CN113990671A - 一种三层结构复合光阳极及其制备方法和应用 - Google Patents

一种三层结构复合光阳极及其制备方法和应用 Download PDF

Info

Publication number
CN113990671A
CN113990671A CN202111288587.7A CN202111288587A CN113990671A CN 113990671 A CN113990671 A CN 113990671A CN 202111288587 A CN202111288587 A CN 202111288587A CN 113990671 A CN113990671 A CN 113990671A
Authority
CN
China
Prior art keywords
tio
slurry
layer
anode
ethanol
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
CN202111288587.7A
Other languages
English (en)
Other versions
CN113990671B (zh
Inventor
王文广
黄怡娴
刘嘉欣
蔡天翔
梁梓健
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Guangdong University of Technology
Original Assignee
Guangdong University of Technology
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Guangdong University of Technology filed Critical Guangdong University of Technology
Priority to CN202111288587.7A priority Critical patent/CN113990671B/zh
Publication of CN113990671A publication Critical patent/CN113990671A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN113990671B publication Critical patent/CN113990671B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01G—CAPACITORS; CAPACITORS, RECTIFIERS, DETECTORS, SWITCHING DEVICES OR LIGHT-SENSITIVE DEVICES, OF THE ELECTROLYTIC TYPE
    • H01G9/00—Electrolytic capacitors, rectifiers, detectors, switching devices, light-sensitive or temperature-sensitive devices; Processes of their manufacture
    • H01G9/20—Light-sensitive devices
    • H01G9/2027—Light-sensitive devices comprising an oxide semiconductor electrode
    • H01G9/2031—Light-sensitive devices comprising an oxide semiconductor electrode comprising titanium oxide, e.g. TiO2
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01G—CAPACITORS; CAPACITORS, RECTIFIERS, DETECTORS, SWITCHING DEVICES OR LIGHT-SENSITIVE DEVICES, OF THE ELECTROLYTIC TYPE
    • H01G9/00—Electrolytic capacitors, rectifiers, detectors, switching devices, light-sensitive or temperature-sensitive devices; Processes of their manufacture
    • H01G9/20—Light-sensitive devices
    • H01G9/2059—Light-sensitive devices comprising an organic dye as the active light absorbing material, e.g. adsorbed on an electrode or dissolved in solution
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/50—Photovoltaic [PV] energy
    • Y02E10/542—Dye sensitized solar cells

Abstract

本发明公开了一种纳米晶三层结构复合光阳极及其制备方法和应用，该三层结构复合光阳极包括：P25层、TiO2纳米片层以及(Yb,Er)掺杂TiO2纳米晶层；先分别制得TiO2纳米片以及(Yb,Er)掺杂TiO2纳米晶，将P25、TiO2纳米片以及(Yb,Er)掺杂TiO2纳米晶分别加入乙基纤维素的乙醇溶液和松油醇的乙醇溶液的混合溶液中，并往其中加入乙酰丙酮和OP乳化剂，分别制成浆料；再将浆料超声处理并在水浴中持续搅拌直到混合物中的乙醇完全挥发；再将乙醇完全挥发后的P25浆料、TiO2纳米片浆料以及(Yb,Er)掺杂TiO2纳米晶浆料先后逐层印刷在导电基体上，干燥后得到光阳极薄膜，将该薄膜在400～500℃煅烧，最后用染料对煅烧的光阳极薄膜进行敏化处理制得。

