CN107254311A - 一种纳米立方体上转换发光材料的制备方法及其应用 - Google Patents
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Abstract
一种纳米立方体上转换发光材料的制备方法及其应用，属于太阳能电池技术领域，将硝酸铈、硝酸镱、硝酸铒和硝酸铁水溶液混合后滴加入聚乙烯吡咯烷酮的水分散剂中，置于200℃环境条件下进行水热反应，反应结束后冷却到室温，经离心取得固相，再经洗涤、烘干、煅烧，得上转换发光材料。本发明制备的染料敏化太阳能电池光阳极材料光电性能良好，光电转换效率比纯二氧化钛提高了27.1%，制备工艺简单，操作简便，无毒无害，适用于太阳能电池领域。
Description
技术领域
本发明属于太阳能电池技术领域，具体涉及染料敏化太阳能电池光阳极材料的制备技术。
背景技术
在能源危机日益加深的今天，由于化石能源的不可再生，核能、风能利用难以大面积推广，太阳能作为另一种可再生清洁能源足以引起人们的重视。利用太阳能，探究新型太阳能电池，已是各相关学科一个很重要的方向。
按照太阳能电池发展历程可以将太阳能电池分为三类：硅基半导体电池，化合物半导体太阳能电池，引入了有机物和纳米技术的新型薄膜太能电池，其中包括染料敏化太阳电池。
光阳极作为光敏化剂的载体和收集电子和传输电子的介质，在染料敏化太阳能电池中起着重要作用。作为电池核心组成部分的染料光敏化剂，吸收光谱的长波限一般都不超过750 nm，而太阳光谱中有55%分布于750 nm外的近红外区域，使得染料敏化太阳电池光阳极对全波段的太阳光能量无法全面吸收。所以从根本上提高染料敏化太阳能电池的效率就必须拓展电池的光谱响应范围，利用上转换发光材料将近红外光转换为可见光。
因此，研究杆状结构复合材料CeO2:Er3+/Yb3+/Fe3+光阳极材料对染料敏化太阳能电池有着重要的应用意义。
现有的制备此复合材料大多采用静电纺丝方法和水热法制备而成，静电纺丝法制备得的复合材料，颗粒较大，一般在微米级别；水热法较于静电纺丝具有粉末细，一般处于纳米级别，纯度高，分散性好，均一，形状可控等优点。但是，一般制备此复合材料公知的水热合成方法，形貌较难控制，且颗粒较大。
发明内容
本发明目的是为了提供一种工艺简单，操作简便，无毒无害，能有效提高太阳能电池光电转换效率的纳米立方体复合材料CeO2: Er3+/Yb3+/Fe3+染料敏化太阳能电池光阳极材料的制备方法。
本发明上转换发光材料通过下述方法制备得到：
1）将硝酸铈水溶液、硝酸镱水溶液、硝酸铒水溶液和硝酸铁水溶液混合，形成混合水溶液；将混合水溶液滴加入聚乙烯吡咯烷酮的水分散剂中，经搅拌，得均一混合溶液；
2）将均一混合溶液置于200℃环境条件下进行水热反应；
3）水热反应结束后，将反应体系冷却到室温，经6000～8000 r/min离心分离，取得固相，再经洗涤后烘干，得到复合材料；
4）将复合材料经1100℃煅烧，得上转换发光材料。
本发明工艺的特点是：
1、采用水热法制备纳米立方体，使得CeO2晶体颗粒充分成长，使得制备成的CeO2:Er3+/Yb3+/Fe3+复合材料结构新颖，呈立方体状，粒径在100nm左右，颗粒尺寸较小，且颗粒较均匀，可以更有效地吸附染料分子，从而使得光电转换效率增加。
2、煅烧方式采用程序升温的方式，颗粒在1100℃高温煅烧下，使得纳米立方体上转换发光材料的形貌保持完整。
3、原材料丰富、制备工艺简单、无毒无害。
4、该方法采用稀土掺杂上转化发光材料与二氧化钛复合制备的光阳极薄膜能有效增加对红外光能量的吸收，扩大了吸收光谱范围，使得光阳极薄膜中光电子散射增强，电池的光电转化效率明显增强，跟现有的P25光阳极电池效率相比增加了27%。
