CN109036856A - 一种染料敏化太阳能电池及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种染料敏化太阳能电池及其制备方法。该电池的对电极基于氧化铁、银具备优异的电子传输性，类石墨烯氮化碳具有优异的导电性且能够在材料表面形成保护，以及杂多酸的阴离子能够提供电子储存区域，四者协同作用可以使得对电极用于染料敏化太阳能电池的光电转换效率可以到达9.6％。且利用原位预反应，超声分散混合，微波间断式加热反应，保证得到纯净的中间产物且充分反应混合，反应迅速、充分、有效，能够制备得到高效的染料敏化太阳能电池。
Description
技术领域
本发明属于染料敏化太阳能电池制备技术领域
背景技术
染料敏化太阳能电池主要有以下几个部分组成：光阳极、电解质和对电极。对电极是染料敏化太阳电池的重要组成部分，其作用是传输电子和催化作用，提高电池的填充因子。从机理上说，I3 -在对电极上得到电子再生成I-，该反应越快，光电响应越好。目前常用的铂价格昂贵、比表面积小，不利于产业化应用，因此寻找廉价的、传输性能优异的对电极材料，便成为迫切需要解决的问题。
类石墨相氮化碳作为一种富电子有机半导体，禁带宽度约为2.7eV,由于其独特的电子能带结构和优异的物理化学性质，使得在光电方面有巨大的应用前景。Fe2O3是一种具有较窄带隙、来源丰富、良好的环境稳定性而且存在多种晶体类型的n型半导体材料。然而，纯的Fe2O3表面上的活性位点较少且易团聚，电子-空穴对的复合率高，往往限制Fe2O3作为一类光电材料在光电化学领域的应用。杂多酸具有良好的氧化还原性、低成本等特点，是一种非常具有前景的电极材料。银是一种导电性能极好的金属。目前尚未报道简单方便的将类石墨相氮化碳、银、氧化铁、杂多酸四者均匀复合并用于染料敏化太阳能电池的方法。
发明内容
本发明的目的是克服上述现有技术的不足，提供一种染料敏化太阳能电池及其简单方便的制备方法。
为实现上述目的，本发明提出的一种染料敏化太阳能电池的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
(1)将固液比为1g：1g：4g：30-50ml的硝酸银、氯化铁、杂多酸、类石墨相氮化碳分散液，在室温下研磨30-40min
(2)研磨后，转移至容器中进行微波加热，微波加热时间为40-50分钟，温度控制在120-140℃，微波加热中保持超声分散；
(3)反应结束后，洗涤、干燥，得到粉末；
(4)将上述干燥后得到的粉末分散在异丙醇中，形成均匀、稳定的分散液体系，浓度为1mg/mL。将导电玻璃清洗干净，然后预热到90℃，然后用喷涂的方法将溶有碳基材料的分散液涂到预热的导电玻璃基底上，形成一层薄膜，厚度约为6微米。将制备的电极放入真空中50℃干燥1小时，制备出碳基染料敏化太阳能电池对电极；
(5)对导电玻璃进行预处理，然后将二氧化钛浆料涂敷在处理好的导电玻璃上，高温处理后浸入染料中吸附过夜形成电池的工作电极，在工作电极上覆盖步骤(4)制备的对电极，两电极间的缝隙填充含有I-/I3 -氧化还原对的电解质，制备成染料敏化太阳能电池。
作为优选的，步骤(2)中具体步骤为微波加热时间为45分钟，温度控制在130℃，微波加热中保持超声分散。
作为优选的，硝酸银、氯化铁、杂多酸、类石墨相氮化碳分散液的固液比为1g：1g：4g：40ml。
作为优选的，杂多酸为Keggin型或者Dawson型。
作为优选的，所述类石墨相氮化碳分散液是将类石墨相氮化碳分散液在水中超声分散获得的，含碳量为30mg-50mg/ml。
本发明还提供了一种染料敏化太阳能电池，为采用上述方法制备形成的。
此外，本发明的制备方法与现有技术相比还具有下列优点：
(1)在银与杂多酸复合的研磨反应中加入铁源、类石墨相氮化碳分散液，发生原位反应，类石墨相氮化碳可以与其他原料充分混合，也可以在研磨过程中起到保护作用，得到更加纯净的中间产物。
(2)结合超声分散和微波处理共同效应，即能发挥微波反应快速有效的优点，又能通过超声场效应，保证反应过程中充分混合，使得银、氧化铁的生成与混合持续充分发生，最终产物的相应电池更加高效。
(3)基于类石墨相氮化碳具有优异的导电性且能够在材料表面形成水溶性保护，氧化铁、银具备优异的电子传输性，以及杂多酸的阴离子能够提供电子储存区域，四者协同作用可以使得I3 -在对电极上快速得到电子再生成I-，电响应优异，制备得到的染料敏化太阳能电池光电转换效率可以到达9.6％，且制备方法简单，价格便宜，具有溶液可处理性。
(4)此外反应迅速、充分、有效，能够制备得到高效的染料敏化太阳能电池。
具体实施方式
实施例1：
一种染料敏化太阳能电池的制备方法，具体步骤如下：
