CN114703543A - 以碳微球为模板制备反蛋白石光子晶体的方法及其在染料敏化太阳能电池中的应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种以碳微球为模板制备反蛋白石光子晶体的方法及其在染料敏化太阳能电池中的应用，是用两步水热法制备的碳微球悬浮液作为垂直沉积法所需的溶液来制备光子晶体模板，将该模板浸泡TiO2溶胶并经过高温煅烧，从而获得反蛋白石光子晶体。本发明所用的以碳微球作为模板制备反蛋白石结构，与以聚苯乙烯以及SiO2作为模板相比，碳微球制备过程简单，且所制作的反蛋白石结构作为染料敏化太阳能电池的反射层使其光电转化效率也明显提升。
Description
技术领域
本发明涉及一种以碳微球为模板制备反蛋白石光子晶体的方法及其在染料敏化太阳能电池中的应用，属于太阳能电池技术领域。
背景技术
随着人类生存环境的不断恶化以及资源的紧缺，关于节能和减排的忧虑越来越紧迫，而太阳能资源因其绿色、无污染、资源丰富等特点引起国内外的广泛关注。作为新型太阳能电池研究热点之一的染料敏化太阳能电池以其低成本与相对简单的制作工艺引起了学者的注意。染料敏化太阳能电池是根据自然界中的光合作用所设计的，其是以纳米二氧化钛和光敏染料为主要原料，模拟自然界中植物利用太阳能进行光合作用，将太阳能转化为电能。
目前染料敏化太阳能电池基础效率不高，以反蛋白石结构作为反射层是提高染料敏化太阳能电池效率的一种方法，但是常用的作为模板的聚苯乙烯微球以及SiO2微球的制备过程较麻烦是其中的一个问题。碳微球的原料为蔗糖或者葡萄糖，制备过程不需添加其他试剂，两步水热法之后就会形成碳微球悬浮液，相较于聚苯乙烯微球其成本低，制备方法简单，同样也可通过高温煅烧去除；与SiO2微球相比，不需要通过其他溶液去除微球以形成反蛋白石结构。因此探究以碳微球为模板制备反蛋白石光子晶体作为染料敏化太阳能电池反射层，以获取更大的光谱响应范围与更高的光电转化效率，具有重要意义。
发明内容
本发明提供一种以碳微球为模板制备反蛋白石光子晶体的方法及其在染料敏化太阳能电池中的应用。本发明通过以反蛋白石光子晶体作为光阳极的反射层，以提高电池的光谱响应效率。
本发明为实现目的，采用如下技术方案：
本发明以碳微球为模板制备反蛋白石光子晶体的方法，包括如下步骤：
步骤1：通过水热法制备得到碳微球悬浮液；
步骤2：将所述碳微球悬浮液进行超声处理，将玻璃(FTO玻璃)垂直放入后蒸发，得到碳光子晶体模板；
步骤3：将所述碳光子晶体模板放入TiO2溶胶中浸泡，经高温煅烧后，得到反蛋白石光子晶体。
步骤1中，所述碳微球悬浮液中碳微球的粒径为180nm-220nm。
步骤1中，所述碳微球悬浮液是以蔗糖为原材料，通过水热法制备获得。进一步地，反应体系中蔗糖溶液的浓度为0.4M，水热反应温度为160-190℃，反应时间为240-360min。
步骤2中，所述碳微球悬浮液的体积为10ml。
步骤2中，所述超声处理的频率为40Hz，温度为30-40℃，时间为120min。
步骤2中，所述蒸发的温度为50-60℃，时间为480min。
步骤3中，所述TiO2溶胶的制备方法是将钛酸异丙酯5-6ml、乙醇40-50ml和乙酰丙酮1-2ml混合，然后加入1-2ml盐酸与4-5ml去离子水，反应获得
步骤3中，所述浸泡的时间是5-20min。
步骤3中，所述高温煅烧的温度是450-550℃，煅烧时间是100-140min。
本发明制备的反蛋白石光子晶体的应用，是在染料敏化太阳能电池的制备过程中，以所述反蛋白石光子晶体作为染料敏化太阳能电池反射层，以获取更大的光谱响应范围与更高的光电转化效率。
本发明的有益效果体现在：
本发明以碳微球作为沉积模板，利用碳微球可通过500℃高温煅烧而去除的特性，来代替聚苯乙烯以及SiO2，且制备微球的方法要比这两种简单，原材料也更便宜；且本发明的以光子晶体作为染料敏化太阳能电池光阳极的反射层，使得电池在可见光光谱范围内的吸收强度提高，所制作的染料敏化太阳能电池的光电转化效率也明显提升。