5、本发明采用水热法制备了此结构新颖的Er3+/Yb3+/Fe3+共掺杂CeO2上转换纳米材料，Fe3+的掺入并未影响颗粒的基本形貌，且能大幅度提高上转换发光强度。在煅烧温度相同的情况下，Fe3+掺杂浓度为1%时，发光强度最大，由于Fe3+的掺入，更有利于提高上转换发光强度；并将此复合材料应用于染料敏化太阳能电池，Fe3+的掺入，加强了电子传输效率，从而更加提升光电转化效率。
总之，本发明制备的染料敏化太阳能电池光阳极材料光电性能良好，光电转换效率比纯二氧化钛提高了27.1%，制备工艺简单，操作简便，无毒无害，制备出的纳米立方体复合材料CeO2:Er3+/Yb3+/Fe3+结构新颖，适用于太阳能电池领域。
另外，本发明所述聚乙烯吡咯烷酮的平均分子量为40000。以此平均分子量的聚乙烯吡咯烷酮（K-30），颗粒粒径达100nm左右，且呈近似立方体，可使形貌达到最优；而且进一步地使得复合材料能够更多地吸附染料分子，太阳能电池性能得到最优化。
所述混合水溶液中硝酸铈、硝酸镱、硝酸铒和硝酸铁的混合摩尔比为95.7 ∶ 0.3∶3 ∶ 1。采用硝酸铈、硝酸镱、硝酸铒和硝酸铁制备CeO2掺杂镱、铒的上转换发光材料，因为CeO2具有良好的光化学稳定性，高的熔点，而且易于实现稀土离子掺杂等优点；而且在以CeO2双掺的基础上，继续掺杂铁离子，加强了电子传输能力，在铁离子掺杂量为1%的时候，且在980nm二极管激光器泵浦下，荧光对比发光图谱强度最高，上转换荧光最强，将其应用于染料敏化太阳能电池，其光电转化效率也最高。
所述聚乙烯吡咯烷酮与所述混合水溶液的投料质量比为1∶40～42.5。经研究发现，只有将聚乙烯吡咯烷酮控制在相对于稀土金属盐和金属铁充分过量的情况下，才能使得其形貌得以充分保持完好。
所述烘干的温度条件为80℃。在此温度下的使得复合材料CeO2:Er3+/Yb3+/Fe3+充分干燥，使得离心洗涤的固体物，能够在空气下充分干燥，除去颗粒表面多余的水分，可进一步避免颗粒之间的团聚产生。
所述煅烧时以2℃/min的升温速率自常温升至1100℃煅烧。所述煅烧时，以2℃/min的升温速率从室温升温至1100℃，煅烧时间为3 h，这样上转换材料的上转换发光性能得以激活，而且以2 ℃/min的缓慢升温速度，才能使得吸附在颗粒表面未洗涤完全的过量杂质，通过缓慢氧化，能够除去多余的杂质，纳米立方体复合材料的形貌得以保持，颗粒保持在100nm左右，能吸附更多的染料分子。
本发明另一目的是提出以上产品在染料敏化太阳能电池光阳极中的应用。
采用丝网印刷方法，将TiO2浆料涂覆在FTO玻璃表面表成TiO2浆料层后，再将所述纳米立方体上转换发光材料涂覆在TiO2浆料层上，经高温煅烧，降温后置于N719染料浸泡12～24h，再用无水乙醇冲洗干净，得到染料敏化太阳能电池光阳极电极材料。
本发明采用丝网印刷涂覆每一层，减少表面缺陷，且能够获得较小的尺寸具有较大比表面积，从而有效提高染料分子在光阳极表面进行吸附。
所述TiO2浆料涂覆6～8层，每涂覆一层煅烧一层；所述纳米立方体上转换发光材料涂覆1层。采用重复涂覆和焙烧相结合的方式使得TiO2浆料和上转换材料紧密的涂覆在FTO导电玻璃上，通过高温焙烧将浆料中的有机物和水分除去完全，从而形成多空TiO2薄膜，浆料涂覆层数为6层，此时染料敏化太能电池效率达到最高，再在上面涂覆一层纳米立方体复合材料CeO2:Er3+/Yb3+/Fe3+上转换发光材料，得到了优化后的基于浆料上的染料敏化太能电池的光电转换效率达到7.295%。
涂覆纳米立方体上转换发光材料后，以10℃/min的升温速率升到450℃进行煅烧。在涂覆TiO2薄膜之后，再涂覆纳米立方体复合材料CeO2:Er3+/Yb3+/Fe3+上转换发光材料，再在450℃下进行焙烧，除去此上转换复合材料中的有机物和水分，使得其能够紧密的涂覆在TiO2薄膜之上，而且采用10℃/min的升温速率，能够使得焙烧时间大大缩短，从而提过实验效率。