(1)将1g硝酸银、1g氯化铁、4g杂多酸、40ml类石墨相氮化碳分散液，在室温下研磨35min
(2)研磨后，转移至容器中进行微波加热，微波加热时间为45分钟，温度控制在130℃，微波加热中保持超声分散；
(3)反应结束后，洗涤、干燥，得到粉末；
(4)将上述干燥后得到的粉末分散在异丙醇中，形成均匀、稳定的分散液体系，浓度为1mg/mL。将导电玻璃清洗干净，然后预热到90℃，然后用喷涂的方法将溶有碳基材料的分散液涂到预热的导电玻璃基底上，形成一层薄膜，厚度约为6微米。将制备的电极放入真空中50℃干燥1小时，制备出碳基染料敏化太阳能电池对电极；
(5)对导电玻璃进行预处理，然后将二氧化钛浆料涂敷在处理好的导电玻璃上，高温处理后浸入染料中吸附过夜形成电池的工作电极，在工作电极上覆盖步骤(4)制备的对电极，两电极间的缝隙填充含有I-/I3 -氧化还原对的电解质，制备成染料敏化太阳能电池。
所述类石墨相氮化碳分散液是将类石墨相氮化碳分散液在水中超声分散获得的，含碳量为40mg/ml。
将上述方法制备的太阳能电池进行测试，开路电压为0.69V，短路电流为18.6mA/cm2，填充因子为0.72，得到光电转换效率为9.6％。
实施例2：
一种染料敏化太阳能电池的制备方法，具体步骤如下：
(1)将1g硝酸银、1g氯化铁、4g杂多酸、30ml类石墨相氮化碳分散液，在室温下研磨30min
(2)研磨后，转移至容器中进行微波加热，微波加热时间为40分钟，温度控制在120℃，微波加热中保持超声分散；
(3)反应结束后，洗涤、干燥，得到粉末；
(4)将上述干燥后得到的粉末分散在异丙醇中，形成均匀、稳定的分散液体系，浓度为1mg/mL。将导电玻璃清洗干净，然后预热到90℃，然后用喷涂的方法将溶有碳基材料的分散液涂到预热的导电玻璃基底上，形成一层薄膜，厚度约为6微米。将制备的电极放入真空中50℃干燥1小时，制备出碳基染料敏化太阳能电池对电极；
(5)对导电玻璃进行预处理，然后将二氧化钛浆料涂敷在处理好的导电玻璃上，高温处理后浸入染料中吸附过夜形成电池的工作电极，在工作电极上覆盖步骤(4)制备的对电极，两电极间的缝隙填充含有I-/I3 -氧化还原对的电解质，制备成染料敏化太阳能电池。
所述类石墨相氮化碳分散液是将类石墨相氮化碳分散液在水中超声分散获得的，含碳量为30mg/ml。
将上述方法制备的太阳能电池进行测试，开路电压为0.69V，短路电流为18.6mA/cm2，填充因子为0.72，得到光电转换效率为9.1％。
实施例3：
一种染料敏化太阳能电池的制备方法，具体步骤如下：
(1)将1g硝酸银、1g氯化铁、4g杂多酸、50ml类石墨相氮化碳分散液，在室温下研磨30min
(2)研磨后，转移至容器中进行微波加热，微波加热时间为50分钟，温度控制在140℃，微波加热中保持超声分散；
(3)反应结束后，洗涤、干燥，得到粉末；
(4)将上述干燥后得到的粉末分散在异丙醇中，形成均匀、稳定的分散液体系，浓度为1mg/mL。将导电玻璃清洗干净，然后预热到90℃，然后用喷涂的方法将溶有碳基材料的分散液涂到预热的导电玻璃基底上，形成一层薄膜，厚度约为6微米。将制备的电极放入真空中50℃干燥1小时，制备出碳基染料敏化太阳能电池对电极；
(5)对导电玻璃进行预处理，然后将二氧化钛浆料涂敷在处理好的导电玻璃上，高温处理后浸入染料中吸附过夜形成电池的工作电极，在工作电极上覆盖步骤(4)制备的对电极，两电极间的缝隙填充含有I-/I3 -氧化还原对的电解质，制备成染料敏化太阳能电池。
所述类石墨相氮化碳分散液是将类石墨相氮化碳分散液在水中超声分散获得的，含碳量为50mg/ml。
将上述方法制备的太阳能电池进行测试，开路电压为0.69V，短路电流为18.6mA/cm2，填充因子为0.72，得到光电转换效率为9.3％。
对比例1：
一种染料敏化太阳能电池的制备方法，其中步骤(1)中将1g硝酸银，4g杂多酸，在室温下研磨35分钟，步骤(2)中将1g氯化铁、40ml类石墨相氮化碳分散液和步骤(1)研磨后的产物放入容器中，其他步骤与实施例1相同。
利用实施例1的太阳能电池制备和测试方法，获得太阳能电池的获得太阳能电池的开路电压为0.69V，短路电流为13.2mA/cm2，填充因子为0.67，光电转换效率为5.1％。
对比例2：
一种染料敏化太阳能电池的制备方法，其中步骤(1)中将1g硝酸银，4g杂多酸，在室温下研磨35分钟，步骤(2)中将1g氯化铁、40ml类石墨相氮化碳分散液和步骤(1)研磨后的产物放入容器中，其中步骤(2)中直接微波加热40分钟，不保持超声分散，其他步骤与实施例1相同。