附图说明
图1(a)、图1(b)为本发明碳微球模板以及光子晶体结构SEM图；
图2(a)、图2(b)为本发明实施例1和对比例2制备的碳微球悬浮液SEM图；
图3(a)、图3(b)为本发明对比例3的聚苯乙烯微球模板以及光子晶体结构SEM图；
图4为本发明实施例1和对比例1中光阳极吸收光谱对比图；
图5为本发明实施例1和对比例1中J-V曲线对比图；
图6为本发明实施例1和对比例2中J-V曲线对比图；
图7为本发明实施例1和对比例3中J-V曲线对比图。
具体实施方式
本发明提供了一种以碳微球为模板制备反蛋白石光子晶体提升染料敏化太阳能电池效率的方法，包括如下步骤：
步骤1：通过水热法制备得到碳微球悬浮液；
步骤2：将所述碳微球悬浮液进行超声处理，将玻璃垂直放入后蒸发，得到碳光子晶体模板；
步骤3：将所述碳光子晶体模板放入TiO2溶胶中浸泡，经高温煅烧后，得到反蛋白石光子晶体。
本发明提供碳微球悬浮液。在本发明中，所述碳微球悬浮液中碳微球的粒径优选为180～220nm。在本发明中，所述碳微球悬浮液浓度优选为0.4M。
本发明对所述水热法的方式没有特殊的限定，根据本领域公开的制备碳微球的水热法选择合适的一种即可。在本发明中，所述碳微球悬浮液的制备原材料优选为蔗糖。本发明对所述原材料的来源没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的市售产品即可。
配制0.4M蔗糖溶液后，本发明将蔗糖溶液在180℃下加热260min，得到碳微球悬浮液。本发明对所述加热温度以及时间没有特殊的限定，能够让碳微球悬浮液中碳球粒径至所需粒径范围即可。在本发明中，所述植物粉末的粒径优选为180～220nm。
本发明还提供碳光子晶体模板。得到碳微球悬浮液后，本发明优选的吸取10ml该溶液。本发明对吸取的溶液体积没有特殊的限定，能够使放入溶液的FTO玻璃浸没即可。在本发明中，所述超声的频率优选为40Hz，所述超声的温度优选为35℃，所述超声的时间为120min。在本发明中所述超声过程能够使碳微球悬浮液中的碳微球更好的分散开来，使得沉积出的碳膜板更加均匀。
在本发明中，所述玻璃优选为FTO玻璃。在本发明中，所述蒸发的温度优选为55℃，所述蒸发的时间优选为480min，之后得到碳光子晶体模板。在本发明中，所述蒸发过程中实现了碳微球在FTO玻璃上的均匀沉积。
得到碳光子晶体模板后，本发明优选将所述模板在加热台上经行加热。在本发明中，所述加热的时间优选为10min，所述加热的温度优选为100℃。在本发明中，所述加热能够使碳光子晶体模板更加牢固，使其不易脱落。
加热完毕后，将模板放入TiO2溶胶中浸泡。本发明中，所述TiO2的配制方法优选的为钛酸异丙酯5.2ml，乙醇45ml，乙酰丙酮1.4ml，混合后加入1.5ml盐酸与4.8ml去离子水。配制TiO2溶胶的方法没有特殊的限定，采用本领域中能获得TiO2溶胶的方法即可。
本发明还提供反蛋白石光子晶体。在本发明中，所述浸泡的时间优选为15min。取出浸泡在TiO2溶胶中的玻璃后，将其放在温度为100℃的加热台上，优选的加热时间为5min。加热结束后，将玻璃放入马弗炉进行高温煅烧。本发明所述高温煅烧的温度优选为500℃，所述高温煅烧的时间优选为120min。浓缩的操作没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的去除挥发性溶剂的技术方案即可。在本发明中，所述高温煅烧能够去除玻璃上的碳微球模板，使包覆其上的TiO2能够形成反蛋白石结构。煅烧500℃中120min是为了使TiO2的晶相为锐钛矿相。煅烧完成后，得到反蛋白石光子晶体。
本发明提供了上述技术方案所述反蛋白石光子晶体在染料敏化太阳能电池中的应用。在本发明中，将所述反蛋白石光子晶体制备在染料敏化太阳能电池的光阳极之上，作为光阳极的反射层，使得太阳光与附着在光阳极上的染料更加充分的作用。