Description

一种三层结构复合光阳极及其制备方法和应用
技术领域
本发明涉及太阳能电池技术领域，特别是涉及一种三层结构复合光阳极及其制备方法和应用。
背景技术
随着世界经济的快速发展，能源危机及环境污染是当今面临的严峻问题。我国是一个能源消耗大国，特别是电力的短缺严重影响着我国经济的持续稳定发展。但无论是核电还是火电所需要的燃料都是非常有限且不可再生的，发电的同时也给环境造成了严重的污染。世界能源危机、温室效应和环境污染等问题日益严重，因此合理开发利用清洁能源作为应对金融危机、加快经济复苏的手段迫在眉睫。
在绿色能源领域，太阳能作为一种可再生的绿色能源，具有资源丰富、无需运输、对环境无污染等优势，如果有效利用起来，可以很好的缓解目前的能源危机，为人们的日常生活带来新的便利，使人类社会进入一个节能减排的时代。目前，人类对太阳能的利用主要有三大技术领域，包括光电转换、光热转换和光化学能转换。太阳能电池是通过光电效应或者光化学效应直接把光能转化成电能的装置，它能直接给小型电器供应电能，也能完成并网发电，有着十分广阔的应用前景。
太阳能电池主要以半导体材料为基础，利用光电材料吸收光能后再进行光电转换。根据所用材料的不同，太阳能电池可分为硅太阳能电池、多元化合物薄膜太阳能电池、聚合物多层修饰电极型太阳能电池、纳米晶太阳能电池、有机太阳能电池。其中，硅系太阳能电池的发展最为成熟，在应用中居主导地位。但由于单晶硅太阳能电池的生产需要消耗大量的高纯硅材料，再加上复杂的生产工艺和昂贵的生产成本使得硅太阳能电池只能应用在军事和必不可少的通讯领域，而无法在广大的农村以及城市居民中推广应用。难以成为一种主要的发电手段和能源供应形式。而第二代薄膜太阳能电池则存在原料昂贵、对工艺和设备要求非常严格且不宜大面积化制备的问题。
染料敏化太阳能电池(DSSC，Dye Sensitized Solar Cell)凭其制备工艺简单、价格低廉、无污染等优势而成为太阳能电池中的极具发展潜力的光伏发电器件。一个典型的DSSC体系由沉积在透明导电玻璃基底上的染料敏化纳米晶多孔TiO2薄膜、电解质溶液和铂对电极组成。其中，纳米晶TiO2半导体薄膜是DSSC体系的核心，其性能直接关系到太阳能电池的总效率。纳米晶TiO2具有生物与化学惰性、抗光腐蚀、化学腐蚀的长期稳定性等性能，且TiO2无毒无害、来源丰富、成本低，是制备染料敏化太阳能电池的首选材料。
中国发明专利201910436684.2发明公开了一种稀土掺杂上转换TiO2纳米结构的复合光阳极及其应用。所述复合光阳极包括TiO2纳米片层和(Yb,Er)共掺杂TiO2纳米晶层；先分别制得(Yb,Er)共掺杂TiO2纳米晶和TiO2纳米片，然后将上述纳米晶和纳米片分别加入到乙基纤维素的乙醇溶液和松油醇的乙醇溶液的混合溶液中，并滴加OP乳化剂和乙酰丙酮搅拌；将所得悬浮液超声后于75～85℃至乙醇完全挥发，得到(Yb,Er)共掺杂TiO2纳米晶浆料和TiO2纳米片浆料；再将上述浆料先后逐层印刷在导电基体上，并干燥得到光阳极薄膜，在400～500℃煅烧，最后用染料对煅烧的光阳极薄膜进行敏化处理制得。然而，目前在染料敏化太阳能电池领域中，纳米晶TiO2半导体薄膜的制作过程中依然普遍存在制备成本高、染料敏化剂吸附量低以及光电转化效率低等问题。
发明内容
基于此，有必要针对如何提高光电转化效率的技术问题，提供一种三层结构复合光阳极及其制备方法和应用。
本发明的首要目的在于提供一种三层结构复合光阳极。该三层结构复合光阳极也称P25/TiO2纳米片/(Yb,Er)掺杂TiO2纳米晶三层结构复合光阳极。
本发明的另一目的在于提供一种三层结构复合光阳极的制备方法，该三层结构复合光阳极的制备方法也称P25/TiO2纳米片/(Yb,Er)掺杂TiO2纳米晶三层结构复合光阳极的制备方法。该方法下制得的三层结构复合光阳极使染料敏化太阳能电池的光电转换效率极大提高。
本发明的再一目的在于提供一种三层结构复合光阳极的应用，该应用也称P25/TiO2纳米片/(Yb,Er)掺杂TiO2纳米晶三层结构复合光阳极的应用。
本发明的目的通过下述技术方案来实现：
一种三层结构复合光阳极的制备方法，所述三层结构复合光阳极包括P25层、TiO2纳米片层以及(Yb,Er)掺杂TiO2纳米晶层；所述三层结构复合光阳极是先制得TiO2纳米片以及(Yb,Er)掺杂TiO2纳米晶，然后将P25、TiO2纳米片以及(Yb,Er)掺杂TiO2纳米晶分别加入到乙基纤维素的乙醇溶液和松油醇的乙醇溶液的混合溶液中，并往其中加入乙酰丙酮和OP乳化剂，分别制成P25浆料、TiO2纳米片浆料以及(Yb,Er)掺杂TiO2纳米晶浆料；再将P25浆料、TiO2纳米片浆料以及(Yb,Er)掺杂TiO2纳米晶浆料超声处理并在水浴中持续搅拌直到混合物中的乙醇完全挥发；再将乙醇完全挥发后的P25浆料、TiO2纳米片浆料以及(Yb,Er)掺杂TiO2纳米晶浆料先后逐层印刷在导电基体上，干燥后得到光阳极薄膜，将该薄膜在400～500℃煅烧，最后用染料对煅烧的光阳极薄膜进行敏化处理制得。
