CN108447692A - 一种改进的光阳极以及染料敏化太阳能电池 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种改进的光阳极，该光阳极包括W片基底、设于W片基底表面的WO3纳米线薄膜、以及设于WO3纳米线薄膜之上的TiO2复合薄膜；所述TiO2复合薄膜中包括TiO2纳米颗粒和Ag导电纤维，其是将TiO2纳米颗粒、Ag导电纤维混合制备成复合浆料，然后采用旋涂法将复合浆料涂覆在WO3纳米线薄膜表面。
Description
技术领域
本发明涉及染料敏化太阳能电池领域，尤其涉及一种改进的光阳极以及染料敏化太阳能电池。
背景技术
在众多的功能材料中，半导体材料以其独特的性能一直吸引人们的注意，其中，半导体金属氧化物是最具代表性的材料之一，其在电子产业、民用等方面发挥着重要作用，半导体金属氧化物的导电性能介于绝缘体和导体之间，它的导电性能会受到环境中光、电、磁、热等的影响，因此，可以利用半导体材料制作出功能性器件，进而应用于生产和生活的各个领域中。
具体到太阳能利用方面，染料敏化电池是一种重要的太阳能电池，其工作电极一般应用氧化物半导体材料，利用最多的是二氧化钛纳米薄膜，其既是染料敏化剂的载体，又是电子注入和传输的介质，因此，对其进行优化是提高染料敏化太阳能电池的一个重要途径。
发明内容
本发明旨在提供一种改进的光阳极以及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改进的光阳极以及染料敏化太阳能电池，该光阳极包括W片基底、设于W片基底表面的WO3纳米线薄膜、以及设于WO3纳米线薄膜之上的TiO2复合薄膜；所述TiO2复合薄膜中包括TiO2纳米颗粒和Ag导电纤维，其是将TiO2纳米颗粒、Ag导电纤维混合制备成复合浆料，然后采用旋涂法将复合浆料涂覆在WO3纳米线薄膜表面。
一种染料敏化太阳能电池，包括光阳极、与光阳极对置的对电极，填充在光阳极与对电极之间的电解液，该光阳极为如上所述的光阳极。
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TiO2复合薄膜中包括TiO2纳米颗粒和Ag导电纤维，一方面，TiO2纳米颗粒能够吸附在Ag导电纤维表面，使其能够与TiO2纳米颗粒形成良好的结合，促进光生载流子的吸收和传输，另一方面，该Ag导电纤维能够与WO3纳米线薄膜接触，促进光生载流子的传输，从而提高光电转化效率。
本发明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，或通过本发明的实践了解到。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，并不能限制本发明。
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是本发明实施方式中光阳极的结构示意图。
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。
结合图1，本发明实施例一方面涉及一种改进的光阳极，该光阳极包括W片基底23、设于W片基底23表面的WO3纳米线薄膜24、以及设于WO3纳米线薄膜24之上的TiO2复合薄膜25；在本技术领域中，光阳极通常采用FTO基底及TiO2纳米薄膜的构型，而本方案采用W片、WO3纳米线薄膜、TiO2复合薄膜的构造，这与传统的光阳极具有很大的不同。不同于传统的采用FTO导电基底作为光阳极的基底，而是采用W片基底，该基底不透光，因此，染料电池工作时，太阳光是从对电极透过。采用这种结构的优点之一是，太阳光能够深入到W片基底并且不能透过，太阳光在W片基底反射时，反射光能够被染料或光阳极导电薄膜有效利用，对于光电转换效率的提高起到意料不到的有益效果。