附图说明
图1为本发明工艺制成的纳米立方体复合材料CeO2: Er3+/Yb3+/Fe3+的场发射透射电镜TEM图。
图2为本发明工艺制成的纳米立方体复合材料CeO2: Er3+/Yb3+/Fe3+的场发射扫描电镜图SEM图。
图3为本发明工艺制成的纳米立方体复合材料CeO2: Er3+/Yb3+/Fe3+和纳米立方体复合材料CeO2: Er3+/Yb3+的X射线衍射XRD图。
图4为本发明工艺制成的纳米立方体复合材料CeO2:Er3+/Yb3+/Fe3+和纳米立方体复合材料CeO2:Er3+/Yb3+在980 nm激光器下的荧光发光图谱。
图5为本发明染料敏化太阳能电池的I-V特性曲线图。
具体实施方式
一、制备纳米立方体复合材料CeO2:Er3+/Yb3+/Fe3+：
（1）将0.8g的PVP（K-30，平均分子量为40000）室温下强力搅拌60min溶于30ml纯净水，形成纯净，均一的混合A溶液。
分别取浓度为0.1M的硝酸铈水溶液、硝酸镱水溶液、硝酸铒水溶液和硝酸铁水溶液，以混合摩尔比为95.7 ∶ 0.3∶3 ∶ 1的比例混合，形成混合水溶液。
再将2 mL上述混合水溶液缓慢分批滴加入上述A溶液中，经强力搅拌60 min，直至形成均一混合水溶液。
（2）将上述混合溶液转移至40mL水热釜中进行水热反应，反应温度环境为200℃，反应时间为12h。
（3）水热反应结束后，将反应体系冷却到室温，经6000～8000 r/min离心分离，取得固相，再经洗涤后于80℃下烘干，得到复合材料。
（4）将上述复合材料置于煅烧炉中，以2℃/min的升温速度，从常温升至1100℃，进行高温煅烧，煅烧时间为11h，得到纳米立方体复合材料CeO2: Er3+/Yb3+/Fe3+上转换发光材料。
二、产物表征：
图1展示了制备的纳米立方体复合材料CeO2: Er3+/Yb3+/Fe3+的场发射透射电镜TEM图，从图中可以看出此材料为立方体结构，颗粒大小在100nm左右。
图2展示了制备的纳米立方体复合材料CeO2: Er3+/Yb3+/Fe3+的场发射扫描电镜图SEM图，从图中可以看出此材料为立方体结构，放大倍数：×40000，形貌均一。
图3展示了制备的纳米立方体复合材料CeO2: Er3+/Yb3+/Fe3+、纳米立方体复合材料CeO2: Er3+/Yb3+ 、纳米立方体复合材料CeO2的X射线衍射XRD图。通过对比XRD标准卡片PDF#33-0831，此产物XRD图谱与标准谱基本一致，且没有出现Er2O3和Yb2O3等其他的任何物质，说明此材料为二氧化铈。且经过1100℃热处理，掺杂过Yb3+，Er3+，Fe3+后的（111）、（200）、（220）、（311）、（222）、（400）、（331）晶面衍射峰与二氧化铈的标准衍射峰相吻合，这也说明Yb3+，Er3+，Fe3+被掺杂到二氧化铈里。
图4展示了本发明制备的纳米立方体复合材料CeO2: Er3+/Yb3+与CeO2: Er3+/Yb3+/Fe3+在980 nm激光器下的荧光对比发光谱，在保证镱跟铒的掺杂量不变的情况下，做了4个不同的铁的掺杂量荧光对比发光谱，可以明显的得到在铁掺杂量为1%的时候，荧光达到了最强，且峰位基本一致，最强烈的光谱绿峰位于525nm、552nm和562nm，这是因为能量转换从2H11/2 和 4S3/2 到 4I15/2。红色峰值在660 nm和680nm。其Er3+的能量转换从4F9/2到4I15/2 。这些发射谱，尤其在552nm处，与染料敏化太阳能电池所利用的最有效波段的光相吻合，因此在染料敏化太阳能电池光阳极中加入上转换材料Yb3+，Er3+可增强光的利用率，同时Fe3+的掺杂更加增强了电子传输能力，更加突出了上转换过程，提高光电转换效率。