在其中一个实施例中，所述(Yb,Er)共掺杂TiO2纳米晶的制备步骤如下：
S1.在室温下，把钛酸四丁酯和乙酰丙酮加入到叔丁醇中，形成淡黄色溶液A；把叔丁醇、盐酸和去离子水混合成澄清溶液B；将稀土离子源加入B中并搅拌；
S2.将步骤S1中的溶液B逐滴加入到步骤S1中的溶液A中，室温下搅拌直至形成凝胶；再将凝胶放入冷冻干燥机中进行干燥，并将干燥好的样品研磨成粉末；
S3.将步骤S2中的干燥好的粉末升温至500～900℃煅烧，得到(Yb,Er)掺杂TiO2纳米晶。
在其中一个实施例中，在步骤S1中，所述叔丁醇、钛酸四丁酯和乙酰丙酮的体积比为(36～38)：(22～24)：(2)；所述叔丁醇、去离子水和盐酸的体积比为(18～20)：(4～6)：(0.1)；所述稀土离子源为Er盐和Yb盐，所述Er盐和Yb盐的质量比为(2.9～3.0)：(0.57～0.59)；在步骤S2中，冷冻干燥的温度为-40～-46℃，冷冻干燥的真空度为35～45MPa；在步骤S3中，所述的升温速率为5～10℃/min，所述煅烧的时间为1～3h。
在其中一个实施例中，所述Er盐为Er(NO3)3·5H2O或Er2(SO4)3·8H2O，所述Yb盐为Yb(NO3)·5H2O或Yb2(SO4)3·8H2O。
在其中一个实施例中，所述TiO2纳米片的制备步骤如下：将HF溶液加入到钛酸丁酯中并搅拌均匀，在170～190℃下水热反应；所得沉淀用去离子水重复水洗并离心直至pH为中性，再分别用乙醇和去离子水清洗，最后进行冷冻干燥，得到TiO2纳米片。
在其中一个实施例中，所述HF和钛酸丁酯的体积比为(5～7)：(40～60)，所述HF溶液的体积浓度为40％；所述水热反应的时间为20～30h；所述冷冻干燥的温度为-40～-46℃，冷冻干燥的真空度为35～45MPa。
在其中一个实施例中，所述乙基纤维素的乙醇溶液中，乙基纤维素的质量和乙醇的体积比为(0.4～0.6)g：(5～7)mL；所述松油醇的乙醇溶液中，松油醇的质量和乙醇的体积比为(3～5)g：(4～6)mL；所述乙基纤维素的乙醇溶液和松油醇的乙醇溶液中，乙醇的总体积、OP乳化剂的体积、乙酰丙酮的体积、P25、(Yb,Er)共掺杂TiO2纳米晶或TiO2纳米片的质量比为(9～13)mL：(0.01～0.03)mL：(0.2～0.4)mL：(0.5～1.5)g。
在其中一个实施例中，所述浆料搅拌的时间为20～40min，浆料超声的时间为20～40min；所述浆料水浴温度为75～85℃，水浴时间为2～3h；所述三层结构光阳极煅烧的时间为30～60min；所述敏化的温度为30～60℃，敏化的时间为20～25h；所述的染料为N719染料、红染料类化合物N3或长碳链染料Z907；所述的导电基体为FTO导电玻璃、ITO导电玻璃或AZO导电玻璃。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1.在本发明中，(Yb,Er)掺杂TiO2纳米晶是一种可以进行上转换的材料，它在近红外光处有较宽的吸收峰，在绿光和红光处有较强的发射峰。由此可将光波中占大部分的红外光转化成可被染料吸收的可见光，光捕获效率将会有所提高，从而有效提高光电转化效率。
2.本发明中的复合阳极是P25/TiO2纳米片/(Yb,Er)掺杂TiO2纳米晶三层结构光阳极。P25、TiO2纳米片的具有较大比表面积，有利于吸附更多的染料分子；三层相比于两层或一层结构设计，大大增强光的捕获。这些设计都使得染料敏化太阳能电池的光电转换效率得以提高。一旦染料敏化太阳能电池的效率可以达到硅系太阳能电池的水平并且效率衰减问题得到克服后，那么它必将促进太阳能利用的大发展。染料敏化太阳能电池非常适合批量生产，这对满足城市居民以及广大农村用电的需要，特别是对我国偏远地区人口的用电具有实际的意义。
3.传统的由10-20nm的TiO2纳米颗粒制备的光阳极具有大的比表面积，这有利于吸附大量的染料分子。然而，这样的尺寸远远小于可见光的波长，光容易穿透薄膜而降低光的捕获效率。相反地，通过采用大颗粒(大于50nm)的良好光散射性能来提高效率也是有限的，因为大颗粒的比表面积较小，其染料吸附能力比较弱。而本发明通过三种不同尺寸和形貌的TiO2纳米结构进行结构设计制成P25/TiO2纳米片/(Yb,Er)掺杂TiO2纳米晶三层结构光阳极，通过三层结构优势互补，可解决上述问题。