本方案中，W片既作为不透光基底，又作为WO3纳米线薄膜的承载体，与WO3纳米线薄膜之间电阻率较小。WO3纳米线的作用一方面在于提供了电子的传输通道，电子被TiO2复合薄膜收集后能够顺畅的到达W片，进而导出；另一方面，得益于WO3纳米线大的比表面积，在其上设置的TiO2复合薄膜及染料能够渗透到WO3纳米线之间，增大了染料的吸附面积。该W片的纯度为≥99.5％，将其清洗后，将钨粉作为蒸发源，采用热蒸发法在其表面生长WO3纳米线薄膜，由于WO3纳米线薄膜直接生长于W片表面，没有界面电阻势垒，电阻率较小，利于电子的传输。
优选实施方式为，该WO3纳米线薄膜中，纳米线长度为10μm，纳米线直径为200nm，纳米线密度约为7×108根/m2。单根纳米线可以看作一种半导体圆柱，增加其导电率的方法是增加直径，然而，当纳米线直径较大，纳米线之间间隙变小，不利于染料的吸附，经过实验，本方案中，采用纳米线直径为200nm取得了意料不到的有益效果，在该尺寸下，光电转换效率较佳。
优选实施方式为，所述TiO2复合薄膜中包括TiO2纳米颗粒和Ag导电纤维，其是将TiO2纳米颗粒、Ag导电纤维混合制备成复合浆料，然后采用旋涂法将复合浆料涂覆在WO3纳米线薄膜表面，该TiO2复合薄膜厚度为20～30μm。
优选地，TiO2复合薄膜中，TiO2纳米颗粒、Ag导电纤维的质量比为7:3。
TiO2纳米颗粒取自购买，纯度为≥99.5％，优选粒径为20nm。本公开方案中，TiO2复合薄膜的厚度是一种重要的参数，TiO2复合薄膜厚度的大小能够直接影响光电转换效率。
优选地，该Ag导电纤维是这样形成的：
采用醋酸银、柠檬酸银、氨水、乙二醇、草酸制备有机银导电溶液，然后加入纺丝聚合物聚乙烯吡咯烷酮和聚氧化乙烯，其中聚乙烯吡咯烷酮和聚氧化乙烯的质量分数分别为9wt.％、2wt.％，将纺丝溶液注入注射器，进行静电纺丝，将纺丝纤维在马弗炉中320℃下煅烧2h，得到Ag导电纤维；该Ag导电纤维的直径为800nm。
关于Ag导电纤维，本方案创造性的采用醋酸银、柠檬酸银制备有机银导电溶液，进而经过静电纺丝，煅烧后得到Ag导电纤维，该Ag导电纤维导电性好，一方面，TiO2纳米颗粒能够吸附在Ag导电纤维表面，使其能够与TiO2纳米颗粒形成良好的结合，促进光生载流子的吸收和传输，另一方面，该Ag导电纤维能够与WO3纳米线薄膜接触，促进光生载流子的传输，从而提高光电转化效率。
一种优选实施方式为，该TiO2复合薄膜中还包括ZrO纳米颗粒，ZrO纳米颗粒粒径为50nm；TiO2纳米颗粒、Ag导电纤维、ZrO纳米颗粒的质量比为7:3:2。
该实施方式中，在TiO2纳米颗粒与Ag导电纤维混合形成TiO2复合薄膜的基础上，又添加了ZrO纳米颗粒，创造性的将ZrO纳米颗粒用于染料敏化太阳能光阳极的技术方案，ZrO纳米颗粒对于TiO2纳米颗粒、Ag导电纤维的结合起到了意料不到的技术效果，提高了光电转换效率。
如下为本发明所述光阳极的制备步骤：
步骤1，首先，将W片裁剪成与对电极尺寸相同，依次采用0.5mol/L稀盐酸、丙酮、乙醇、去离子水超声清洗20min，用氮气枪吹干，备用；采用纯度≥99.5％钨粉为蒸发源，在W片表面采用热蒸发方法生长WO3纳米线薄膜，其中，纳米线长度为10μm，纳米线直径为200nm，纳米线密度约为7×108根/m2；
步骤2，制备有机银导电溶液
所需材料如下：