三、应用：
基底清洗：将FTO玻璃裁成长5cm，宽10cm的尺寸，置于大烧杯中，分别用丙酮、乙醇、去离子水中依次序超声清洗20min，清洗完后取出，烘箱烘干，备用。
TiO2浆料制备：取0.5g P25（颗粒粒径大约为25 nm的二氧化钛）、1mL（5%乙基纤维素松油醇），10mL无水乙醇加入到圆底烧杯中，搅拌24小时，超声24小时，然后旋转蒸发，将其中的乙醇完全蒸掉。得到均匀稳定的TiO2浆料。
对比实施例：
采用丝网印刷将TiO2浆料涂覆到FTO玻璃上，室温干燥，放入管式炉中煅烧，以10℃/min的升温速率升到450℃，煅烧30min。自然降温，采用重复煅烧，重复涂覆的形式，涂一层烧一层，共涂6～8层，再放入N719染料浸泡24～48h，用无水乙醇冲洗干净，得到染料敏化太阳能电池光阳极。
实施例1：
采用丝网印刷将TiO2浆料涂覆到FTO玻璃上，室温干燥，放入管式炉中煅烧，以10℃/min的升温速率升到450℃，煅烧30min，自然降温，涂一层烧一层，共涂完6～8层。最后再涂覆一层纳米立方体复合材料CeO2:Er3+/Yb3+，仍以10℃/min的升温速率升到450℃，煅烧40min。自然降温，放入N719染料浸泡12～24h，用无水乙醇冲洗干净，得到染料敏化太阳能电池光阳极。
实施例2：
采用丝网印刷将TiO2浆料涂覆到FTO玻璃上，室温干燥，放入管式炉中煅烧，以10℃/min的升温速率升到450℃，煅烧30 min，自然降温，涂一层烧一层，共涂完6～8层。最后再涂覆一层纳米立方体复合材料CeO2:Er3+/Yb3+/Fe3+，仍以10℃/min的升温速率升到450℃，煅烧30 min，涂一层烧一层。自然降温，放入N719染料浸泡12～24h，用无水乙醇冲洗干净，得到染料敏化太阳能电池光阳极。
四、性能测试
将本发明实施例1～2及对比实例制得的染料敏化太阳能电池光阳极，用作DSSC步骤如下：首先组装电池，采用铂电极为对电极，将工作电极的导电面朝上，与对电极朝下的导电面用夹子夹起来，夹成三明治结构，再在两电极之间注入电解液，进行染料敏化太阳能电池的I-V曲线测试。
下表为实施案例所制备的光阳极所封装的DSSC的光电性能对比表：
| Jsc (mA/ cm2) | Voc (V) | FF | η% | |
| 对比实例 | 12.489 | 0.721 | 63.714 | 5.737 |
| 对比实例1 | 13.715 | 0.735 | 63.178 | 6.365 |
| 对比实例2 | 14.437 | 0.784 | 64.417 | 7.295 |
从上表和图5中的数据可知，采用本发明制得的染料敏化太阳能电池光阳极作为工作电极，组装成DSSC，与对比实例相比，实施例1～2的短路电流密度（Jsc）和光电转换效率（η）都有所增强。短路电流密度（Jsc）最高达到14.437mA/cm2，影响因子（FF）达到64.417%，光电转换效率（η）最高达到7.295%。这些实验结果表明CeO2:Er3+/Yb3+/Fe3+杆状材料能有效吸收红外光并转换为光阳极可吸收光，有效提高了光电转换效率。
Claims (9)
1.一种纳米立方体上转换发光材料的制备方法，其特征在于包括以下步骤：
1）将硝酸铈水溶液、硝酸镱水溶液、硝酸铒水溶液和硝酸铁水溶液混合，形成混合水溶液；将混合水溶液滴加入聚乙烯吡咯烷酮的水分散剂中，经搅拌，得均一混合溶液；
2）将均一混合溶液置于200℃环境条件下进行水热反应；
3）水热反应结束后，将反应体系冷却到室温，经6000～8000 r/min离心分离，取得固相，再经洗涤后烘干，得到复合材料；
4）将复合材料经1100℃煅烧，得上转换发光材料。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述聚乙烯吡咯烷酮的平均分子量为40000。