附图说明
图1为P25/TiO2纳米片/(Yb,Er)掺杂TiO2纳米晶三层结构复合光阳极的结构示意图；
图2为实施例1中rT((Yb,Er)掺杂TiO2纳米晶)、S(TiO2纳米片)和T(未掺杂纯TiO2纳米晶)三种样品的XRD图谱；
图3a和图3b分别为实施例1中P25/TiO2纳米片/(Yb,Er)掺杂TiO2纳米晶三种样品的氮气吸附-脱附等温线和相应的孔径分布曲线示意图；
图4为实施例1中rT((Yb,Er)掺杂TiO2纳米晶)、S(TiO2纳米片)和T(未掺杂纯TiO2纳米晶)三种样品的上转换荧光光谱图；
图5a和图5b分别为实施例1中3rT(三层(Yb,Er)掺杂TiO2纳米晶)和P25/S/rT的紫外-可见漫反射吸收光谱(图5a为敏化前，图5b为敏化后)；
图6为实施例1中3rT(三层(Yb,Er)掺杂TiO2纳米晶)、3S(三层TiO2纳米片)、3P25(三层P25)、P25/S/rT薄膜电极的DSSCs的I-V特性曲线。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似改进，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。
实施例1
1.采用溶胶-凝胶法制备(Yb,Er)共掺杂TiO2纳米晶：
(1)将148.0mL叔丁醇、92.0mL钛酸四丁酯和8.0mL乙酰丙酮倒入烧杯中，轻轻搅拌形成淡黄色溶液；
(2)76.0mL叔丁醇、20.0mL去离子水、0.4mLHCl、2.37gEr(NO3)3·5H2O和11.92gYb(NO3)·5H2O混合形成澄清混合溶液；
(3)把(2)中所配溶液慢慢滴入(1)中溶液形成棕色前驱体；
(4)将盛有(3)所配混合溶液的烧杯置于水浴锅中，在60℃下加热搅拌，搅拌直至形成凝胶；
(5)通过冷冻干燥法对(4)中凝胶进行干燥。(条件为：冷凝温度-40℃，真空度为35MPa。)
(6)将步骤(5)干燥好的样品研磨成粉末后放到马弗炉中于800℃下煅烧2小时，升温速度为10℃/min，最后得到(Yb,Er)共掺杂TiO2纳米晶。
通过X射线衍射仪检测其晶体结构，并测试其上转换荧光光谱。(Yb，Er)掺杂TiO2纳米晶可以将近红外光转换为被染料吸收的可见光，提高太阳光的利用率。利用这两种不同尺寸和形貌的TiO2纳米结构，(Yb,Er)掺杂TiO2纳米晶层可作为反射层，将透过纳米片层的光反射回来并重新被纳米片层吸收，能够吸附大量的染料分子，有利于激发更多电子，提高电池性能；其印刷的多孔光阳极薄膜允许电解质渗透到纳米片内部，形成三维立体的半导体/电解质界面，增大接触面积，提高界面电荷的转移速率。
2.通过溶剂热法制备TiO2纳米片：
(1)将6mLHF(40％)加入到50mL钛酸丁酯中并搅拌均匀。
(2)将步骤(1)混合液放入水热釜中在180℃下反应24h。
(3)将步骤(2)所得沉淀用去离子水重复水洗并离心直至pH为中性，再分别用乙醇和去离子水清洗，最后进行冷冻干燥，干燥条件如步骤1中(6)所示，得到TiO2纳米片。
通过X射线衍射仪检测其晶体结构，用氮气吸附-脱附法分析其比表面积。P25、TiO2纳米片具有较大的比表面积，有利于吸附更多的染料，在光的激发下产生更多的电子，提高光电转换效率。
3.分别将步骤1所制的(Yb,Er)共掺杂TiO2纳米晶、步骤2所制的TiO2纳米片和购买的P25粉末配置成浆料(P25粉末是商用产品，可直接通过购买得到)：
(1)取0.5g乙基纤维素加入到6mL乙醇中搅拌均匀。
(2)取4.05g松油醇加入到5mL乙醇中搅拌均匀。
(3)将步骤(1)中的溶液加入到步骤(2)的溶液中，并往其中滴加0.01mLOP乳化剂、0.3mL乙酰丙酮和1gTiO2纳米晶或纳米片或P25粉末并持续搅拌均匀；
(4)将步骤(3)中的悬浮液超声15min后于80℃水浴并持续搅拌直至乙醇溶剂完全挥发，得到浆料。
4.通过丝网印刷法将(Yb,Er)共掺杂TiO2纳米晶浆料、TiO2纳米片浆料和P25浆料先后印刷在导电玻璃上并充分干燥得到光阳极薄膜，每组浆料的印刷次数为2次。
5.将步骤4所制备的光阳极薄膜于450℃煅烧30min，升温速度为5℃/min，以去除薄膜中的添加剂；
6.用N719染料对步骤5中煅烧后的光阳极薄膜进行敏化，敏化温度为50℃，敏化时间为24h，将得到的TiO2薄膜电极在干燥箱中于80℃干燥2h，即获得P25/TiO2纳米片/(Yb,Er)掺杂TiO2纳米晶三层结构的复合光阳极。
