CN107068408A - 一种用于染料敏化太阳能电池的光阳极及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于染料敏化太阳能电池的光阳极及其制备方法，属于染料敏化太阳能电池领域。解决现有技术中由传统的阳极氧化方法制备得到的TiO2纳米管构建的光阳极应用于染料敏化太阳能电池只能从对电极一侧接受光照，不利于阳光的充分利用，导致电池效率较低的技术问题。本发明提供的光阳极包括：FTO导电玻璃；平铺在所述FTO导电玻璃的导电面的粘结剂；附在所述粘结剂上的透光TiO2纳米管薄膜。本发明提供的光阳极的制备方法。本发明提供的用于染料敏化太阳能电池的光阳极既为电子传输提供了快速的通道，同时又能保证光阳极受光，提高了光的利用率。本发明提供的制备方法制得的TiO2纳米管薄膜管径、厚度分布均匀，透光性好，工艺简单成本低，可重复性强。
Description
技术领域
本发明属于染料敏化太阳能电池领域，具体涉及一种用于染料敏化太阳能电池的光阳极及其制备方法。
背景技术
染料敏化太阳能电池属于新一代光伏电池，由于其制备成本低廉、转换效率高的特点，使染料敏化太阳能电池在光伏市场中显示出很高的潜在应用价值。染料敏化太阳能电池的构成主要由光阳极、电解质、以及对电极组成。其中光阳极是染料接受光照产生光生电子的部分，对电池光伏性能产生重要的影响。目前主要的光阳极构成为TiO2颗粒堆积结构，但是这种结构的缺点在于电子传输途径较长，同时电荷复合中心较多，不利于电流的提高。基于TiO2纳米管构建光阳极可以为电子传输提供快速的通道，但是，传统的阳极氧化方法制备得到的TiO2纳米管是生长在金属Ti箔上的，所以在染料敏化太阳能电池的应用中只能从对电极一侧接受光照，不利于阳光的充分利用，导致电池效率较低。
发明内容
本发明要解决现有技术中由传统的阳极氧化方法制备得到的TiO2纳米管构建的光阳极应用于染料敏化太阳能电池只能从对电极一侧接受光照，不利于阳光的充分利用，导致电池效率较低的技术问题，提供一种用于染料敏化太阳能电池的光阳极及其制备方法，制备的可透光的TiO2纳米管薄膜光阳极，既为电子传输提供了快速的通道，同时又能保证光阳极受光，提高了光的利用率，使染料敏化太阳能电池呈现更好的光伏性能。
为了解决上述技术问题，本发明的技术方案具体如下：
一种用于染料敏化太阳能电池的光阳极，该光阳极包括：
FTO导电玻璃；
平铺在所述FTO导电玻璃的导电面的粘结剂；
附在所述粘结剂上的透光TiO2纳米管薄膜；
所述透光TiO2纳米管薄膜是由中空可透光的TiO2纳米管紧密排列形成的阵列结构的透光薄膜。
在上述技术方案中，所述透光TiO2纳米管薄膜是由外径分布在105-125nm，内径分布在90-110nm，薄膜厚度15μm的中空可透光的TiO2纳米管紧密排列形成的阵列结构的透光薄膜。
在上述技术方案中，所述粘结剂是由15wt％乙基纤维素，15wt％无水乙醇和70wt％松油醇组成。
一种用于染料敏化太阳能电池的光阳极的制备方法，包括以下步骤：
步骤A：将金属Ti箔表面打磨光滑，超声洗涤、清洗、吹干备用；
步骤B：配制电解液；
步骤C：将金属Ti箔作为阳极与直流稳压电源正极相连，石墨片作为阴极与直流稳压电源负极相连，在电解池中对金属Ti箔进行第一次阳极氧化反应，反应结束后得到生长在金属Ti箔表面的TiO2纳米管；
步骤D：将步骤C得到的TiO2纳米管转移至马弗炉中进行退火处理，冷却，得到锐钛矿型TiO2纳米管；
步骤E：将步骤D得到的锐钛矿型TiO2纳米管重新放入到步骤B配制的电解液中，进行第二次阳极氧化反应，反应结束后获得产品；
步骤F：将步骤E得到的产品放入10％-30％的H2O2水溶液中浸泡8-12小时，得到从金属Ti箔上分离下来的透光TiO2纳米管薄膜；
