专利名称：一种染料敏化太阳能电池复合光阳极及其制备方法
技术领域：
本发明涉及新能源的开发和利用，具体涉及一种染料敏化太阳能电池复合光阳极 及其制备方法。
背景技术：
进入20世纪以来，在经济发展的过程中伴随着巨大的能源消费，煤、石油、天然气 等矿物资源枯竭，由此引发的能源危机和环境污染已成为亟待解决的关键问题。解决此问 题的方法一方面是传统产业节能减排，另一方面是开发可再生的清洁能源。以太阳能光伏 技术为支撑的太阳能利用正在给人类的能源消费结构带来革命性的变化。当前太阳能电池 的主流产品是硅基太阳能电池，然而电子工业发展却加剧了光伏产业的原料供应紧张，我 国太阳能电池级晶体硅产能很低，更是制约我国太阳能光伏产业发展的瓶颈。同时，硅基太 阳能电池成本大约是煤电成本的5 8倍，为了在经济上能够同传统能源相竞争，还需要大 幅度提高太阳电池的效率/成本比，这正是发展第三代太阳电池的任务。与传统的硅基太 阳能电池相比较，染料敏化太阳电池(Dye-Sensitized Solar Cell，简称DSSC)具有廉价的 成本、丰富的资源、稳定的性能、生产过程简单、无毒、无污染且适合大规模生产等优势。同 时染料敏化太阳能电池相对其他太阳能电池具有巨大的价格优势，据估计，DSSC的成本仅 为硅太阳能电池的1/5 1/10，DSSC将成为一种具有竞争力的商业化产品。染料敏化太阳电池是一种光电化学太阳电池，它主要由纳米晶半导体光阳极、染 料敏化剂、电解质和对电极四部分构成。其中光阳极是DSSC电池的核心部件，其结构和组 成强烈影响着电池的光伏性能，特别是转换效率。传统的DSSC的光阳极普遍采用纳米TiO2 多孔薄膜，TiO2多孔薄膜虽然能充分吸附染料，但存在大量晶界，导致光生电子在传输过程 中受到颗粒表面缺陷态能级的俘获和热释放的影响，使电子扩散系数小，复合率增加，制约 了染料敏化太阳能电池光电转换效率的提高。
发明内容
本发明提供一种染料敏化太阳能电池复合光阳极及其制备方法。本发明提供的一种染料敏化太阳能电池复合光阳极，其结构由普通玻璃、掺F的 SnO2透明导电膜(FTO)、TiO2致密薄膜和TiO2纳米颗粒/TiO2纳米线复合薄膜组成；第1 层为普通玻璃，第2层为掺F的SnO2透明导电膜(FTO)，第3层为TiO2致密薄膜，第4层为 TiO2纳米颗粒/TiO2纳米线复合薄膜。本发明提供的染料敏化太阳能电池复合光阳极的制备方法，其制备方法包括以下 步骤1)采用磁控溅射技术在掺F的SnO2透明导电膜上制备一层厚度为10 15nm的 TiO2致密薄膜；2)采用水热合成技术制备TiO2纳米线；3)采用溶胶-凝胶技术制备TiO2溶胶，把TiO2纳米线加入溶胶中，电磁搅拌，超
3声分散形成凝胶浆料；4)采用浸渍提拉法把凝胶浆料在致密Ti02薄膜上形成Ti02纳米颗粒/Ti02纳米 线复合薄膜；5)把制备好的Ti02纳米颗粒/Ti02纳米线复合薄膜放入马弗炉中烧结，然后在钌 配合物N719染料[结构式为(nlBuWh-cis-RuO^jNCS)』的无水乙醇溶液中浸泡24h， 取出后洗去表面残留的染料，晾干，就得到染料敏化太阳能电池复合光阳极。上述步骤1)中采用直流磁控溅射技术制备Ti02致密薄膜的制备工艺条件是背 底真空5 X 10_4Pa，工作气压2. 5Pa,溅射功率为100W，Ar与02的流量比5 1，溅射时间8 lOmin。上述步骤2)中水热合成技术制备Ti02纳米线的方法是将lg Ti02纳米粉体与 浓度为lOmol/L的30mL NaOH水溶液混合后，电磁搅拌15min后，得到白色悬浊液，移放到 lOOmL的高压反应釜中，然后把反应釜放到恒温箱中180°C保温24h ；反应结束后，自然冷却 到室温，将白色沉淀物用去离子水反复清洗，再用0. 5mol/L的HC1酸洗至pH值等于7，然后 再超声分散，最后将产物在80°C烘干，再经450°C热处理30min，所得粉体即为Ti02纳米线。上述步骤3)和4)中Ti02纳米颗粒/Ti02纳米线复合薄膜的制备方法首先将二 乙醇胺、酞酸丁酯和无水乙醇按体积比为1 5 13的比例混合配成A溶液89mL，磁力搅 拌2h，将无水乙醇和去离子水按1 10的体积比混合成B溶液llmL，然后把B溶液慢慢滴 入A溶液中，并用磁力搅拌器搅拌30min，然后再加入lg分子量为2000的聚乙二醇，磁力 搅拌30min，，得到稳定、均勻、淡黄色透明的溶胶；把12gTi02纳米线加入溶胶中，电磁搅拌 15min，然后超声分散15min得到凝胶浆料；把已经镀有Ti02致密膜的FT0玻璃作为基体， 采用浸渍提拉法制备复合薄膜，湿膜在120°C干燥lOmin后重复提拉18次左右，直至达到所 需的厚度10 12iim。