3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于：所述混合水溶液中硝酸铈、硝酸镱、硝酸铒和硝酸铁的混合摩尔比为95.7 ∶ 0.3∶3 ∶ 1。
4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于：所述聚乙烯吡咯烷酮与所述混合水溶液的投料质量比为1∶40～42.5。
5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述烘干的温度条件为80℃。
6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述煅烧时以2℃/min的升温速率自常温升至1100℃煅烧。
7.如权利要求1所述的制备方法制得的纳米立方体上转换发光材料在染料敏化太阳能电池光阳极中的应用，其特征在于：采用丝网印刷方法，将TiO2浆料涂覆在FTO玻璃表面表成TiO2浆料层后，再将所述纳米立方体上转换发光材料涂覆在TiO2浆料层上，经高温煅烧，降温后置于N719染料浸泡12～24h，再用无水乙醇冲洗干净，得到染料敏化太阳能电池光阳极电极材料。
8.根据权利要求7所述的应用，其特征在于：所述TiO2浆料涂覆6～8层，每涂覆一层煅烧一层；所述纳米立方体上转换发光材料涂覆1层。
9.根据权利要求8所述的应用，其特征在于：涂覆纳米立方体上转换发光材料后，以10℃/min的升温速率升到450℃进行煅烧。
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Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN101224903A (zh) * | 2007-01-16 | 2008-07-23 | 中国科学院研究生院 | 一种二氧化铈纳米立方块的制备方法 |
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Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN101224903A (zh) * | 2007-01-16 | 2008-07-23 | 中国科学院研究生院 | 一种二氧化铈纳米立方块的制备方法 |
| CN105586039A (zh) * | 2016-03-11 | 2016-05-18 | 扬州大学 | 一种空心结构CeO2:Er3+/Yb3+上转换发光材料及其应用 |
| CN106566550A (zh) * | 2016-11-15 | 2017-04-19 | 扬州大学 | 复合材料上转换发光材料的制备方法及其应用 |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| FU ZHOU ET AL: "CeO2 Spherical Crystallites: Synthesis, Formation Mechanism, Size Control, and Electrochemical Property Study", 《J.PHYS.CHEM.C》 * |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN111349438A (zh) * | 2020-02-14 | 2020-06-30 | 深圳大学 | 一种稀土正铌酸盐纳米荧光颗粒及其制备方法 |
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