步骤G：配制粘结剂；
步骤H：将步骤G得到的粘结剂以刮刀法平铺在FTO导电玻璃的导电面，将步骤F得到的透光TiO2纳米管薄膜附在粘结剂上，压平，转移至烘箱中烘干；
步骤I：将步骤H得到的产品转移至马弗炉中退火处理，得到用于染料敏化太阳能电池的光阳极。
在上述技术方案中，步骤B中所述配制电解液的具体步骤为：在聚四氟乙烯材质电解池中配制NH4F含量为0.5wt％，去离子水含量为3vol％的乙二醇电解液。
在上述技术方案中，步骤C中所述第一次阳极氧化反应的条件为：电压50V，时间8h，阴阳两极间距为10cm。
在上述技术方案中，步骤D中所述退火处理的温度为450℃，时间为2h。
在上述技术方案中，步骤E中所述第二次阳极氧化反应的条件为：电压10V，时间8h。
在上述技术方案中，步骤G中所述配制粘结剂溶液的具体步骤为：
将15wt％乙基纤维素，15wt％无水乙醇和70wt％松油醇混合搅拌至透明溶液，得到粘结剂。
在上述技术方案中，步骤I中所述退火处理的温度为450℃，时间为1h。
本发明的有益效果是：
(1)本发明提供的用于染料敏化太阳能电池的光阳极，所述透光TiO2纳米管薄膜在粘结剂的作用下可以和FTO导电玻璃牢固结合形成光阳极，该光阳极既为电子传输提供了快速的通道，同时又能保证光阳极受光，提高了光的利用率。该光阳极具有很好的透光能力，用于染料敏化太阳能电池中可以直接从光阳极一侧接受光照，使太阳光和光阳极中的敏化剂有充分的作用，激发染料产生更多光生电子，提高光电流，有利于阳光的充分吸收利用，提高电池光伏性能。
特别是当所述透光TiO2纳米管薄膜是由外径分布在105-125nm，内径分布在90-110nm，薄膜厚度15μm的中空可透光的TiO2纳米管紧密排列形成的阵列结构的透光薄膜时，制备的可透光的TiO2纳米管薄膜光阳极用作染料敏化太阳能电池的光阳极可以吸附染料敏化剂，其有序的纳米管通道可为电子传输提供快速的途径，减少光生电子与空穴的复合机会，有利于光电流的提高，进而提升染料敏化太阳能电池的光电转换效率，使染料敏化太阳能电池呈现更好的光伏性能。
当使用由15wt％乙基纤维素，15wt％无水乙醇和70wt％松油醇组成的粘结剂时，透光TiO2纳米管薄膜能够更好的与FTO导电玻璃结合，粘贴效果非常好。
(2)本发明提供的用于染料敏化太阳能电池的光阳极的制备方法，该方法与现有制备方法的主要区别是通过将生长在金属Ti箔表面的TiO2纳米管放入H2O2中浸泡适当时间，进而得到从金属Ti箔上分离下来的独立的透光TiO2纳米管薄膜，所得的透光TiO2纳米管薄膜是整张的、完整的薄膜，而传统的经过高温退火得到的自然脱落的薄膜，会发生卷曲或不是一张完整的薄膜。
(3)本发明提供的用于染料敏化太阳能电池的光阳极的制备方法，制得的TiO2纳米管薄膜管径、厚度分布均匀，透光性好，工艺成本低廉，工艺步骤简单，可重复性强。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。
图1为本发明提供的光阳极染料组装的敏化太阳能电池的结构示意图。
图2为本发明得到的透光TiO2纳米管薄膜照片。
图3为本发明制备的用于染料敏化太阳能电池的光阳极表面形貌SEM图。
图4为本发明制备的用于染料敏化太阳能电池的光阳极横断面SEM图。
图5为本发明制备的透光TiO2纳米管薄膜的TEM图。
图6为本发明制备的用于染料敏化太阳能电池的光阳极的XRD谱图。
图7为本发明制备的光阳极组装的染料敏化太阳能电池照片。
图8为本发明制备的光阳极组装的染料敏化太阳能电池进行光阳极受光和对电极受光的I-V曲线对比图。
具体实施方式
本发明得到甘肃省河西走廊特色资源利用重点实验室面上项目的支持(项目编号：XZ1604)。
下面结合附图对本发明做以详细说明。
