CN107068409A - 一种包含优化结构光电极的染料敏化太阳能电池 - Google Patents
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Abstract
本申请涉及一种包含优化结构光电极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、对电极和电解液层，光阳极和对电极隔着电解液层相对设置，所述光阳极，在FTO基底上设置TiO2纳米棒层，在TiO2纳米棒层上涂覆TiO2颗粒层。
Description
技术领域
本申请涉及染料敏化太阳能电池领域，尤其涉及一种包含优化结构光电极的染料敏化太阳能电池。
背景技术
为了促进未来社会的可持续发展，太阳能等可再生绿色能源的研究和利用对解决环境污染和能量短缺有着重要的意义。随着不同材料体系电池的出现和优化，光伏器件的能量转换效率逐步提高。
近年来将太阳能转化为电能的研究发展很快，作为太阳能电池，已知有单晶硅太阳能电池、多晶硅太阳能电池、非晶硅太阳能电池、化合物半导体太阳能电池等。近年来，单晶硅太阳能电池、多晶硅太阳能电池等硅类太阳能电池是主流。
但是，硅类太阳能电池需要高纯度的硅材料，而且需要在高温和高真空下进行制造，所以制造成本高。于是，近年来，染料敏化型太阳能电池受到关注。染料敏化型太阳能电池因结构简单所以能够容易地制造，作为构成材料也能够从丰富的材料中选择，并且具有较高的光电转换效率。染料敏化太阳能电池的优点十分突出：1、制作简单，成本低；2、所使用的染料敏化剂可以在很低的光能量下达到饱和，因此可在各种光照条件下使用；3、可以在很宽的温度范围内正常工作；4、可以制成透明的产品，应用于门窗、屋顶以及汽车顶。因此其迅速成为世界各国的研究重点和热点，取得了丰富的成果。
染料敏化太阳能电池从最开始的实验室研究已经发展到向产业化过渡的阶段，在现有技术的基础上，进一步提高效率、降低成本、提高稳定性，最终实现工业化是必然的发展趋势。
染料敏化太阳能电池作为第三代太阳能电池，是目前最有潜力的硅太阳能电池廉价替代物，它以廉价的宽带隙氧化物半导体制备成具有多孔结构、高比表面积的纳米晶薄膜，薄膜上吸附光敏染料，并选用适当的氧化还原电解质，利用染料来俘获太阳光。
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
在现有技术的基础上，本发明旨在提供一种包含优化结构光电极的染料敏化太阳能电池，以解决上述提出问题。
本发明的实施例中提供了一种包含优化结构光电极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、对电极和电解液层，光阳极和对电极隔着电解液层相对设置；所述光阳极，在FTO基底上设置TiO2纳米棒层，在TiO2纳米棒层上涂覆TiO2颗粒层。
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包括光阳极、对电极和电解液层，光阳极和对电极隔着电解液层相对设置；所述光阳极，在FTO基底上设置TiO2纳米棒层，在TiO2纳米棒层上涂覆TiO2颗粒层：
1.在TiO2颗粒层中，包括TiO2颗粒和银包TiO2颗粒，其能够形成维连续的孔结构，具有高的比表面积和易扩散网络通道的作用，能够为染料分子渗入到TiO2颗粒层的深处提供理想的通道，从而使光阳极能够有效的吸附染料分子，其次，电解质溶液能够通过这些孔结构及时有效的还原氧化态的染料，保证电池循环有效的持续进行；
2.在TiO2颗粒层与FTO基底之间设有TiO2纳米棒层，该TiO2纳米棒能够同时与FTO基底和TiO2颗粒层相接触，并且提供了电子传输的通道，同时，TiO2纳米棒与TiO2颗粒同属TiO2材料，有效提高了电子传输的连通性。
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是本发明染料敏化太阳能电池的结构示意图；
其中，1-光阳极，2-对电极，3-电解液层，4-FTO基底，5-TiO2纳米棒层，6-TiO2颗粒层。
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优化结构光电极的染料敏化太阳能电池，如图1所示，该染料敏化太阳能电池包括光阳极1、对电极2和电解液层3，光阳极1和对电极2隔着电解液层3相对设置；该对电极2是在FTO基底表面印刷铂电极形成的；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。
所述光阳极1，如图1所示，在FTO基底4上设置TiO2纳米棒层5，在TiO2纳米棒层5上涂覆TiO2颗粒层6，由于在TiO2纳米棒之间存在空隙，该TiO2颗粒能够将其填充，整体上该TiO2纳米棒层和TiO2颗粒层构成一种复合结构的光阳极。
通常情况下，染料敏化太阳能电池的光阳极是由TiO2薄膜构成，本申请基于优化光阳极结构，在FTO基底上设置TiO2纳米棒层，在TiO2纳米棒层上涂覆TiO2颗粒层，实现了TiO2光阳极的多功能化。
