晾干，使得光阳极表面吸附有染料敏化剂，然后将光阳极和对电极相对放置，封装在一起，形成三明治结构，将电解液用注射器注入两电极之间，形成染料敏化太阳能电池。
实施例3
在本实施例中，该光阳极包括FTO基底、SnO2颗粒层，所述光阳极的制备过程如下：
步骤1，制备SnO2颗粒
首先，筛选出直径20μm的油菜花花粉，取8g用酒精漂洗、干燥；
然后，将15g氯化锡粉末(SnCl4·5H2O)放入80ml无水酒精中，搅拌至澄清溶液得到前驱体溶液；
将准备好的花粉粒进行两步浸泡：第一步浸泡，将花粉放入上述前驱体溶液中强力搅拌14h，将溶液离心分离，酒精清洗三遍，无离子水清洗，在60℃的干燥箱中干燥3h；第二步浸泡，依照第一步浸泡方法，将浸泡过的花粉再放入前驱体溶液中浸泡8h；然后将花粉放入100ml酒精和100ml水的混合溶液中水解2h，离心分离后分散在酒精溶液中，在60℃的干燥箱中干燥4h，最后，将模板化的混合体在空气退火炉中以2℃/min的升温速率升到600℃煅烧3h，以去除花粉模板，收集白色粉末为SnO2颗粒，粒径为10μm。
步骤2，制备SnO2颗粒层
首先，将FTO基底清洗干净，将清洗过的FTO基底放入TiCl4水溶液中，在70℃下保持30min取出，用去离子水反复清洗干净，然后将FTO基底放入马弗炉中在400℃下退火1h；
然后，配置SnO2浆料，采用刮涂法将SnO2浆料涂覆在FTO基底上，制成厚度为5μm的薄膜，晾干后放入空气退火炉中350℃煅烧2h，在FTO基底上得到SnO2颗粒层；
在本实施例的染料敏化太阳能电池中，该对电极采用镀铂的FTO基底；
在本实施例的染料敏化太阳能电池中，该电解液制备过程为：称取一定量的乙腈溶液，向其中加入0.1M的碘化锂，0.1M的单质碘，0.6M的4-叔丁基吡啶和0.6M的四丁基碘化铵，然后避光超声10min，磁力搅拌，使其充分溶解；
在本实施例的染料敏化太阳能电池中，该染料敏化剂的制备过程为：称取50mg的N719粉末，使其加入30ml高纯无水乙醇的溶液中，避光，搅拌12h，使其充分溶解；
最后，将上述制备的光阳极放入上述染料溶液中，浸泡24h后取出用无水乙醇溶液进行表面冲洗，晾干，使得光阳极表面吸附有染料敏化剂，然后将光阳极和对电极相对放置，封装在一起，形成三明治结构，将电解液用注射器注入两电极之间，形成染料敏化太阳能电池。
其中，以实施例1所制备的光阳极得到的染料敏化太阳能电池记为电池1，以实施例2所制备的光阳极得到的染料敏化太阳能电池记为电池2，以实施例3所制备的光阳极得到的染料敏化太阳能电池记为电池3。
采用Keithley2400数字电源表和太阳光模拟器(光源500W的氙灯，AM＝1.5)测试得到的电池1～3的I-V特征曲线，从测试结果中得到三种染料电池的开路电压Voc，短路电流密度Jsc，光电转换效率η，其结果如下表1三种不同染料敏化太阳能电池性能对照表。
表1三种不同染料敏化太阳能电池性能对照表
对比电池1～3，可以发现，电池1以SnO2颗粒层、SnO2纳米线层为光阳极制备的DSSC，其开路电压为0.67V，短路电流密度高达18.95mA/cm2，光电转换效率为8.95％，相较于电池1、电池2，表现较高的光电转换效率。
以上所述仅为本发明的较佳方式，并不用以限制本发明，在不脱离本发明的基本特征的宗旨下，本发明可体现为多种形式，本发明中的实施形态是用于说明而非限制，因此应当认为，所附权利要求应当解释为包括了落在本发明真正的精神和范围内所有这样的替代、重排和等效形式。
Claims (5)
1.一种改进型光阳极结构的染料敏化太阳能电池，该染料敏化太阳能电池包括光阳极、对电极、电解液；其中，该对电极与光阳极对置设置，该对电极是在FTO基底的上表面印刷有铂形成的；电解液设置在光阳极与对电极之间；该光阳极表面吸附有染料敏化剂，该染料敏化剂为N719钌染料，该电解液中氧化还原对为I-/I3 -；其特征在于，该光阳极包括FTO基底，在FTO基底表面设有SnO2颗粒层，在SnO2颗粒层表面设有SnO2纳米线层。
2.根据权利要求1所述的染料敏化太阳能电池，其特征在于，该SnO2颗粒层厚度为5μm，粒径为10μm；该SnO2颗粒是以油菜花花粉为模板通过水热法制备的。
3.根据权利要求2所述的染料敏化太阳能电池，其特征在于，该SnO2纳米线层以水热法制备，该SnO2纳米线层厚度为5μm，纳米线长度为10μm，直径为200nm。
4.根据权利要求1所述的染料敏化太阳能电池，其特征在于，该SnO2纳米线层嵌入SnO2颗粒层并在其表面形成SnO2纳米线层。
5.根据权利要求1或4所述的染料敏化太阳能电池，其特征在于，该光阳极的制备过程如下：
步骤1，制备SnO2颗粒
首先，筛选出直径20μm的油菜花花粉，取8g用酒精漂洗、干燥；
然后，将15g氯化锡粉末(SnCl4·5H2O)放入80ml无水酒精中，搅拌至澄清溶液得到前驱体溶液；
将准备好的花粉粒进行两步浸泡：第一步浸泡，将花粉放入上述前驱体溶液中强力搅拌14h，将溶液离心分离，酒精清洗三遍，无离子水清洗，在60℃的干燥箱中干燥3h；第二步浸泡，依照第一步浸泡方法，将浸泡过的花粉再放入前驱体溶液中浸泡8h；然后将花粉放入100ml酒精和100ml水的混合溶液中水解2h，离心分离后分散在酒精溶液中，在60℃的干燥箱中干燥4h，最后，将模板化的混合体在空气退火炉中以2℃/min的升温速率升到600℃煅烧3h，以去除花粉模板，收集白色粉末为SnO2颗粒，粒径为10μm。
步骤2，制备SnO2颗粒层
首先，将FTO基底清洗干净，将清洗过的FTO基底放入TiCl4水溶液中，在70℃下保持30min取出，用去离子水反复清洗干净，然后将FTO基底放入马弗炉中在400℃下退火1h；
然后，配置SnO2浆料，采用刮涂法将SnO2浆料涂覆在FTO基底上，制成厚度为5μm的薄膜，晾干后放入空气退火炉中350℃煅烧2h，得到SnO2颗粒层；
步骤3，制备SnO2纳米线层
将一定量的草酸亚锡和聚乙烯屁咯烷酮分别溶解于乙二醇溶液中，然后把两种溶液倒入烧杯中，搅拌均匀，再将上步得到的带有SnO2颗粒层的FTO基底浸入烧杯中，加热并控制温度为170℃，使其反应3h，待反应完成后，静止冷却至室温，将FTO基底用无水乙醇反复清洗几次，干燥后，将FTO基底放入马弗炉中450℃煅烧4h，在FTO基底上得到SnO2纳米线层。
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