如图1所示，本发明提供一种用于染料敏化太阳能电池的光阳极及其制备方法。这种可透光TiO2纳米管光阳极组装的染料敏化太阳能电池允许光阳极直接接受太阳光照，使阳光和光阳极中的染料敏化剂有充分的作用，激发产生更多的光生电子，有利于电池效率的提高。
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
实施例1
准备金属Ti箔。用砂纸将金属Ti箔表面打磨光滑，裁成大小为2.0cm×2.0cm方块状，转移至丙酮溶液中超声洗涤5min，再转移至无水乙醇中超声清洗3min，然后用吹风机吹干，待用。
配制阳极氧化用电解液。在聚四氟乙烯材质电解池中配制NH4F含量为0.5wt％，去离子水含量为3vol％的乙二醇电解液，总体积为150mL。
将金属Ti箔作为阳极与直流稳压电源正极相连，石墨片作为阴极与直流稳压电源负极相连，在电解池中对金属Ti箔进行第一次阳极氧化反应，条件为电压50V，时间8h，阴阳两极间距为10cm。反应结束后得到生长在金属Ti箔表面的TiO2纳米管。将此步骤得到的TiO2纳米管转移至马弗炉中，以450℃温度退火处理2h，冷却，得到锐钛矿型TiO2纳米管。然后将得到的锐钛矿型TiO2纳米管重新放入到阳极氧化电解池中，进行第二次阳极氧化，条件为电压10V，时间8h。最后，得到的产品放入30％的H2O2水溶液中浸泡12小时，得到从金属Ti箔上分离下来的透光TiO2纳米管薄膜，自然晾干。
对上述方法制备得到的薄膜进行检测，图2为该薄膜的透光性照片，很明显，衬于薄膜底部的字迹可以清晰的辨别出来，说明薄膜具有很好的透光性能。对薄膜表面做形貌测试得到图3的SEM图像，结果证明该薄膜由纳米管构成，纳米管紧密排列形成阵列结构。纳米管孔径分布比较均匀，外径分布在105-125nm，内径分布在90-110nm。
制备用于染料敏化太阳能电池的光阳极。首先，配制粘结剂，其由15wt％乙基纤维素，15wt％无水乙醇和70wt％松油醇混合搅拌至透明溶液制得。然后将粘结剂以刮刀法平铺在FTO导电玻璃的导电面，再将上述得到的透光TiO2纳米管薄膜附在粘结剂上，压平，转移至烘箱中80℃烘干。最后将得到的产品转移至马弗炉中450℃退火处理1h，得到用于染料敏化太阳能电池的光阳极。
对上述方法制备得到的光阳极进行检测，得到图4，图5和图6。图4是用于染料敏化太阳能电池的光阳极的横断面SEM图，其结果显示TiO2纳米管与FTO导电玻璃水平面垂直，且纳米管薄膜厚度为15μm。图5为用于染料敏化太阳能电池的光阳极的TEM图，明显的展示了TiO2纳米管中空的管状结构，为染料敏化可以提供足够的空间，同时也为电子的传输提供了直接的通道。图6是用于染料敏化太阳能电池的光阳极的XRD谱图，对比粉末衍射数据库(Powder Diffraction File)可以确认，TiO2薄膜属于锐钛矿型TiO2(JCPDS#21-1272)。
图7是由上述制备的光阳极经染料敏化后组装的完整染料敏化太阳能电池，基于这种光阳极的染料敏化太阳能电池可以直接从光阳极一侧接受光照，有利于太阳光的充分利用。
分别对由本发明制备的光阳极组装的染料敏化太阳能电池进行光阳极受光和对电极受光的I-V测试，得到光电流-电压曲线(I-V曲线)，即图8所示的结果。从图8可以看出：组装的电池在两种不同的受光方向下，开路电压和填充因子相差均不是很大。但是，本发明制备的光阳极直接接受光照时，使染料敏化太阳能电池表现出了更大的短路电流密度，为16.01mA cm-2，使染料敏化太阳能电池的效率达到7.06％，说明本发明提供的光阳极可以提高太阳光的利用效率，进而提高染料敏化太阳能电池的光电转换效率。
实施例2
