CN106981368A - 一种包含石墨烯基于双散射结构的太阳能电池光阳极 - Google Patents
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Abstract
本申请涉及一种包含石墨烯基于双散射结构的太阳能电池光阳极，该光阳极为一种双散射结构的光电极，该光阳极包括透明导电基片、设于透明导电基片上的第一散射层、设于第一散射层之上的第二散射层；其中，该第一散射层包括TiO2空心球、WO3纳米颗粒、MnO2纳米颗粒、石墨烯，该第二散射层为TiO2纳米片结构。
Description
技术领域
本申请涉及电极材料技术领域，尤其涉及一种包含石墨烯基于双散射结构的太阳能电池光阳极。
背景技术
能源问题是人类面临的共同问题，由于化石燃料的日渐枯竭和大量化石燃料的使用造成的环境污染，已经严重威胁到人类的生存和发展。
20世纪以来，随着世界经济的发展与人口的急剧增长，环境、能源和人口等日益成为人类亟待解决的重大问题。由于化石燃料的贮藏总量有限，在本世纪末将会基本耗尽。如果不找到大量的可以再生的能源，人类的生存将会面临前所未有的困境。虽然我们这代人很难看到这种局面的出现，但是由于大量化石燃料的应用造成的环境污染与生态破坏以及温室效应，却是有目共睹的。近年来频繁出现的极端气候天气，已经给人类的生存方式提出了严重的警告。但是人类的生存和社会经济的发展离不开能源，新能源尤其是可以再生的绿色能源的开发与利用是涉及一个国家生死存亡的重大问题，引起了世界各国的高度重视，同时在新能源的开发和研究方面投入了大量的人力物力。
太阳能的大规模应用是解决能源问题和环境问题的关键突破口。染料敏化太阳能电池由于具有安全无毒，转化效率较高，成本低廉的优点，被认为是实现太阳能大规模利用的主要候选者。光阳极的组成和结构直接影响染料敏化太阳能电池的转化效率和长期稳定性，是电池的最重要的组成部分。
现阶段的染料敏化太阳能电池中，其光阳极一般由TiO2纳米颗粒构成，相比其它氧化物半导体材料，其可以得到更好的光电性能；而在影响光电性能的因素中，TiO2电极的比表面积、光捕获效率和载流子迁移率是三个重要的因素，当TiO2纳米颗粒的粒径越小时，其比表面积越大，但是小颗粒的TiO2不仅会增加电子的传输路径，提高光生电子的复合，而且光利用率低，因此开发一种能够同时兼备高比表面积和高散射能力的TiO2材料具有积极意义。
发明内容
本发明旨在提供一种包含石墨烯基于双散射结构的太阳能电池光阳极，以解决上述提出问题。
本发明的实施例中提供了一种包含石墨烯基于双散射结构的太阳能电池光阳极，该光阳极为一种双散射结构的光电极，该光阳极包括透明导电基片、设于透明导电基片上的第一散射层、设于第一散射层之上的第二散射层；其中，该第一散射层包括TiO2空心球、WO3纳米颗粒、MnO2纳米颗粒、石墨烯，该第二散射层为TiO2纳米片结构。
本发明的实施例提供的技术方案可以包括以下有益效果：
1.本发明的光阳极中具有双层散射结构，两个散射层均基于纳米结构，特别是，在第一散射层中包含有多种纳米粒子，表现为很大的比表面积，增加了对染料的吸附能力，同时，两个散射层对光均具有良好的散射效果，增强了光阳极的光捕获效率，实现了基于TiO2光阳极的多功能化，对光电转换效率产生了积极效果；
2.本发明的光阳极的第一散射层中，在TiO2空心球之间还填充有WO3纳米颗粒，纳米氧化钨是一种具有催化、电致变色、气致变色、光致变色、气敏、超导等诸多特性的多功能过渡金属氧化物半导体功能材料，其对红外线具有一定的吸收功能，而染料及TiO2空心球对光的吸收较多的集中在紫外及可见光区，WO3纳米颗粒的加入增大了该光阳极对光的吸收频率范围，提高了光电转换效率。