利用实施例1的太阳能电池制备和测试方法，获得太阳能电池的获得太阳能电池的开路电压为0.69V，短路电流为13.2mA/cm2，填充因子为0.67，光电转换效率为4.1％。
对比例3：
一种染料敏化太阳能电池的制备方法，其中步骤(1)中将1g硝酸银，4g杂多酸，在室温下研磨35分钟，步骤(2)中将1g氯化铁、40ml类石墨相氮化碳分散液和步骤(1)研磨后的产物放入容器中，其中步骤(2)中直接在130℃下水热反应2h，其他步骤与实施例1相同。
利用实施例1的太阳能电池制备和测试方法，获得太阳能电池的获得太阳能电池的开路电压为0.69V，短路电流为13.2mA/cm2，填充因子为0.67，光电转换效率为3.2％。
对比例4：
一种染料敏化太阳能电池的制备方法，其中步骤(2)中直接微波加热40分钟，不保持超声分散，其他步骤与实施例1相同。
利用实施例1的太阳能电池制备和测试方法，获得太阳能电池的获得太阳能电池的开路电压为0.69V，短路电流为13.2mA/cm2，填充因子为0.67，光电转换效率为5.0％。
对比例5：
一种染料敏化太阳能电池的制备方法，其中步骤(2)中直接在130℃下水热反应2h，其他步骤与实施例1相同。
利用实施例1的太阳能电池制备和测试方法，获得太阳能电池的获得太阳能电池的开路电压为0.69V，短路电流为13.2mA/cm2，填充因子为0.67，光电转换效率为4.9％。
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。
Claims (6)
1.一种染料敏化太阳能电池的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
(1)将固液比为1g：1g：4g：30-50ml的硝酸银、氯化铁、杂多酸、类石墨相氮化碳分散液，在室温下研磨30-40min
(2)研磨后，转移至容器中进行微波加热，微波加热时间为40-50分钟，温度控制在120-140℃，微波加热中保持超声分散；
(3)反应结束后，洗涤、干燥，得到粉末；
(4)将上述干燥后得到的粉末分散在异丙醇中，形成均匀、稳定的分散液体系，浓度为1mg/mL。将导电玻璃清洗干净，然后预热到90℃，然后用喷涂的方法将溶有碳基材料的分散液涂到预热的导电玻璃基底上，形成一层薄膜，厚度约为6微米。将制备的电极放入真空中50℃干燥1小时，制备出碳基染料敏化太阳能电池对电极；
(5)对导电玻璃进行预处理，然后将二氧化钛浆料涂敷在处理好的导电玻璃上，高温处理后浸入染料中吸附过夜形成电池的工作电极，在工作电极上覆盖步骤(4)制备的对电极，两电极间的缝隙填充含有I-/I3-氧化还原对的电解质，制备成染料敏化太阳能电池。
2.根据权利要求1所述的染料敏化太阳能电池的制备方法，其特征在于：步骤(2)中具体步骤为微波加热时间为45分钟，温度控制在130℃，微波加热中保持超声分散。
3.根据权利要求1所述的染料敏化太阳能电池的制备方法，其特征在于：硝酸银、氯化铁、杂多酸、类石墨相氮化碳分散液的固液比为1g：1g：4g：40ml。
4.根据权利要求1所述的染料敏化太阳能电池的制备方法，其特征在于：杂多酸为Keggin型或者Dawson型。
5.根据权利要求1所述的染料敏化太阳能电池的制备方法，其特征在于：所述类石墨相氮化碳分散液是将类石墨相氮化碳分散液在水中超声分散获得的，含碳量为30mg-50mg/ml。
6.一种染料敏化太阳能电池，其特征在于，采用权利要求1-5任一项所述的方法制备形成的。
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Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| CN105336498A (zh) * | 2015-10-21 | 2016-02-17 | 江南大学 | 一种新型稳定的g-C3N4/NiO光电阴极的制备方法 |
| CN105575668A (zh) * | 2015-12-15 | 2016-05-11 | 哈尔滨工业大学 | 一种SiW11Ni杂多酸修饰染料敏化太阳能电池光阴极的制备方法 |
| CN107833752A (zh) * | 2017-12-01 | 2018-03-23 | 苏州宝澜环保科技有限公司 | 一种用于染料敏化太阳能电池对电极的杂多酸复合材料及其制备方法 |
-
2018
- 2018-09-17 CN CN201811082402.5A patent/CN109036856A/zh active Pending
Patent Citations (5)
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