准备金属Ti箔。用砂纸将金属Ti箔表面打磨光滑，裁成大小为2.0cm×2.0cm方块状，转移至丙酮溶液中超声洗涤5min，再转移至无水乙醇中超声清洗3min，然后用吹风机吹干，待用。
配制阳极氧化用电解液。在聚四氟乙烯材质电解池中配制NH4F含量为0.5wt％，去离子水含量为3vol％的乙二醇电解液，总体积为150mL。
将金属Ti箔作为阳极与直流稳压电源正极相连，石墨片作为阴极与直流稳压电源负极相连，在电解池中对金属Ti箔进行第一次阳极氧化反应，条件为电压50V，时间8h，阴阳两极间距为10cm。反应结束后得到生长在金属Ti箔表面的TiO2纳米管。将此步骤得到的TiO2纳米管转移至马弗炉中，以450℃温度退火处理2h，冷却，得到锐钛矿型TiO2纳米管。然后将得到的锐钛矿型TiO2纳米管重新放入到阳极氧化电解池中，进行第二次阳极氧化，条件为电压10V，时间8h。最后，得到的产品放入10％的H2O2水溶液中浸泡10小时，得到从金属Ti箔上分离下来的透光TiO2纳米管薄膜，自然晾干。
所得透光TiO2纳米管薄膜由纳米管构成，纳米管紧密排列形成阵列结构。纳米管孔径分布比较均匀，外径分布在105-125nm，内径分布在90-110nm。
制备用于染料敏化太阳能电池的光阳极。首先，配制粘结剂，其由15wt％乙基纤维素，15wt％无水乙醇和70wt％松油醇混合搅拌至透明溶液制得。然后将粘结剂以刮刀法平铺在FTO导电玻璃的导电面，再将上述得到的透光TiO2纳米管薄膜附在粘结剂上，压平，转移至烘箱中80℃烘干。最后将得到的产品转移至马弗炉中450℃退火处理1h，得到用于染料敏化太阳能电池的光阳极。
对上述方法制备得到的光阳极进行检测，其结果显示TiO2纳米管与FTO导电玻璃水平面垂直，且纳米管薄膜厚度为15μm，纳米管为中空的管状结构，能为染料敏化可以提供足够的空间，同时也为电子的传输提供了直接的通道。由上述制备的光阳极经染料敏化后组装的完整染料敏化太阳能电池，可以直接从光阳极一侧接受光照，有利于太阳光的充分利用，进而提高染料敏化太阳能电池的光电转换效率。
实施例3
准备金属Ti箔。用砂纸将金属Ti箔表面打磨光滑，裁成大小为2.0cm×2.0cm方块状，转移至丙酮溶液中超声洗涤5min，再转移至无水乙醇中超声清洗3min，然后用吹风机吹干，待用。
配制阳极氧化用电解液。在聚四氟乙烯材质电解池中配制NH4F含量为0.5wt％，去离子水含量为3vol％的乙二醇电解液，总体积为150mL。
将金属Ti箔作为阳极与直流稳压电源正极相连，石墨片作为阴极与直流稳压电源负极相连，在电解池中对金属Ti箔进行第一次阳极氧化反应，条件为电压50V，时间8h，阴阳两极间距为10cm。反应结束后得到生长在金属Ti箔表面的TiO2纳米管。将此步骤得到的TiO2纳米管转移至马弗炉中，以450℃温度退火处理2h，冷却，得到锐钛矿型TiO2纳米管。然后将得到的锐钛矿型TiO2纳米管重新放入到阳极氧化电解池中，进行第二次阳极氧化，条件为电压10V，时间8h。最后，得到的产品放入20％的H2O2水溶液中浸泡8小时，得到从金属Ti箔上分离下来的透光TiO2纳米管薄膜，自然晾干。
所得透光TiO2纳米管薄膜由纳米管构成，纳米管紧密排列形成阵列结构。纳米管孔径分布比较均匀，外径分布在105-125nm，内径分布在90-110nm。
制备用于染料敏化太阳能电池的光阳极。首先，配制粘结剂，其由15wt％乙基纤维素，15wt％无水乙醇和70wt％松油醇混合搅拌至透明溶液制得。然后将粘结剂以刮刀法平铺在FTO导电玻璃的导电面，再将上述得到的透光TiO2纳米管薄膜附在粘结剂上，压平，转移至烘箱中80℃烘干。最后将得到的产品转移至马弗炉中450℃退火处理1h，得到用于染料敏化太阳能电池的光阳极。