在该光阳极1中，该TiO2纳米棒能够提供电子传输的通道，从而提高载流子的迁移速率，提高光电转换效率；该TiO2颗粒表现为大孔/介孔结构，具有高的光散射性，有利于光散射，增大染料对光能的吸附率；此外，TiO2纳米棒与TiO2颗粒均具有较大的比表面积，两者结合，能够最大限度地提高了其比表面积，增大了染料的吸附效率。
所述光阳极1，该TiO2颗粒层6厚度为30μm，该TiO2颗粒层6中，包括TiO2颗粒和银包TiO2颗粒，两者物质的量比例为3:1；其中，银包TiO2颗粒中，TiO2颗粒粒径为5μm，银包层厚度为100nm。
在该TiO2颗粒层6中，上述所述的TiO2颗粒和银包TiO2颗粒紧密团聚，形成三维连续的孔结构，该孔结构的直径为200～400nm，孔壁厚度为100～300nm，该孔结构的孔壁是由紧密团聚的TiO2颗粒和银包TiO2颗粒组成的；这些孔结构同时具有高的比表面积和易扩散网络通道的作用，能够为染料分子渗入到TiO2颗粒层的深处提供理想的通道，从而使光阳极能够有效的吸附染料分子，其次，电解质溶液能够通过这些孔结构及时有效的还原氧化态的染料，保证电池循环有效的持续进行。
本申请中，将TiO2颗粒和银包TiO2颗粒混合，整体呈现一种三维连续的孔结构，表现为分等级海绵状的大孔/介孔TiO2，大大提升了比表面积，并且，该银包TiO2颗粒中，由于银包层的设置，能够明显增强对光的散射、反射，使得更多的光被染料吸附，增加光电转换效率。
所述光阳极1，该TiO2纳米棒层5厚度为10μm，TiO2纳米棒直径为200nm。
由于上述的TiO2颗粒层表现为三维连续的孔结构，存在很多的空隙，如果将其直接涂覆于FTO基底上，其与FTO基底接触性能并不好，并且这些空隙增加了光生电子在TiO2颗粒层与FTO基底界面处与氧化还原电解液的复合，基于优化光阳极的结构，在本申请中，在TiO2颗粒层与FTO基底之间设有TiO2纳米棒层，该TiO2纳米棒能够同时与FTO基底和TiO2颗粒层相接触，并且提供了电子传输的通道，同时，TiO2纳米棒与TiO2颗粒同属TiO2材料，有效提高了电子传输的连通性。
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TiO2颗粒层(对照例1)或没有设置TiO2纳米棒层(对照例2)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，在FTO基底上设置TiO2纳米棒层，在TiO2纳米棒层上涂覆TiO2颗粒层，所述光阳极的制备过程如下：
步骤1，清洗FTO基底
选FTO基底，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TiO2纳米棒层
将50ml的盐酸和50ml的去离子水混合搅拌均匀，然后用取5ml的Ti(OC4H9)4逐滴滴加到正在搅拌的上述盐酸水溶液中，不断搅拌超过30min，得到前驱体溶液，将此前驱体溶液转移到水热釜中，然后往水热釜中放入清洗后的FTO基底，导电面朝上，220℃下水热2h，取出FTO基底用去离子水和乙醇反复清洗干净，在空气中晾干，即可在FTO基底上得到TiO2纳米棒层；
步骤3，制备TiO2颗粒层
a)将10ml的Ti(OC4H9)4逐滴滴加到100ml的去例子水中，静置24h后，过滤得到白色沉淀物，将该白色沉淀物放到85℃干燥箱中干燥15h；
b)取上述的白色沉淀物和一定量的银包TiO2颗粒混合，得到混合颗粒，两者物质的量之比为2:5，然后磁力搅拌均匀；
c)取0.5g的混合颗粒，将其分散到90ml的去离子水中，然后转移到水热釜中，在195℃下水热30h，结束后，将水热釜中混合沉淀物过滤分离并用去离子水反复冲洗干净，最后，80℃干燥15h；
d)将上述干燥后的混合沉淀物制备成浆料，涂覆于步骤2中得到的FTO基底表面，将其转移到马弗炉中在480℃退火30min，然后再510℃退火30min，自然晾干，即得光阳极。
对照例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，在FTO基底上设置TiO2纳米棒层，所述光阳极的制备过程如下：
步骤1，清洗FTO基底
选取FTO基底，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TiO2纳米棒层
将50ml的盐酸和50ml的去离子水混合搅拌均匀，然后用取5ml的Ti(OC4H9)4逐滴滴加到正在搅拌的上述盐酸水溶液中，不断搅拌超过30min，得到前驱体溶液，将此前驱体溶液转移到水热釜中，然后往水热釜中放入清洗后的FTO基底，导电面朝上，220℃下水热2h，取出FTO基底用去离子水和乙醇反复清洗干净，在空气中晾干，即可在FTO基底上得到TiO2纳米棒层，即得光阳极。
对照例2
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，在FTO基底上涂覆TiO2颗粒层，所述光阳极的制备过程如下：
步骤1，清洗FTO基底