为了进一步说明本发明，下面结合实施例对本发明提供的一种以碳微球为模板制备反蛋白石光子晶体方法和在染料敏化太阳能电池中的应用进行详细地描述，但不能将它们理解为对本发明保护范围的限定。
实施例1：
配制0.4M的蔗糖溶液60ml，将蔗糖溶液倒入特氟龙罐后放入高压釜，再于干燥箱中以180℃加热260min，得到碳微球悬浮液。将得到的悬浮液取10ml倒入25ml烧杯中，并将烧杯放入超声频率为40Hz，温度在30～40℃之间的超声机中超声120min。为了使温度保持在30～40℃之间，需不断更换超声波中的自来水。切取长为18mm宽为15mm的FTO玻璃，并以P25浆料通过丝网印刷法制作光阳极。将制备好的光阳极垂直放入装有10ml碳微球悬浮液的烧杯中，然后放入干燥箱中以55℃蒸发480min，得到碳光子晶体模板。将该模板以100℃加热10min后，放入装有TiO2溶胶的烧杯中浸泡15min，取出后以100℃加热5min。最后将其放入马弗炉经过500℃高温煅烧120min，降温后取出，得到有反蛋白石光子晶体覆盖的光阳极。
对比例1：
本对比例按照实施例1相同的方法，仅制备普通光阳极，不在其上制备反蛋白石光子晶体作为反射层。
将实施例1和对比例1中的光阳极进行测试，得到吸收光谱如图4所示。从图4可以看出，有光子晶体反射层的光阳极在350～669nm处吸收值与普通的光阳极相比更高，对可见光的吸收效果更好。
分别用实施例1与对比例1获得的染料敏化太阳能电池的光阳极，得到染料敏化太阳能电池，并进行光电转化效率测试，得到J-V曲线如图5所示，性能参数如表1所示。从图5和表1可以看出，由反蛋白石光子晶体得到的光阳极所组装成的染料敏化太阳能电池的光电转化效率为7.0167％，与普通的光阳极制备的染料敏化太阳能电池相比，光电转化效率明显提升。
表1
| J<sub>sc</sub>(mA/cm<sup>2</sup>) | V<sub>oc</sub>(V) | FF | η(％) | |
| 普通光阳极 | 15.2014 | 0.7888 | 52.49 | 6.2951 |
| 光子晶体反射层光阳极 | 15.9476 | 0.7999 | 54.99 | 7.0167 |
对比例2：
本对比例按照实施例1相同的方法，不同的是仅配制0.4M的蔗糖溶液60ml，将蔗糖溶液倒入特氟龙罐后放入高压釜，再于干燥箱中以160℃加热240min，得到碳微球悬浮液。分别以实施例1方法制备的碳微球悬浮液SEM图如图2(a)所示与对比例2制备的碳微球悬浮液SEM图如图2(b)所示。以实施例1的方法制备的碳微球形状较均匀，以对比例2方法制备的碳微球形状不均匀且球体出现破损。
分别用实施例1与对比例2获得的染料敏化太阳能电池的光阳极，得到染料敏化太阳能电池，并进行光电转化效率测试，得到J-V曲线如图6所示，性能参数如表2所示。从图6和表2可以看出，对比例2制备的染料敏化太阳能电池效率为2.2224％，与实施例1相比很低。
表2
| J<sub>sc</sub>(mA/cm<sup>2</sup>) | V<sub>oc</sub>(V) | FF | η(％) | |
| 对比例2光阳极 | 9.1001 | 0.7111 | 34.34 | 2.2224 |
| 实施例1光阳极 | 15.9476 | 0.7999 | 54.99 | 7.0167 |
对比例3：
本对比例按照实施例1相同的方法，不同的是以聚苯乙烯微球悬浮液代替碳微球悬浮液制备光子晶体结构。以聚苯乙烯微球悬浮液沉积的模板如图3(a)所示，以聚苯乙烯微球模板制备的反蛋白光子晶体结构如图3(b)所示。由于聚苯乙烯微球尺寸大小较均匀，以其为模板制备的反蛋白石结构比碳微球模板制备的结构更加明显。
分别用实施例1与对比例3获得的染料敏化太阳能电池的光阳极，得到染料敏化太阳能电池，并进行光电转化效率测试，得到J-V曲线如图7所示，性能参数如表3所示。从图7和表3可以看出，对比例3制备的染料敏化太阳能电池效率为7.1489％，与实施例1相比较高，但与实施例1制备的电池效率差距不大，实施例1的效率较低的原因是制备的碳球尺寸大小不太均匀，形成的反蛋白石结构比对比例3制备的结构较差。