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是本发明双散射结构光阳极的结构示意图，
其中，10-透明导电基片，11-第一散射层，12-第二散射层。
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包含石墨烯基于双散射结构的太阳能电池光阳极，在现有技术的基础上，该光阳极为一种双散射结构的光电极，结合图1所示，该光阳极包括透明导电基片10、设于透明导电基片上的第一散射层11、设于第一散射层11之上的第二散射层12。
其中，该第一散射层包括TiO2空心球，还包括有WO3纳米颗粒、MnO2纳米颗粒、石墨烯；
该第二散射层为TiO2纳米片结构。
染料敏化太阳能电池的光阳极中，通常情况下是在透明导电基片上单一的设有一层TiO2颗粒层，该种方法制备的光阳极存在孔隙率较低、比表面积不够高、颗粒间接触不理想导致电子扩撒系数小，从而阻碍了染料敏化太阳能电池光电转化效率的提高；鉴于此，本申请的技术方案中，在透明导电基片上设有第一散射层、第二散射层，第一散射层、第二散射层构成双散射薄膜电极，并且，两个散射层均包含TiO2纳米结构，该种结构中，两个散射层均基于纳米结构，特别是，在第一散射层中包含有多种纳米粒子，表现为很大的比表面积，增加了对染料的吸附能力，同时，两个散射层对光均具有良好的散射效果，增强了光阳极的光捕获效率，实现了基于TiO2光阳极的多功能化，对光电转换效率产生了积极效果。
上述的光阳极中，该第一散射层包括TiO2空心球、WO3纳米颗粒、MnO2纳米颗粒、石墨烯，上述各物质占第一散射层总质量的质量百分比分别为46％、24％、25％、5％。
TiO2空心球的球壳是由TiO2纳米晶团聚而成，具有较大的比表面积和多孔结构，这些结构对于染料的有效吸附、电解质的扩散及光散射具有积极效果，TiO2空心球结构是一种很有潜力的光阳极材料，然而，TiO2空心球与导电基底的接触性不好，在接触界面上存在很多空隙，降低了导电基底收集电子的能力，进而导致光电转换效率的下降。
鉴于此，本申请技术方案的第一散射层中，在TiO2空心球之间混合填充有石墨烯，石墨烯是一种没有能隙的物质，显示金属性；单层的石墨烯，每个碳原子都有一个未成键的电子，因此具有非常好的导电性，石墨烯还具有非常大的比表面积、优异的机械性能和物理性能、良好的导电性能，将石墨烯作为染料敏化太阳能电池的光阳极材料的技术方案不多；此外由于石墨烯表现单层或多层片状结构，其能够很好的修复TiO2空心球与导电基底之间接触性不好的问题。
同时，本申请技术方案的第一散射层中，在TiO2空心球之间还填充有WO3纳米颗粒，纳米氧化钨是一种具有催化、电致变色、气致变色、光致变色、气敏、超导等诸多特性的多功能过渡金属氧化物半导体功能材料，其对红外线具有一定的吸收功能，而染料及TiO2空心球对光的吸收较多的集中在紫外及可见光区，WO3纳米颗粒的加入增大了该光阳极对光的吸收频率范围，提高了光电转换效率。
该双散射结构光电极的制备过程为：
步骤1，清洗透明导电基片；
步骤2，在透明导电基片上制备第一散射层；
步骤3，在第一散射层之上制备第二散射层；
具体的，
步骤1，清洗透明导电基片
透明导电基片选FTO基片，将其裁剪、然后放入丙酮、乙醇、去离子水中依次超声清洗30min；
步骤2，制备第一散射层
a)制备TiO2空心球：