选FTO基底，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，涂覆TiO2颗粒层
a)将10ml的Ti(OC4H9)4逐滴滴加到100ml的去例子水中，静置24h后，过滤得到白色沉淀物，将该白色沉淀物放到85℃干燥箱中干燥15h；
b)取上述的白色沉淀物和一定量的银包TiO2颗粒混合，得到混合颗粒，两者物质的量之比为2:5，然后磁力搅拌均匀；
c)取0.5g的混合颗粒，将其分散到90ml的去离子水中，然后转移到水热釜中，在195℃下水热30h，结束后，将水热釜中混合沉淀物过滤分离并用去离子水反复冲洗干净，最后，80℃干燥15h；
d)将上述干燥后的混合沉淀物制备成浆料，涂覆于步骤1中得到的FTO基底表面，将其转移到马弗炉中在480℃退火30min，然后再510℃退火30min，自然晾干，即得光阳极。
将制备好的上述三种光阳极放入50mmol/L N719钌染料的无水乙醇溶液中浸泡24h，取出后用无水乙醇洗去表面残留的染料敏化剂，吹干后避光保存；在事先打过一个小孔并清洗干净的FTO基底上印刷一层铂浆料，在马弗炉中420℃下烧结30min，得到负载有铂电极的对电极。
然后将上述得到的吸附有染料的三种光阳极分别与对电极对叠，封装，注入电解液，封住小孔，组装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电池记为电池1，以对照例1所制备的光阳极得到的电池记为电池2，以对照例2所制备的光阳极得到的电池记为电池3。
在氙灯光源(光电流强度7.0mA)下进行测试，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的光阳极包括TiO2纳米棒层、TiO2空心球层和ZnO微球层，其开路电压为0.84V，短路电流密度为19.64mA/cm2，光电转换效率为10.56％，相较于电池2、电池3，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，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)
1.一种包含优化结构光电极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、对电极和电解液层，光阳极和对电极隔着电解液层相对设置；其特征在于，所述光阳极，在FTO基底上设置TiO2纳米棒层，在TiO2纳米棒层上涂覆TiO2颗粒层。
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TiO2颗粒层厚度为30μm，该TiO2颗粒层中，包括TiO2颗粒和银包TiO2颗粒，两者物质的量比例为3:1。
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TiO2颗粒层中，上述所述的TiO2颗粒和银包TiO2颗粒紧密团聚，形成三维连续的孔结构，该孔结构的直径为200～400nm，孔壁厚度为100～300nm。
4.根据权利要求3所述的染料敏化太阳能电池，其特征在于，该银包TiO2颗粒中，TiO2颗粒粒径为5μm，银包层厚度为100nm。
5.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TiO2纳米棒层厚度为10μm，TiO2纳米棒直径为200nm。
6.根据权利要求1所述的染料敏化太阳能电池，其特征在于，所述光阳极的制备过程如下：
步骤1，清洗FTO基底
选FTO基底，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TiO2纳米棒层
将50ml的盐酸和50ml的去离子水混合搅拌均匀，然后用取5ml的Ti(OC4H9)4逐滴滴加到正在搅拌的上述盐酸水溶液中，不断搅拌超过30min，得到前驱体溶液，将此前驱体溶液转移到水热釜中，然后往水热釜中放入清洗后的FTO基底，导电面朝上，220℃下水热2h，取出FTO基底用去离子水和乙醇反复清洗干净，在空气中晾干，即可在FTO基底上得到TiO2纳米棒层；
步骤3，制备TiO2颗粒层
a)将10ml的Ti(OC4H9)4逐滴滴加到100ml的去例子水中，静置24h后，过滤得到白色沉淀物，将该白色沉淀物放到85℃干燥箱中干燥15h；
b)取上述的白色沉淀物和一定量的银包TiO2颗粒混合，得到混合颗粒，两者物质的量之比为2:5，然后磁力搅拌均匀；
c)取0.5g的混合颗粒，将其分散到90ml的去离子水中，然后转移到水热釜中，在195℃下水热30h，结束后，将水热釜中混合沉淀物过滤分离并用去离子水反复冲洗干净，最后，80℃干燥15h；
d)将上述干燥后的混合沉淀物制备成浆料，涂覆于步骤2中得到的FTO基底表面，将其转移到马弗炉中在480℃退火30min，然后再510℃退火30min，自然晾干，即得光阳极。
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