1)称取10.5g硝酸银和5.7g的二水柠檬酸三钠，分别将其溶解在290ml、250ml的去离子水中；柠檬酸三钠水溶液在磁力搅拌器中搅拌20min后，将硝酸银水溶液缓慢滴入柠檬酸三钠水溶液中，使得白色沉淀生成，全部滴加完毕后，再搅拌30min，立即抽滤，用去离子水进行洗涤2次，乙醇洗涤2次，在真空烘箱中35℃下避光干燥12h，得到干燥的柠檬酸银粉末；称取0.62g的上述柠檬酸银粉末和0.31g的醋酸银，将其溶解在45ml去离子水和22ml乙醇构成的混合溶液A中；将上述混合溶液A置于冰水浴中，搅拌2h，然后向混合溶液中快速加入2.7ml的氨水，全部滴加完毕后快速搅拌30min，得混合溶液B；
2)然后再向上述混合溶液B中加入0.25g草酸和0.9ml的乙二醇，搅拌50min后得到有机银溶液；
步骤3，取100ml上述有机银溶液，向其中加入10ml体积比1:3的去离子水和乙醇的混合溶液，室温下搅拌2h，然后加入聚乙烯吡咯烷酮和聚氧化乙烯，使得聚乙烯吡咯烷酮和聚氧化乙烯的质量分数分别为9wt.％、2wt.％，室温下再次搅拌1h，得到纺丝溶液，然后将纺丝溶液注入注射器中，采用静电纺丝方法制备纺丝纤维，然后将纺丝纤维在马弗炉中320℃下煅烧2h，得到Ag导电纤维，该Ag导电纤维的直径为800nm；
步骤4，称取3.2g的ZrOCl2·8H2O，将其溶解在25ml乙醇溶液中，在40℃水浴下，持续搅拌80h，得到ZrO溶胶；然后，取TiO2纳米颗粒、Ag导电纤维，混合均匀，然后将其与ZrO溶胶混合均匀，形成复合浆料，然后采用旋涂法将复合浆料涂覆在生长有WO3纳米线薄膜的硅片表面，将硅片放入马弗炉中，在150℃下退火2h，反复旋涂几次，使得复合浆料层厚度为30μm，然后将硅片放入马弗炉中，420℃煅烧30min、460℃煅烧20min、510℃煅烧2h，形成TiO2复合薄膜，然后，将硅片浸入到0.05mM染料N-719的乙腈和叔丁醇混合溶液中，乙腈和叔丁醇体积比为1:1，停留24h，取出后晾干，得到所述的光阳极。
结合图1，本发明实施例另一方面涉及一种染料敏化太阳能电池，该染料敏化太阳能电池包括光阳极、与光阳极对置的对电极21，填充在光阳极与对电极之间的电解液22。光阳极即为本发明实施方式中所述光阳极，其进一步拓宽光阳极的选择范围，从而提高光电转换效率。
对电极为分散有铂的FTO基底，将对电极切割成与光阳极相同的尺寸，并在所需的位置钻孔，然后清洗备用；
将光阳极与对电极对置，在两电极之间注入电解液，共同组成一个三明治结构的电池，两电极之间进行封装；
电解液应用碘/碘三负离子电解液，首先称取100ml的乙腈溶液，向其中加入0.1M的碘化锂，0.1M单质碘，0.6M 4-叔丁基吡啶和0.6M的四丁基碘化铵，避光超声5min，使其充分溶解；然后称取5g的所述Ag纳米颗粒，将其加入混合溶液中，充分混合。
进而，对实施例得到的染料电池进行光电性能测试，测试是在模拟标准太阳光照射下进行的，在AM1.5的标准光源下，对所得染料敏化太阳能电池性能进行测试，主要是由测定电池的短路电流密度-开路电压来表现，结果如表1所示，记录参数有开路电压、短路电流、转换效率，从中可知，本发明技术方案得到的染料敏化太阳能电池具有较高的光电转换效率。
表1实施例的太阳能电池的性能表征结果
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 (9)
1.一种改进的光阳极，其特征在于，该光阳极包括W片基底、设于W片基底表面的WO3纳米线薄膜、以及设于WO3纳米线薄膜之上的TiO2复合薄膜；所述TiO2复合薄膜中包括TiO2纳米颗粒和Ag导电纤维，其是将TiO2纳米颗粒、Ag导电纤维混合制备成复合浆料，然后采用旋涂法将复合浆料涂覆在WO3纳米线薄膜表面。
2.根据权利要求1所述的光阳极，其特征在于，所述WO3纳米线薄膜中，纳米线长度为10μm，纳米线直径为200nm。
3.根据权利要求2所述的光阳极，其特征在于，所述WO3纳米线薄膜中，纳米线密度约为7×108根/m2。