图1是P25/TiO2纳米片/(Yb,Er)掺杂TiO2纳米晶三层结构复合光阳极的结构示意图。该结构为P25/TiO2纳米片/(Yb,Er)掺杂TiO2纳米晶三层结构复合光阳极。其中，上层为(Yb,Er)共掺杂TiO2纳米晶，中层为TiO2纳米片，下层为P25。三层结构的复合光阳极通过上转换作用增强光的吸收效果更优秀。图2为三种样品的XRD图谱，也就是说，图2为本实施例中rT((Yb,Er)掺杂TiO2纳米晶)、S(TiO2纳米片)和T(未掺杂纯TiO2纳米晶)三种样品的XRD图谱，由图2可知，纯TiO2纳米晶为金红石相，没有其他的杂峰；而TiO2纳米片为纯的锐钛矿相，并且没有其他的杂峰；(Yb,Er)掺杂TiO2纳米晶不仅含有金红石相TiO2，而且还出现了对应于Er2Ti2O7和Yb2Ti2O7的衍射峰，说明Er3+和Yb3+成功地掺杂进入TiO2的晶格。此外，对比样品的衍射峰强度可以发现，未掺杂纯TiO2纳米晶的衍射峰强度最高，说明其晶粒最大；而在同样的温度下煅烧得到的(Yb,Er)掺杂TiO2纳米晶的衍射峰强度明显低于TiO2纳米晶，说明(Yb,Er)掺杂抑制了TiO2晶粒的长大，使晶粒尺寸减小而获得更大的比表面积。图3a和图3b为三种样品的孔径分布分析以及比表面积测试(氮气吸附-脱附法)相应的孔径分布曲线图，也就是说，图3a为本实施例中P25/TiO2纳米片/(Yb,Er)掺杂TiO2纳米晶三种样品的氮气吸附-脱附等温线示意图，图3b为本实施例中P25/TiO2纳米片/(Yb,Er)掺杂TiO2纳米晶三种样品的比表面积测试下相应的孔径分布曲线图。由图3a和图3b可知，TiO2纳米片(S)的比表面积(123.66m2g-1)明显高于(Yb,Er)掺杂TiO2纳米晶(rT，8.98m2g-1)和未掺杂纯TiO2纳米晶(T，5.21m2g-1)。如此大的比表面积在DSSCs中可以提供更多的活性位点以吸附染料分子，由染料分子产生更多的光电子，提高光电转化效率。图4为本实施例中rT((Yb,Er)掺杂TiO2纳米晶)、S(TiO2纳米片)和T(未掺杂纯TiO2纳米晶)三种样品的上转换荧光光谱图。从图4中可知，纯TiO2纳米晶(T)样品没有上转换发光现象。而rT在980nm附近的红外光激发下发出了在520-575nm和625-725nm区间的可见光，这些光恰恰是可以被染料吸收的可见光。所以通过利用(Yb,Er)掺杂TiO2纳米晶(rT)的上转换效应，可以将近红外光转换为可被染料吸收的可见光从而提高光电转化效率。图5a和图5b为敏化前后(Yb,Er)掺杂TiO2纳米晶光阳极(rT)和P25/TiO2纳米片/(Yb,Er)掺杂TiO2纳米晶三层结构的复合光阳极(P25/S/rT)样品的漫反射吸收光谱。由图5可知，敏化前，两个样品都在200-600nm的范围内都表现出最强的光吸收；但在敏化后，P25/S/rT的光吸收表现更佳，说明所述的P25/TiO2纳米片/(Yb,Er)掺杂TiO2纳米晶三层结构光阳极在通过上转换作用增强光的吸收效果更优秀。
需要说明的是，T是相对rT而言的，是指没有掺杂Yb，Er的TiO2，但是是用和rT同样的制备方法制备的，用来跟rT进行对比，以此证明掺杂的好处。而P25是购买的商用TiO2，是现成的材料。
如图6所示，图6为本实施例中3rT(三层(Yb,Er)掺杂TiO2纳米晶)、3S(三层TiO2纳米片)、3P25(三层P25)、P25/S/rT薄膜电极的DSSCs的I-V特性曲线。对制得的P25/TiO2纳米片/(Yb,Er)掺杂TiO2纳米晶三层结构复合光阳极分别与单独的三层P25样品、三层TiO2纳米片样品以及三层的(Yb,Er)掺杂TiO2纳米晶样品进行薄膜电极的DSSCs的I-V特性分析测试，分析测试如图6和下表所示：
Figure BDA0003334126120000091
实施例2
与实施例1中不同在于：以Er2(SO4)3·8H2O和Yb2(SO4)3·8H2O为稀土离子源，通过溶胶-凝胶法制备(Yb,Er)共掺杂TiO2纳米晶：步骤1中(2)将76.0mL叔丁醇、20.0mL去离子水、0.4mLHCl、1.68g Er2(SO4)3·8H2O和10.1g Yb2(SO4)3·8H2O混合形成澄清混合溶液。
实施例3
与实施例1中不同在于：步骤1中，所述(Yb,Er)共掺杂TiO2纳米晶的制备中，所述叔丁醇、钛酸四丁酯和乙酰丙酮的体积比为36：22：2；所述叔丁醇、去离子水和盐酸的体积比为18：4：0.1；所述稀土离子源为Er(NO3)3·5H2O和Yb(NO3)·5H2O，所述Er(NO3)3·5H2O和Yb(NO3)·5H2O的质量比为2.9：0.57；冷冻干燥的温度为-46℃，冷冻干燥的真空度为45MPa；所述的升温速率为10℃/min，将干燥好的粉末升温至500℃煅烧，所述煅烧的时间为1h。