上述步骤5)中将制备好的Ti02纳米颗粒/Ti02纳米线复合薄膜放入马弗炉中 450°C烧结30min，然后降温到80°C左右取出，立即放入5. 0 X 10"4mol/L的钌配合物N719染 料无水乙醇溶液中浸泡24h。取出后用乙醇洗去表面残留的染料，晾干，得到复合光阳极。本发明的有益效果是制备Ti02纳米粒子/Ti02纳米线复合薄膜作为DSSC的光阳极，把Ti02纳米线更 高的光利用率和良好的电子转移特性的优点同Ti02纳米颗粒具有更大的比表面积的优点 结合起来，优化了光阳极的微结构，复合光阳极不仅提高了光敏染料吸附量，保障了电极具 有较高的光捕获效率，而且提高了光生载流子的产生率和输运能力，减少光生载流子的复 合过程，从而提高染料敏化太阳能电池的光电转化效率。
图1为染料敏化太阳能电池复合光阳极的结构示意图。图2为纳米颗粒/纳米线复合薄膜的表面形貌图。在图1中，第1层为普通玻璃，第2层为掺F的Sn02透明导电膜(FT0)，第3层为 Ti02致密薄膜，第4层为Ti02纳米颗粒/Ti02纳米线复合薄膜。图2为lOOmL Ti02溶胶中添加12g Ti02纳米线制备的Ti02纳米颗粒/Ti02纳米 线复合薄膜的扫描电子显微镜图，可看出纳米线形成彼此连接的网络状结构。
具体实施例方式1.采用磁控溅射技术在FT0透明导电玻璃膜上制备一层致密的Ti02薄膜背底真空5 X 10_4Pa，溅射气压2. 5Pa, Ar和02的流量比5 1，溅射功率为80W,溅 射时间8min，衬底温度为室温，Ti02致密薄膜的厚度10 15nm。2.水热合成技术制备Ti02纳米线将lg Ti02纳米粉体与浓度为lOmol/L的30mL NaOH水溶液混合后，电磁搅拌 15min后，得到白色悬浊液，移放到100mL的高压反应釜中，然后把反应釜放到恒温箱中 180°C保温24h。反应结束后，自然冷却到室温，将白色沉淀物用去离子水反复清洗，再用 0. 5mol/L的HC1酸洗至pH值等于7，然后再超声分散，最后将产物在80°C烘干，再经450°C 热处理30min，所得粉体即为打02纳米线。XRD分析表明该Ti02纳米线是锐钛矿结构。扫 描电子显微镜分析得到Ti02纳米线直径约50 200nm，长约m，具有较大的长径比。3.溶胶-凝胶法制备Ti02纳米颗粒/Ti02纳米线复合薄膜首先将二乙醇胺、酞酸丁酯和无水乙醇按1 5 13的比例混合配成A溶液，磁 力搅拌2h，将无水乙醇和去离子水按1 10的比例混合成B溶液，然后把B溶液慢慢滴入 A溶液中，并用磁力搅拌器搅拌30min，然后再加入lg聚乙二醇(分子量2000)，磁力搅拌 30min，，得到稳定、均勻、淡黄色透明的溶胶。分别把3、6、9和12g Ti02纳米线加入溶胶中， 电磁搅拌15min，然后超声分散15min。采用已经镀有Ti02致密膜的FT0玻璃作基体，采用 浸渍提拉法制备复合薄膜，湿膜在120°C干燥lOmin后重复提拉，直至达到所需的厚度10 12um0薄膜厚度用Dektak3st台阶仪测试。用电子扫描显微镜(SEM)观察到复合薄膜表 面光滑、Ti02纳米线分布均勻，且形成彼此连接的网络状结构，随着Ti02纳米线添加量的增 加，网状结构越来越致密。4. Ti02纳米颗粒/Ti02纳米线复合光阳极及电池的组装把制备好的Ti02纳米颗粒/Ti02纳米线复合薄膜放入马弗炉中450°C烧结30min， 然后降温到80°C左右取出，立即放入5.0X10_4mOl/L N719无水乙醇溶液中浸泡24h。取 出后用乙醇洗去表面残留的染料，晾干，就是所制备的复合光阳极，避光保存。然后与镀有 Pt薄膜的FT0玻璃对电极，KI/I2的溶液为电解液
，组装成电池。5. Ti02纳米颗粒/Ti02纳米线复合光阳极染料敏化电池的性能采用Keithley2400数字源表和太阳光模拟器(光源500W的氙灯，AM_1. 5，光功率 密度为lOOmW/cm2)测试得到的不同电池的I_V特性曲线，由此可获得电池的开路电压V… 短路电流密度Jsc，填充因子FF，能量转换效率n，其结果见表一。表一不同成分比例的复合光阳极组装的染料敏化电池的光电性能
权利要求