将2.6g的Ti(SO4)2加入到150ml的蒸馏水中，搅拌30min；将0.41g的氟化铵和1.2g的尿素加入到上述溶液中，搅拌50min；将上述溶液转移到两个100ml水热釜中，在180℃下水热反应12h，反应结束后，收集水热釜中的白色沉淀并分别水洗和醇洗各3遍，然后在真空干燥箱中80℃下干燥8h，得到TiO2空心球粉末；
b)将单层石墨烯溶于丙酮中，超声处理至完全溶解，单层石墨烯的浓度为12.6mg/ml；按照比例将TiO2空心球粉末、WO3纳米颗粒、MnO2纳米颗粒和上述得到的石墨烯溶液混合均匀，并超声分散，得到混合材料；将上述的混合材料旋涂到FTO基底上，放置60h以上晾干，然后将FTO基底放入水合肼蒸汽中进行还原，在氮气保护下，500℃煅烧10h，在FTO基底表面得到第一散射层；
步骤3，制备第二散射层
将25ml的Ti(OC4H9)4和3ml的HF加入到100ml聚四氟乙烯内衬的水热釜中，然后在180℃水热24h；水热结束后，收集白色沉淀物，分别用无水乙醇和去离子水反复冲洗，最后，将白色沉淀物转移到真空干燥箱中80℃下干燥8h，得到TiO2纳米片粉末；
然后取1.5g的TiO2纳米片粉末、5g的松油醇、8.5g 10％的乙基纤维素乙醇溶液、25ml的无水乙醇，将上述物质加入到50ml烧杯中，并在烧杯中放入磁子，微热搅拌，直到乙醇挥发变成粘性浆料，将该浆料滴加到FTO基底的第一散射层之上，用载玻片快速刮涂均匀，使浆料均匀铺展，晾干后，将其放入马弗炉中在450℃退火30min、500℃退火30min，煅烧结束后，得到第二散射层，即为本申请的光阳极。
实施例1
步骤1，清洗透明导电基片
透明导电基片选FTO基片，将其裁剪、然后放入丙酮、乙醇、去离子水中依次超声清洗30min；
步骤2，制备第一散射层
a)制备TiO2空心球：
将2.6g的Ti(SO4)2加入到150ml的蒸馏水中，搅拌30min；将0.41g的氟化铵和1.2g的尿素加入到上述溶液中，搅拌50min；将上述溶液转移到两个100ml水热釜中，在180℃下水热反应12h，反应结束后，收集水热釜中的白色沉淀并分别水洗和醇洗各3遍，然后在真空干燥箱中80℃下干燥8h，得到TiO2空心球粉末；
b)将单层石墨烯溶于丙酮中，超声处理至完全溶解，单层石墨烯的浓度为12.6mg/ml；按照比例将TiO2空心球粉末、WO3纳米颗粒、MnO2纳米颗粒和上述得到的石墨烯溶液混合均匀，并超声分散，得到混合材料；将上述的混合材料旋涂到FTO基底上，放置60h以上晾干，然后将FTO基底放入水合肼蒸汽中进行还原，在氮气保护下，500℃煅烧10h，在FTO基底表面得到第一散射层；在该第一散射层中，TiO2空心球、WO3纳米颗粒、MnO2纳米颗粒、石墨烯，占第一散射层总质量的质量百分比分别为46％、24％、25％、5％。
步骤3，制备第二散射层
将25ml的Ti(OC4H9)4和3ml的HF加入到100ml聚四氟乙烯内衬的水热釜中，然后在180℃水热24h；水热结束后，收集白色沉淀物，分别用无水乙醇和去离子水反复冲洗，最后，将白色沉淀物转移到真空干燥箱中80℃下干燥8h，得到TiO2纳米片粉末；
然后取1.5g的TiO2纳米片粉末、5g的松油醇、8.5g 10％的乙基纤维素乙醇溶液、25ml的无水乙醇，将上述物质加入到50ml烧杯中，并在烧杯中放入磁子，微热搅拌，直到乙醇挥发变成粘性浆料，将该浆料滴加到FTO基底的第一散射层之上，用载玻片快速刮涂均匀，使浆料均匀铺展，晾干后，将其放入马弗炉中在450℃退火30min、500℃退火30min，煅烧结束后，得到第二散射层，即为本申请的光阳极。
采用上述光阳极，以N719为染料制备的染料敏化太阳能电池的光电转换效率达到9.23％。