步骤2中所述TiO2纳米片的制备的方法为：将HF溶液加入到钛酸丁酯中并搅拌均匀，在170℃下水热反应；所得沉淀用去离子水重复水洗并离心直至pH为中性，再分别用乙醇和去离子水清洗，最后进行冷冻干燥，得到TiO2纳米片。其中，所述HF和钛酸丁酯的体积比为1：8，所述HF溶液的体积浓度为40％；所述水热反应的时间为20h；所述冷冻干燥的温度为-46℃，冷冻干燥的真空度为35MPa。
步骤3中所述乙基纤维素的乙醇溶液中，乙基纤维素的质量和乙醇的体积比为0.4g：5mL；所述松油醇的乙醇溶液中，松油醇的质量和乙醇的体积比为3g：4mL；所述乙基纤维素的乙醇溶液和松油醇的乙醇溶液中，乙醇的总体积、OP乳化剂的体积、乙酰丙酮的体积、P25、(Yb,Er)共掺杂TiO2纳米晶或TiO2纳米片的质量比为9～mL：0.01mL：0.2mL：0.5g。所述浆料搅拌的时间为40min，浆料超声的时间为40min；所述浆料水浴温度为75℃，水浴时间为2h。
步骤4中采用配制好的P25浆料、TiO2纳米片浆料以及(Yb,Er)掺杂TiO2纳米晶浆料通过丝网印刷按照P25/TiO2纳米片/(Yb,Er)掺杂TiO2纳米晶的顺序形式来依次刷到导电玻璃上，每种浆料进行两次印刷；所述的导电基体为ITO导电玻璃。步骤5中将薄膜于400℃煅烧40min并保温45min，升温速度为8℃/min，以去除薄膜中的添加剂。步骤6中所述敏化的温度为30℃，敏化的时间为25h；所述的染料为N719染料。
实施例4
与实施例1中不同在于：步骤1中，所述(Yb,Er)共掺杂TiO2纳米晶的制备中，所述叔丁醇、钛酸四丁酯和乙酰丙酮的体积比为38：24：2；所述叔丁醇、去离子水和盐酸的体积比为20：6：0.1；所述稀土离子源为Er(NO3)3·5H2O和Yb(NO3)·5H2O，所述Er(NO3)3·5H2O和Yb(NO3)·5H2O的质量比为3.0：0.59；冷冻干燥的温度为-40℃，冷冻干燥的真空度为45MPa；所述的升温速率为5℃/min，将干燥好的粉末升温至800℃煅烧，所述煅烧的时间为3h。
步骤2中所述TiO2纳米片的制备的方法为：将HF溶液加入到钛酸丁酯中并搅拌均匀，在190℃下水热反应；所得沉淀用去离子水重复水洗并离心直至pH为中性，再分别用乙醇和去离子水清洗，最后进行冷冻干燥，得到TiO2纳米片。其中，所述HF和钛酸丁酯的体积比为7：60，所述HF溶液的体积浓度为50％；所述水热反应的时间为30h；所述冷冻干燥的温度为-46℃，冷冻干燥的真空度为45MPa。
步骤3中所述乙基纤维素的乙醇溶液中，乙基纤维素的质量和乙醇的体积比为0.6g：7mL；所述松油醇的乙醇溶液中，松油醇的质量和乙醇的体积比为5g：6mL；所述乙基纤维素的乙醇溶液和松油醇的乙醇溶液中，乙醇的总体积、OP乳化剂的体积、乙酰丙酮的体积、P25、(Yb,Er)共掺杂TiO2纳米晶或TiO2纳米片的质量比为13～mL：0.03mL：0.4mL：1.5g。所述浆料搅拌的时间为20min，浆料超声的时间为20min；所述浆料水浴温度为85℃，水浴时间为3h。
步骤4中采用配制好的P25浆料、TiO2纳米片浆料以及(Yb,Er)掺杂TiO2纳米晶浆料通过丝网印刷按照P25/TiO2纳米片/(Yb,Er)掺杂TiO2纳米晶的顺序形式来依次刷到导电玻璃上，每种浆料进行三次印刷；所述的导电基体为AZO导电玻璃。步骤5中将薄膜于500℃煅烧60min并保温60min，升温速度为10℃/min，以去除薄膜中的添加剂。步骤6中所述敏化的温度为60℃，敏化的时间为20h；所述的染料为红染料类化合物N3。
可以理解，通过上述各个实施例可制得P25/TiO2纳米片/(Yb,Er)掺杂TiO2纳米晶三层结构复合光阳极。应用时，通过该P25/TiO2纳米片/(Yb,Er)掺杂TiO2纳米晶三层结构复合光阳极，在贴上胶带的光阳极薄膜导电玻璃进行渡铂后，放置在染料敏化后的光阳极上，让光阳极边缘刚好抵上铂电极边缘，通过封装后可形成一个光电转化效率高的开路电池。P25/TiO2纳米片/(Yb,Er)掺杂TiO2纳米晶三层结构光阳极，整合了P25、TiO2纳米片以及(Yb,Er)掺杂TiO2纳米晶的各自性能，改变了光电转换性能，应用在染料敏化太阳能电池领域中，使得染料敏化太阳能电池的光电转换效率大幅度提高，通过批量生产染料敏化太阳能电池，可以满足城市居民以及广大农村用电的需要，特别是对我国偏远地区人口的用电具有实际的意义。