一种染料敏化太阳能电池复合光阳极，其特征在于其结构由普通玻璃、掺F的SnO2透明导电膜、TiO2致密薄膜和TiO2纳米颗粒/TiO2纳米线复合薄膜组成；第1层为普通玻璃，第2层为掺F的SnO2透明导电膜，第3层为TiO2致密薄膜，第4层为TiO2纳米颗粒/TiO2纳米线复合薄膜。
2.—种权利要求1所述的染料敏化太阳能电池复合光阳极的制备方法，其特征在于其 制备方法包括以下步骤1)采用磁控溅射技术在掺F的Sn02透明导电膜上制备一层厚度为10 15nm的Ti02 致密薄膜；2)采用水热合成技术制备Ti02纳米线；3)采用溶胶_凝胶技术制备Ti02溶胶，把Ti02纳米线加入溶胶中，电磁搅拌，超声分 散形成凝胶浆料；4)采用浸渍提拉法把凝胶浆料在致密Ti02薄膜上形成Ti02纳米颗粒/Ti02纳米线复 合薄膜；5)把制备好的Ti02纳米颗粒/Ti02纳米线复合薄膜放入马弗炉中烧结，然后在钌配合 物N719染料的无水乙醇溶液中浸泡24h，取出后洗去表面残留的染料，晾干，就得到染料敏 化太阳能电池复合光阳极。
3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于上述步骤1)中采用直流磁控溅射技 术制备Ti02致密薄膜的制备工艺条件是背底真空5X10_4Pa，工作气压2. 5Pa，溅射功率为 100W，Ar与02的流量比5 1，溅射时间8 lOmin。
4.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于上述步骤2)中水热合成技术制备Ti02 纳米线的方法是将lg Ti02纳米粉体与浓度为lOmol/L的30mLNa0H水溶液混合后，电磁 搅拌15min后，得到白色悬浊液，移放到100mL的高压反应釜中，然后把反应釜放到恒温箱 中180°C保温24h ；反应结束后，自然冷却到室温，将白色沉淀物用去离子水反复清洗，再用 0. 5mol/L的HC1酸洗至pH值等于7，然后再超声分散，最后将产物在80°C烘干，再经450°C 热处理30min，所得粉体即为Ti02纳米线。
5.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于上述步骤3)和4)中Ti02纳米颗 粒/Ti02纳米线复合薄膜的制备方法首先将二乙醇胺、酞酸丁酯和无水乙醇按体积比为 1:5: 13的比例混合配成A溶液89mL，磁力搅拌2h，将无水乙醇和去离子水按1 10的 体积比混合成B溶液llmL，然后把B溶液慢慢滴入A溶液中，并用磁力搅拌器搅拌30min， 然后再加入lg分子量为2000的聚乙二醇，磁力搅拌30min，，得到稳定、均勻、淡黄色透明的 溶胶；把12gTi02纳米线加入溶胶中，电磁搅拌15min，然后超声分散15min得到凝胶浆料； 把已经镀有Ti02致密膜的FT0玻璃作为基体，采用浸渍提拉法制备复合薄膜，湿膜在120°C 干燥lOmin后重复提拉18次左右，直至达到所需的厚度10 12iim。
6.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于上述步骤5)中将制备好的Ti02纳米 颗粒/Ti02纳米线复合薄膜放入马弗炉中450°C烧结30min，然后降温到80°C左右取出，立 即放入5. OX 10_4mol/L的钌配合物N719染料无水乙醇溶液中浸泡24h ；取出后用乙醇洗去 表面残留的染料，晾干，得到复合光阳极。
全文摘要
本发明公开了一种染料敏化太阳能电池复合光阳极及其制备方法，复合光阳极结构由普通玻璃、掺F的SnO2透明导电膜、TiO2致密薄膜和TiO2纳米颗粒/TiO2纳米线复合薄膜组成；制备方法包括采用磁控溅射技术在FTO导电玻璃基底上制备厚度约10～15nm左右的致密TiO2薄膜；采用水热合成技术制备TiO2纳米线；溶胶-凝胶法制备TiO2纳米颗粒/TiO2纳米线复合薄膜；TiO2纳米颗粒/TiO2纳米线复合光阳极制备；复合光阳极不仅提高了光敏染料吸附量，保障了电极具有较高的光捕获效率，而且提高了光生载流子的产生率和输运能力，减少光生载流子的复合过程，从而提高染料敏化太阳能电池的光电转化效率。
文档编号H01G9/04GK101894674SQ20101019132
公开日2010年11月24日 申请日期2010年5月28日 优先权日2010年5月28日
发明者刘俊, 赵旺, 魏爱香 申请人:广东工业大学