4.根据权利要求1所述的光阳极，其特征在于，所述Ag导电纤维是这样形成的：采用醋酸银、柠檬酸银、氨水、乙二醇、草酸制备有机银导电溶液，然后加入纺丝聚合物聚乙烯吡咯烷酮和聚氧化乙烯，其中聚乙烯吡咯烷酮和聚氧化乙烯的质量分数分别为9wt.％、2wt.％，将纺丝溶液注入注射器，进行静电纺丝，将纺丝纤维在马弗炉中320℃下煅烧2h，得到Ag导电纤维；所述Ag导电纤维的直径为800nm。
5.根据权利要求4所述的光阳极，其特征在于，所述TiO2复合薄膜厚度为20～30μm。
6.根据权利要求4所述的光阳极，其特征在于，TiO2复合薄膜中，TiO2纳米颗粒粒径为20nm；所述TiO2纳米颗粒、Ag导电纤维的质量比为7:3。
7.根据权利要求4所述的光阳极，其特征在于，所述TiO2复合薄膜中还包括ZrO纳米颗粒，ZrO纳米颗粒粒径为50nm；TiO2纳米颗粒、Ag导电纤维、ZrO纳米颗粒的质量比为7:3:2。
8.根据权利要求4所述的光阳极，其特征在于，所述光阳极的制备步骤：
步骤1，首先，将W片裁剪成与对电极尺寸相同，依次采用0.5mol/L稀盐酸、丙酮、乙醇、去离子水超声清洗20min，用氮气枪吹干，备用；采用纯度≥99.5％钨粉为蒸发源，在W片表面采用热蒸发方法生长WO3纳米线薄膜，其中，纳米线长度为10μm，纳米线直径为200nm，纳米线密度约为7×108根/m2；
步骤2，制备有机银溶液
1)称取10.5g硝酸银和5.7g的二水柠檬酸三钠，分别将其溶解在290ml、250ml的去离子水中；柠檬酸三钠水溶液在磁力搅拌器中搅拌20min后，将硝酸银水溶液缓慢滴入柠檬酸三钠水溶液中，使得白色沉淀生成，全部滴加完毕后，再搅拌30min，立即抽滤，用去离子水进行洗涤2次，乙醇洗涤2次，在真空烘箱中35℃下避光干燥12h，得到干燥的柠檬酸银粉末；称取0.62g的上述柠檬酸银粉末和0.31g的醋酸银，将其溶解在45ml去离子水和22ml乙醇构成的混合溶液A中；将上述混合溶液A置于冰水浴中，搅拌2h，然后向混合溶液中快速加入2.7ml的氨水，全部滴加完毕后快速搅拌30min，得混合溶液B，；
2)然后再向上述混合溶液B中加入0.25g草酸和0.9ml的乙二醇，搅拌50min后得到有机银溶液；
步骤3，取100ml上述有机银溶液，向其中加入10ml体积比1:3的去离子水和乙醇的混合溶液，室温下搅拌2h，然后加入聚乙烯吡咯烷酮和聚氧化乙烯，使得聚乙烯吡咯烷酮和聚氧化乙烯的质量分数分别为9wt.％、2wt.％，室温下再次搅拌1h，得到纺丝溶液，然后将纺丝溶液注入注射器中，采用静电纺丝方法制备纺丝纤维，然后将纺丝纤维在马弗炉中320℃下煅烧2h，得到Ag导电纤维，该Ag导电纤维的直径为800nm；
步骤4，称取3.2g的ZrOCl2·8H2O，将其溶解在25ml乙醇溶液中，在40℃水浴下，持续搅拌80h，得到ZrO溶胶；然后，取TiO2纳米颗粒、Ag导电纤维，混合均匀，然后将其与ZrO溶胶混合均匀，形成复合浆料，然后采用旋涂法将复合浆料涂覆在生长有WO3纳米线薄膜的硅片表面，将硅片放入马弗炉中，在150℃下退火2h，反复旋涂几次，使得复合浆料层厚度为30μm，然后将硅片放入马弗炉中，420℃煅烧30min、460℃煅烧20min、510℃煅烧2h，形成TiO2复合薄膜，然后，将硅片浸入到0.05mM染料N-719的乙腈和叔丁醇混合溶液中，乙腈和叔丁醇体积比为1:1，停留24h，取出后晾干，得到所述的光阳极。
9.一种染料敏化太阳能电池，包括光阳极、与光阳极对置的对电极，填充在光阳极与对电极之间的电解液，其特征在于，所述光阳极为权利要求1～8中任一项所述的光阳极。
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