表3
| J<sub>sc</sub>(mA/cm<sup>2</sup>) | V<sub>oc</sub>(V) | FF | η(％) | |
| 对比例3光阳极 | 17.4067 | 0.8022 | 51.19 | 7.1489 |
| 实施例1光阳极 | 15.9476 | 0.7999 | 54.99 | 7.0167 |
从以上对比例和实施例可以看出，本发明提供的以碳微球为模板制备的反蛋白石光子晶体为反射层的光阳极，与普通的光阳极相比，在可见光光谱范围内的吸收强度提高，所制作的染料敏化太阳能电池的光电转化效率也明显提升；当制备悬浮液条件改变会导致碳微球的形貌有所变化，最终导致效率比普通染料敏化太阳能电池更低；当以聚苯乙烯微球作为模板制备反蛋白石光子晶体结构，最终制备的染料敏化太阳能电池效率虽然较高，但与以碳微球制备的电池的效率相差不大。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，并非对本发明作任何形式上的限制。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，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.以碳微球为模板制备反蛋白石光子晶体的方法，其特征在于包括如下步骤：
步骤1：通过水热法制备得到碳微球悬浮液；
步骤2：将所述碳微球悬浮液进行超声处理，将玻璃垂直放入后蒸发，得到碳光子晶体模板；
步骤3：将所述碳光子晶体模板放入TiO2溶胶中浸泡，经高温煅烧后，得到反蛋白石光子晶体。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：
步骤1中，所述碳微球悬浮液是以蔗糖为原材料，通过水热法制备获得。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：
水热反应体系中，蔗糖溶液的浓度为0.4M，水热反应温度为160-190℃，反应时间为240-360min。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：
步骤1中，所述碳微球悬浮液中碳微球的粒径为180nm-220nm。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：
步骤2中，所述超声处理的频率为40Hz，温度为30-40℃，时间为120min。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：
步骤2中，所述蒸发的温度为50-60℃，时间为480min。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：
步骤3中，所述TiO2溶胶的制备方法是将钛酸异丙酯5-6ml、乙醇40-50ml和乙酰丙酮1-2ml混合，然后加入1-2ml盐酸与4-5ml去离子水，反应获得。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：
步骤3中，所述浸泡的时间是5-20min。
9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：
步骤3中，所述高温煅烧的温度是450-550℃，煅烧时间是100-140min。
10.根据权利要求1-9任一项所述的方法制备得到的反蛋白石光子晶体的应用，其特征在于：在染料敏化太阳能电池的制备过程中，以所述反蛋白石光子晶体作为染料敏化太阳能电池反射层，以获取更大的光谱响应范围与更高的光电转化效率。
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