对上述方法制备得到的光阳极进行检测，其结果显示TiO2纳米管与FTO导电玻璃水平面垂直，且纳米管薄膜厚度为15μm，纳米管为中空的管状结构，能为染料敏化可以提供足够的空间，同时也为电子的传输提供了直接的通道。由上述制备的光阳极经染料敏化后组装的完整染料敏化太阳能电池，可以直接从光阳极一侧接受光照，有利于太阳光的充分利用，进而提高染料敏化太阳能电池的光电转换效率。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。
Claims (10)
1.一种用于染料敏化太阳能电池的光阳极，其特征在于，该光阳极包括：
FTO导电玻璃；
平铺在所述FTO导电玻璃的导电面的粘结剂；
附在所述粘结剂上的透光TiO2纳米管薄膜；
所述透光TiO2纳米管薄膜是由中空可透光的TiO2纳米管紧密排列形成的阵列结构的透光薄膜。
2.根据权利要求1所述的用于染料敏化太阳能电池的光阳极，其特征在于，所述透光TiO2纳米管薄膜是由外径分布在105-125nm，内径分布在90-110nm，薄膜厚度15μm的中空可透光的TiO2纳米管紧密排列形成的阵列结构的透光薄膜。
3.根据权利要求1所述的用于染料敏化太阳能电池的光阳极，其特征在于，所述粘结剂是由15wt％乙基纤维素，15wt％无水乙醇和70wt％松油醇组成。
4.权利要求1-3任意一项所述的用于染料敏化太阳能电池的光阳极的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤A：将金属Ti箔表面打磨光滑，超声洗涤、清洗、吹干备用；
步骤B：配制电解液；
步骤C：将金属Ti箔作为阳极与直流稳压电源正极相连，石墨片作为阴极与直流稳压电源负极相连，在电解池中对金属Ti箔进行第一次阳极氧化反应，反应结束后得到生长在金属Ti箔表面的TiO2纳米管；
步骤D：将步骤C得到的TiO2纳米管转移至马弗炉中进行退火处理，冷却，得到锐钛矿型TiO2纳米管；
步骤E：将步骤D得到的锐钛矿型TiO2纳米管重新放入到步骤B配制的电解液中，进行第二次阳极氧化反应，反应结束后获得产品；
步骤F：将步骤E得到的产品放入10％-30％的H2O2水溶液中浸泡8-12小时，得到从金属Ti箔上分离下来的透光TiO2纳米管薄膜；
步骤G：配制粘结剂；
步骤H：将步骤G得到的粘结剂以刮刀法平铺在FTO导电玻璃的导电面，将步骤F得到的透光TiO2纳米管薄膜附在粘结剂上，压平，转移至烘箱中烘干；
步骤I：将步骤H得到的产品转移至马弗炉中退火处理，得到用于染料敏化太阳能电池的光阳极。
5.根据权利要求4所述的用于染料敏化太阳能电池的光阳极的制备方法，其特征在于，步骤B中所述配制电解液的具体步骤为：
在聚四氟乙烯材质电解池中配制NH4F含量为0.5wt％，去离子水含量为3vol％的乙二醇电解液。
6.根据权利要求4所述的用于染料敏化太阳能电池的光阳极的制备方法，其特征在于，步骤C中所述第一次阳极氧化反应的条件为：电压50V，时间8h，阴阳两极间距为10cm。
7.根据权利要求4所述的用于染料敏化太阳能电池的光阳极的制备方法，其特征在于，步骤D中所述退火处理的温度为450℃，时间为2h。
8.根据权利要求4所述的用于染料敏化太阳能电池的光阳极的制备方法，其特征在于，步骤E中所述第二次阳极氧化反应的条件为：电压10V，时间8h。
9.根据权利要求4所述的用于染料敏化太阳能电池的光阳极的制备方法，其特征在于，步骤G中所述配制粘结剂溶液的具体步骤为：
将15wt％乙基纤维素，15wt％无水乙醇和70wt％松油醇混合搅拌至透明溶液，得到粘结剂。
10.根据权利要求4所述的用于染料敏化太阳能电池的光阳极的制备方法，其特征在于，步骤I中所述退火处理的温度为450℃，时间为1h。
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