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种三层结构复合光阳极的制备方法，其特征在于，所述三层结构复合光阳极包括P25层、TiO2纳米片层以及(Yb,Er)掺杂TiO2纳米晶层；所述三层结构复合光阳极是先制得TiO2纳米片以及(Yb,Er)掺杂TiO2纳米晶，然后将P25、TiO2纳米片以及(Yb,Er)掺杂TiO2纳米晶分别加入到乙基纤维素的乙醇溶液和松油醇的乙醇溶液的混合溶液中，并往其中加入乙酰丙酮和OP乳化剂，分别制成P25浆料、TiO2纳米片浆料以及(Yb,Er)掺杂TiO2纳米晶浆料；再将P25浆料、TiO2纳米片浆料以及(Yb,Er)掺杂TiO2纳米晶浆料超声处理并在水浴中持续搅拌直到混合物中的乙醇完全挥发；再将乙醇完全挥发后的P25浆料、TiO2纳米片浆料以及(Yb,Er)掺杂TiO2纳米晶浆料先后逐层印刷在导电基体上，干燥后得到光阳极薄膜，将该薄膜在400～500℃煅烧，最后用染料对煅烧的光阳极薄膜进行敏化处理制得。
2.根据权利要求1所述的三层结构复合光阳极的制备方法，其特征在于，所述(Yb,Er)共掺杂TiO2纳米晶的制备步骤如下：
S1.在室温下，把钛酸四丁酯和乙酰丙酮加入到叔丁醇中，形成淡黄色溶液A；把叔丁醇、盐酸和去离子水混合成澄清溶液B；将稀土离子源加入B中并搅拌；
S2.将步骤S1中的溶液B逐滴加入到步骤S1中的溶液A中，室温下搅拌直至形成凝胶；再将凝胶放入冷冻干燥机中进行干燥，并将干燥好的样品研磨成粉末；
S3.将步骤S2中干燥好的粉末升温至500～900℃煅烧，得到(Yb,Er)掺杂TiO2纳米晶。
3.根据权利要求2所述的三层结构复合光阳极的制备方法，其特征在于，在步骤S1中，所述叔丁醇、钛酸四丁酯和乙酰丙酮的体积比为(36～38)：(22～24)：(2)；所述叔丁醇、去离子水和盐酸的体积比为(18～20)：(4～6)：(0.1)；所述稀土离子源为Er盐和Yb盐，所述Er盐和Yb盐的质量比为(2.9～3.0)：(0.57～0.59)；在步骤S2中，冷冻干燥的温度为-40～-46℃，冷冻干燥的真空度为35～45MPa；在步骤S3中，所述的升温速率为5～10℃/min，所述煅烧的时间为1～3h。
4.根据权利要求1所述的三层结构复合光阳极的制备方法，其特征在于，所述Er盐为Er(NO3)3·5H2O或Er2(SO4)3·8H2O，所述Yb盐为Yb(NO3)·5H2O或Yb2(SO4)3·8H2O。
5.根据权利要求1所述的三层结构复合光阳极的制备方法，其特征在于，所述TiO2纳米片的制备步骤如下：将HF溶液加入到钛酸丁酯中并搅拌均匀，在170～190℃下水热反应；所得沉淀用去离子水重复水洗并离心直至pH为中性，再分别用乙醇和去离子水清洗，最后进行冷冻干燥，得到TiO2纳米片。
6.根据权利要求5所述的三层结构复合光阳极的制备方法，其特征在于，所述HF和钛酸丁酯的体积比为(5～7)：(40～60)，所述HF溶液的体积浓度为40％；所述水热反应的时间为20～30h；所述冷冻干燥的温度为-40～-46℃，冷冻干燥的真空度为35～45MPa。
7.根据权利要求1所述的三层结构复合光阳极的制备方法，其特征在于，所述乙基纤维素的乙醇溶液中，乙基纤维素的质量和乙醇的体积比为(0.4～0.6)g：(5～7)mL；所述松油醇的乙醇溶液中，松油醇的质量和乙醇的体积比为(3～5)g：(4～6)mL；所述乙基纤维素的乙醇溶液和松油醇的乙醇溶液中，乙醇的总体积、OP乳化剂的体积、乙酰丙酮的体积、P25、(Yb,Er)共掺杂TiO2纳米晶或TiO2纳米片的质量比为(9～13)mL：(0.01～0.03)mL：(0.2～0.4)mL：(0.5～1.5)g。
8.根据权利要求1所述的三层结构复合光阳极的制备方法，其特征在于，所述浆料搅拌的时间为20～40min，浆料超声的时间为20～40min；所述浆料水浴温度为75～85℃，水浴时间为2～3h；所述三层结构光阳极煅烧的时间为30～60min；所述敏化的温度为30～60℃，敏化的时间为20～25h；所述的染料为N719染料、红染料类化合物N3或长碳链染料Z907；所述的导电基体为FTO导电玻璃、ITO导电玻璃或AZO导电玻璃。
9.一种三层结构复合光阳极，其特征在于，该三层结构复合光阳极采用如权利要求1至8中任一项所述的三层结构复合光阳极的制备方法制得。
10.一种三层结构复合光阳极的应用，其特征在于，包括如权利要求9中所述的三层结构复合光阳极在染料敏化太阳能电池领域中的应用。
CN202111288587.7A 2021-11-02 2021-11-02 一种三层结构复合光阳极及其制备方法和应用 Active CN113990671B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202111288587.7A CN113990671B (zh) 2021-11-02 2021-11-02 一种三层结构复合光阳极及其制备方法和应用