实施例2
步骤1，清洗透明导电基片
透明导电基片选FTO基片，将其裁剪、然后放入丙酮、乙醇、去离子水中依次超声清洗30min；
步骤2，制备第一散射层
a)制备TiO2空心球：
将2.6g的Ti(SO4)2加入到150ml的蒸馏水中，搅拌30min；将0.41g的氟化铵和1.2g的尿素加入到上述溶液中，搅拌50min；将上述溶液转移到两个100ml水热釜中，在180℃下水热反应12h，反应结束后，收集水热釜中的白色沉淀并分别水洗和醇洗各3遍，然后在真空干燥箱中80℃下干燥8h，得到TiO2空心球粉末；
b)将单层石墨烯溶于丙酮中，超声处理至完全溶解，单层石墨烯的浓度为12.6mg/ml；按照比例将TiO2空心球粉末、WO3纳米颗粒、MnO2纳米颗粒和上述得到的石墨烯溶液混合均匀，并超声分散，得到混合材料；将上述的混合材料旋涂到FTO基底上，放置60h以上晾干，然后将FTO基底放入水合肼蒸汽中进行还原，在氮气保护下，500℃煅烧10h，在FTO基底表面得到第一散射层；在该第一散射层中，TiO2空心球、WO3纳米颗粒、MnO2纳米颗粒、石墨烯，占第一散射层总质量的质量百分比分别为55％、20％、20％、5％。
步骤3，制备第二散射层
将25ml的Ti(OC4H9)4和3ml的HF加入到100ml聚四氟乙烯内衬的水热釜中，然后在180℃水热24h；水热结束后，收集白色沉淀物，分别用无水乙醇和去离子水反复冲洗，最后，将白色沉淀物转移到真空干燥箱中80℃下干燥8h，得到TiO2纳米片粉末；
然后取1.5g的TiO2纳米片粉末、5g的松油醇、8.5g 10％的乙基纤维素乙醇溶液、25ml的无水乙醇，将上述物质加入到50ml烧杯中，并在烧杯中放入磁子，微热搅拌，直到乙醇挥发变成粘性浆料，将该浆料滴加到FTO基底的第一散射层之上，用载玻片快速刮涂均匀，使浆料均匀铺展，晾干后，将其放入马弗炉中在450℃退火30min、500℃退火30min，煅烧结束后，得到第二散射层，即为本申请的光阳极。
采用上述光阳极，以N719为染料制备的染料敏化太阳能电池的光电转换效率达到8.66％。
实施例3
步骤1，清洗透明导电基片
透明导电基片选FTO基片，将其裁剪、然后放入丙酮、乙醇、去离子水中依次超声清洗30min；
步骤2，制备第一散射层
a)制备TiO2空心球：
将2.6g的Ti(SO4)2加入到150ml的蒸馏水中，搅拌30min；将0.41g的氟化铵和1.2g的尿素加入到上述溶液中，搅拌50min；将上述溶液转移到两个100ml水热釜中，在180℃下水热反应12h，反应结束后，收集水热釜中的白色沉淀并分别水洗和醇洗各3遍，然后在真空干燥箱中80℃下干燥8h，得到TiO2空心球粉末；
b)将单层石墨烯溶于丙酮中，超声处理至完全溶解，单层石墨烯的浓度为12.6mg/ml；按照比例将TiO2空心球粉末、WO3纳米颗粒、MnO2纳米颗粒和上述得到的石墨烯溶液混合均匀，并超声分散，得到混合材料；将上述的混合材料旋涂到FTO基底上，放置60h以上晾干，然后将FTO基底放入水合肼蒸汽中进行还原，在氮气保护下，500℃煅烧10h，在FTO基底表面得到第一散射层；在该第一散射层中，TiO2空心球、WO3纳米颗粒、MnO2纳米颗粒、石墨烯，占第一散射层总质量的质量百分比分别为60％、15％、10％、5％。
步骤3，制备第二散射层
将25ml的Ti(OC4H9)4和3ml的HF加入到100ml聚四氟乙烯内衬的水热釜中，然后在180℃水热24h；水热结束后，收集白色沉淀物，分别用无水乙醇和去离子水反复冲洗，最后，将白色沉淀物转移到真空干燥箱中80℃下干燥8h，得到TiO2纳米片粉末；
然后取1.5g的TiO2纳米片粉末、5g的松油醇、8.5g 10％的乙基纤维素乙醇溶液、25ml的无水乙醇，将上述物质加入到50ml烧杯中，并在烧杯中放入磁子，微热搅拌，直到乙醇挥发变成粘性浆料，将该浆料滴加到FTO基底的第一散射层之上，用载玻片快速刮涂均匀，使浆料均匀铺展，晾干后，将其放入马弗炉中在450℃退火30min、500℃退火30min，煅烧结束后，得到第二散射层，即为本申请的光阳极。
采用上述光阳极，以N719为染料制备的染料敏化太阳能电池的光电转换效率达到8.35％。
以上所述仅为本发明的较佳方式，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种包含石墨烯基于双散射结构的太阳能电池光阳极，其特征在于，该光阳极为一种双散射结构的光电极，该光阳极包括透明导电基片、设于透明导电基片上的第一散射层、设于第一散射层之上的第二散射层；其中，该第一散射层包括TiO2空心球、WO3纳米颗粒、MnO2纳米颗粒、石墨烯，该第二散射层为TiO2纳米片结构。
2.根据权利要求1所述的光阳极，其特征在于，该第一散射层中，TiO2空心球、WO3纳米颗粒、MnO2纳米颗粒、石墨烯占第一散射层总质量的质量百分比分别为46～60％、15～24％、10～25％、5％。
3.根据权利要求2所述的光阳极，其特征在于，该第一散射层中，TiO2空心球、WO3纳米颗粒、MnO2纳米颗粒、石墨烯占第一散射层总质量的质量百分比分别为46％、24％、25％、5％。
4.根据权利要求3所述的光阳极，其特征在于，该第一散射层中，石墨烯为单层石墨烯。
5.根据权利要求4所述的光阳极，其特征在于，该第一散射层的制备过程为：
a)制备TiO2空心球：
将2.6g的Ti(SO4)2加入到150ml的蒸馏水中，搅拌30min；将0.41g的氟化铵和1.2g的尿素加入到上述溶液中，搅拌50min；将上述溶液转移到两个100ml水热釜中，在180℃下水热反应12h，反应结束后，收集水热釜中的白色沉淀并分别水洗和醇洗各3遍，然后在真空干燥箱中80℃下干燥8h，得到TiO2空心球粉末；
b)将单层石墨烯溶于丙酮中，超声处理至完全溶解，单层石墨烯的浓度为12.6mg/ml；按照比例将TiO2空心球粉末、WO3纳米颗粒、MnO2纳米颗粒和上述得到的石墨烯溶液混合均匀，并超声分散，得到混合材料；将上述的混合材料旋涂到FTO基底上，放置60h以上晾干，然后将FTO基底放入水合肼蒸汽中进行还原，在氮气保护下，500℃煅烧10h，在FTO基底表面得到第一散射层。
6.根据权利要求1所述的光阳极，其特征在于，该第二散射层的制备过程为：
a)将25ml的Ti(OC4H9)4和3ml的HF加入到100ml聚四氟乙烯内衬的水热釜中，然后在180℃水热24h；水热结束后，收集白色沉淀物，分别用无水乙醇和去离子水反复冲洗，最后，将白色沉淀物转移到真空干燥箱中80℃下干燥8h，得到TiO2纳米片粉末；
b)然后取1.5g的TiO2纳米片粉末、5g的松油醇、8.5g 10％的乙基纤维素乙醇溶液、25ml的无水乙醇，将上述物质加入到50ml烧杯中，并在烧杯中放入磁子，微热搅拌，直到乙醇挥发变成粘性浆料，将该浆料滴加到FTO基底的第一散射层之上，用载玻片快速刮涂均匀，使浆料均匀铺展，晾干后，将其放入马弗炉中在450℃退火30min、500℃退火30min，煅烧结束后，得到第二散射层。
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