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202111288587.7A CN113990671B (zh) 2021-11-02 2021-11-02 一种三层结构复合光阳极及其制备方法和应用

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN113990671A true CN113990671A (zh) 2022-01-28
CN113990671B CN113990671B (zh) 2022-11-11

Family

ID=79745750

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202111288587.7A Active CN113990671B (zh) 2021-11-02 2021-11-02 一种三层结构复合光阳极及其制备方法和应用

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN113990671B (zh)

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101819885A (zh) * 2010-04-16 2010-09-01 华侨大学 用于染料敏化太阳能电池的稀土掺杂二氧化钛光阳极及其制备方法
CN102254695A (zh) * 2011-04-22 2011-11-23 南京工业大学 具有陷光结构的染料敏化纳米晶薄膜太阳能电池
CN102368442A (zh) * 2011-09-23 2012-03-07 黑龙江大学 一种稀土氟化物纳米晶/TiO2复合光阳极及其制备方法
CN103762082A (zh) * 2014-01-22 2014-04-30 广东工业大学 一种染料敏化太阳能电池光阳极薄膜的制备方法
CN110349753A (zh) * 2019-05-23 2019-10-18 广东工业大学 一种稀土掺杂上转换二氧化钛纳米结构复合光阳极及其制备方法和应用

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101819885A (zh) * 2010-04-16 2010-09-01 华侨大学 用于染料敏化太阳能电池的稀土掺杂二氧化钛光阳极及其制备方法
CN102254695A (zh) * 2011-04-22 2011-11-23 南京工业大学 具有陷光结构的染料敏化纳米晶薄膜太阳能电池
CN102368442A (zh) * 2011-09-23 2012-03-07 黑龙江大学 一种稀土氟化物纳米晶/TiO2复合光阳极及其制备方法
CN103762082A (zh) * 2014-01-22 2014-04-30 广东工业大学 一种染料敏化太阳能电池光阳极薄膜的制备方法
CN110349753A (zh) * 2019-05-23 2019-10-18 广东工业大学 一种稀土掺杂上转换二氧化钛纳米结构复合光阳极及其制备方法和应用

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
JINGHUA HU ET AL.: "Dye-sensitized solar cells based on P25 nanoparticles/TiO2 nanotube arrays/hollow TiO2boxes three-layer composite film", 《J MATER SCI: MATER ELECTRON》 *

Also Published As

Publication number Publication date
CN113990671B (zh) 2022-11-11

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN101901693B (zh) 石墨烯复合染料敏化太阳能电池的光阳极及其制备方法
Li et al. Enhanced efficiency dye-sensitized SrSnO3 solar cells prepared using chemical bath deposition
CN101894674B (zh) 一种染料敏化太阳能电池复合光阳极及其制备方法
CN108206094B (zh) 一种钴元素掺杂TiO2纳米管的制备方法
CN102074374B (zh) 掺杂染料敏化太阳电池光阳极、其制备方法及其应用
CN101840795A (zh) 一种柔性染料敏化太阳能电池
CN106277023A (zh) 双层结构CeO2纳米空心球的制备方法及其应用
CN104078244A (zh) 一种掺杂金属铌二氧化钛纳米片及其制备方法和应用
CN101752104A (zh) 用四氨基酞菁锰敏化的TiO2纳米晶薄膜的染料敏化太阳能电池的制备方法
CN111041523B (zh) 一种铜掺杂二氧化钛光电极及其制备方法和在光电催化分解水中的应用
Yao et al. Improving the photovoltaic performance of dye sensitized solar cells based on a hierarchical structure with up/down converters
CN110349753B (zh) 一种稀土掺杂上转换二氧化钛纳米结构复合光阳极及其制备方法和应用
Wang et al. The feasible photoanode of graphene oxide/zinc aluminum mixed metal oxides for the dye-sensitized solar cell
CN104310794A (zh) 三维纳米棒花结构的多孔TiO2纳米晶薄膜、制备方法及应用
TW201025702A (en) Dye-sensitized solar cell, cathode thereof, and method of manufacturing the same
CN113990671B (zh) 一种三层结构复合光阳极及其制备方法和应用
CN108878658B (zh) 一种基于金属离子掺杂二氧化钛间隔层的光稳定钙钛矿太阳电池及其制备方法
CN103903860A (zh) 单层三元纳晶二氧化钛薄膜光阳极及其制备方法
Xiao et al. A visible-NIR responsive dye-sensitized solar cell based on diatom frustules and cosensitization of photopigments from Diatom and purple bacteria
CN106847518B (zh) 一种染料敏化太阳能电池光阳极及其制备方法
CN111755255B (zh) 一种增强型二氧化钛基薄膜电池
CN102097216A (zh) 一种染料敏化太阳能电池新型光阳极材料Bi4Ti3O12
CN112547083B (zh) 一种通过不同相一氧化钴负载提高三氧化钨光阳极光电性能的方法
CN111952078B (zh) 一种冷藏装置用薄膜太阳能电池及其制备方法和应用
CN103426646B (zh) 一种染料敏化太阳能电池

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant