专利名称：杂化电极、其制备方法及使用该杂化电极的太阳能电池的制作方法
杂化电极、其制备方法及使用该杂化电极的太阳能电池方法
技术领域：
本发明涉及一种杂化电极、其制备方法及使用该杂化电极的太阳能电池。背景技术：
光伏电池通常是由吸附有染料的纳米晶TiO2光阳极(工作电极)、含有Γ/Ι3_氧化还原电对的电解质和对电极三部分组成。对电极的作用是收集电池外电路的电子，并把它快速、低耗地传递给电解质，同时催化还原电解质中的13_。此外对电极还可以将工作电极未吸收的光反射回到工作电极进行二次吸收，提高太阳光的吸收效率。因此，作为DSSCs 的对电极，必须具备有高催化活性、高载流子传输能力以及良好的稳定性。
在DSSCs中常用的纳米半导体材料主要是锐钛型的TiO2，这主要是因为TiO2的能级和带隙适合制备DSSCs，且锐钛型TiO2具有孔隙率高、比表面积大的结构特点。这种结构特点一方面有利于吸附更多的染料分子；另一方面可使太阳光在薄膜内部晶粒间的多次反射，从而加强了材料对光的吸收。
TiO2薄膜的这种多孔结构存在很多的晶粒界面，导致电荷在纳米晶颗粒间传输的电阻较大，电子迁移率低，这也就会存在电子与电解液中的空穴复合的现象(暗电流现象)，使得光伏电池的能量转换效率较低。
发明内容
基于此，有必要提供一种光电转换效率较高的杂化电极、其制备方法及使用该杂化电极的太阳能电池。
一种杂化电极，其包括导电基底及覆盖在所述导电基底上的MgO = TiO2多孔半导体杂化薄膜。
在优选的实施例中，所述MgO = TiO2S孔半导体杂化薄膜的厚度为12μπι 25μπι。
一种杂化电极的制备方法，包括如下步骤:步骤一、将二氧化钛纳米晶颗粒加入溶剂中形成二氧化钛质量浓度为15% 40%的胶体，之后向所述胶体中加入表面活性剂和螯合剂，搅拌均匀后得到二氧化钛胶体；步骤二、将所述二氧化钛胶体涂敷在导电基底上； 步骤三、将涂敷有二氧化钛胶体的导电基底干燥后在350°C 600°C下进行煅烧形成二氧化钛薄膜；步骤四、将经过煅烧的导电基底浸入含有镁离子的溶液中使二氧化钛薄膜吸附镁离子；步骤五、将导电基底进行煅烧，使吸附有镁离子的二氧化钛薄膜转换为MgO: TiO2多孔半导体杂化薄膜，从而得到杂化电极。
在优选的实施例中，步骤一中，所述表面活性剂为OP乳化剂或聚乙二醇对异辛基苯基醚，所述表面活性剂在所述二氧化钛胶体中的质量浓度为1% 5%。
在优选的实施例中，步骤一中，所述螯合剂为乙酰丙酮，所述螯合剂在所述二氧化钛胶体中的质量浓度为1% 10%。
在优选的实施例中，所述导电基底为铟锡氧化物玻璃、掺氟的氧化锡玻璃、掺铝的氧化镁玻璃或者掺铟的氧化镁玻璃。
在优选的实施例中，所述导电基底在涂敷二氧化钛胶体之前先进行预处理，所述预处理的步骤为:将导电基底放入摩尔浓度为lOmmol/L lOOmmol/L的TiCl4水溶液中作浸泡处理，处理时间为0.1h lh，处理温度为70°C ;浸泡处理完后，将导电基底在350°C 600°C下煅烧0.2h lh。
在优选的实施例中，步骤四中，所述含有镁离子的溶液为醋酸镁溶液、亚硒酸镁溶液、硝酸镁溶液或硫酸镁溶液，所述含有镁离子的溶液中Mg2+的浓度为0.01mol/L 0.lmol/L。
在优选的实施例中，步骤四中，将经过煅烧的导电基底浸入含有镁离子的溶液中0.5小时 10小时吸附镁离子；步骤五中，将吸附有镁离子的导电基底以20°C /min的速度升温至350°C 600°C，之后保温20min 30min，之后冷却至80°C。
一种太阳能电池，包括杂化电极，其特征在于，所述杂化电极包括导电基底和覆盖在所述导电基底上的Mg0:Ti02多孔半导体杂化薄膜。
上述杂化电极、其制备方法及太阳能电池，在制备好的二氧化钛(TiO2)薄膜的基础上，通过离子沉积及烧结形成MgO = TiO2多孔半导体杂化薄膜，由于MgO属于一种宽禁带半导体，掺杂在TiO2纳米粒子中时，使得光激发到MgO的电子很容易注入到TiO2导带上，同时把激发产生的空穴向电极/溶液界面传递，这种结构提高了光生载流子的分离效率，因此能够有效避免电子与电解液中的空穴复合的现象，有助于电池的光电流响应，从而提高光电转换效率。
图1为一实施方式的杂化电极的制备方法流程图2为一实施方式制备的太阳能电池的结构示意图3为实施例1及对比例I制备的太阳能电池的电流密度与电压特性曲线图。
具体实施方式
下面主要结合附图及具体实施例对杂化电极及其制备方法作进一步详细的说明。
一实施方式的杂化电极，其包括导电基底及覆盖在导电基底上的MgO = TiO2多孔半导体杂化薄膜。
导电基底优选为氟掺杂氧化锡玻璃(FTO)、铟掺杂氧化锌玻璃(IZO)、铝掺杂氧化锌玻璃(AZO)或镓掺杂氧化锌玻璃(GZO)。
MgOiTiO2多孔半导体杂化薄膜的度为12μπι 25μπι。优选的，MgOiTiO2多孔半导体杂化薄膜为多孔薄 膜。
上述杂化电极包括MgO = TiO2多孔半导体杂化薄膜，由于MgO属于一种宽禁带半导体，掺杂在TiO2纳米粒子中时，使得光激发到MgO的电子很容易注入到TiO2导带上，同时把激发产生的空穴向电极/溶液界面传递，这种结构提高了光生载流子的分离效率，因此能够有效避免电子与电解液中的空穴复合的现象，有助于电池的光电流响应，从而提高光电转换效率。
请参阅图1，一实施方式的杂化电极的制备方法，包括如下步骤:
步骤S21、将二氧化钛纳米晶颗粒加入溶剂中形成二氧化钛质量浓度为15% 40 %的胶体，之后向胶体中加入表面活性剂和螯合剂，搅拌均匀后得到二氧化钛胶体。
本实施方式中，二氧化钛颗粒的粒径为20nm lOOnm。溶剂选自蒸懼水、乙醇、正 丁醇或异丙醇中的至少一种。
本实施方式中，表面活性剂为OP乳化剂或聚乙二醇对异辛基苯基醚(曲拉通)。 表面活性剂在二氧化钛胶体中的质量浓度为1% 5%。
本实施方式中，螯合剂为乙酰丙酮。螯合剂在二氧化钛胶体中的质量浓度为1% 10%。
本实施方式中，向胶体中加入表面活性剂和螯合剂，通过研磨得到二氧化钛胶体。
步骤S23、将二氧化钛胶体涂敷在导电基底上。
本实施方式中，导电基底为氟掺杂氧化锡玻璃(FTO)、铟掺杂氧化锌玻璃(IZO)、 铝掺杂氧化锌玻璃(AZO)或镓掺杂氧化锌玻璃(GZO)。二氧化钛胶体通过刮涂的方式涂敷 在导电基底上。
本实施方式中，导电基底在涂敷二氧化钛胶体之前先进行清洗及预处理。预处理 的步骤为:将导电基底放入摩尔浓度为lOmmol/L lOOmmol/L的TiCl4水溶液中作浸泡处 理，处理时间为0.1h lh，温度为70°C ;浸泡处理完后，将导电基底在350°C 600°C下煅 烧0.2 lh，然后冷却至室温待用。优选的，导电基底在马弗炉中进行煅烧。
步骤S25、将涂敷有二氧化钛胶体的导电基底干燥后在350°C 600°C下进行煅烧 形成二氧化钛薄膜。
步骤S27、将经过煅烧的导电基底浸入含有镁离子的溶液中使二氧化钛薄膜吸附 镁离子。
本实施方式中，含有镁离子的溶液为醋酸镁溶液、亚硒酸镁溶液、硝酸镁溶液或硫 酸镁溶液，含有镁离子的溶液中Mg2+的浓度为0.01mol/L 0.lmol/L。
本实施方式中，将经过煅烧的导电基底浸入含有镁离子的溶液中0.5小时 10小 时。
步骤S28、将导电基底进行煅烧，使吸附有镁离子的二氧化钛薄膜转换为MgO = TiO2 多孔半导体杂化薄膜，从而得到杂化电极。
本实施方式中，将导电基底进行煅烧包括以下步骤:将导电基底以20°C /min的速 度升温至350°C 600°C，之后保温30min，之后冷却至80°C。
本实施方式中，MgO = TiO2多孔半导体杂化薄膜的度为12μπι 25μπι。
步骤S29、将杂化电极浸入染料溶液中，避光吸附染料24小时后清洗并干燥。
上述杂化电极的制备方法，在制备好的二氧化钛(TiO2)薄膜的基础上，通过溶液 沉积及烧结形成MgO = TiO2多孔半导体杂化薄膜，由于MgO属于一种宽禁带半导体，掺杂在 TiO2纳米粒子中时，使得光激发到MgO的电子很容易注入到TiO2导带上，同时把激发产生 的空穴向电极/溶液界面传递，这种结构提高了光生载流子的分离效率，因此能够有效避 免电子与电解液中的空穴复合的现象，有助于电池的光电流响应，从而提高光电转换效率。
可以理解，步骤S29可以省略，此时制备的杂化电极没有吸附染料。
制备杂化电极后将杂化电极与镀钼电极重叠、密封后灌注电解质即可组装成为太 阳能电池。
请参阅图2，图2所示为制备的太阳能电池的结构图。太阳能电池100包括对电极10、光阳极30、密封材料70及电解质90。对电极包括导电基底12及形成于导电基底12上 的钼催化剂层14。导电基底12包括基板122及覆盖于基板122上的导电薄膜124。光阳 极30包括导电基底32及覆盖在导电基底32上的多孔半导体薄膜34。导电基底32包括 基板321及覆盖于基板321上的导电薄膜323。光阳极30与对电极10间隔设置且相互平 行。多孔半导体薄膜34设置于导电薄膜323邻近对电极10的一侧。密封材料70设置于 光阳极30及对电极10的边缘以将光阳极30及对电极10密封。电解质90收容于由光阳 极30、对电极10及密封材料50形成的封闭空间内。多孔半导体薄膜34即为MgO = TiO2多 孔半导体杂化薄膜。
以下为具体实施例部分:
实施例1
将纳米TiO2加入到蒸馏水中，配置成TiO2的质量浓度为25%的TiO2胶体，依 次加入曲拉通和乙酰丙酮，使曲拉通的质量浓度为3%，乙酰丙酮的质量浓度为6%，研磨 30mino
将导电基底清洗完毕，并经过预处理后，将上述制备好的胶体，用刮涂的方法刮 涂在导电薄膜表面，待干燥完毕后，以20°C /min的速度升温至450°C，然后在此温度保温 30min,随后自然冷却至80°C。
将醋酸镁溶于蒸馏水中，使Mg2+的浓度为0.05mol/L,然后将上述制备好的TiO2多 孔薄膜浸入到500ml醋酸镁溶液中，浸泡3h，然后取出干燥。再次以20°C /min的速度升温 至450°C，然后在此温度保温30min，随后自然冷却至80°C，制得MgO = TiO2多孔半导体杂化 薄膜厚度为15 μ m。
将上述制备好的杂化电极浸入钌染料N719的溶液中，吸附染料24h后，取出用溶 剂冲洗并干燥，然后叠加镀钼电极，并灌注电解质，组装成染料敏化太阳能电池。
实施例2
将纳米TiO2加入到蒸馏水中，配置成TiO2的质量浓度为15%的TiO2胶体，依次加 入曲拉通和乙酰丙酮，使曲拉通的质量浓度为1%，乙酰丙酮的质量浓度为1%，按实施例1 的方法刮涂，并且高温煅烧。
将硫酸镁溶于蒸馏水中，使Mg2+的浓度为0.01mol/L,然后将上述制备好的TiO2多 孔薄膜浸入到500ml硫酸镁溶液中，浸泡10h，然后取出干燥并高温煅烧，制得MgO = TiO2多 孔半导体杂化薄膜厚度为12 μ m。
参照实施例1，组装染料敏化太阳能电池。
实施例3
将纳米TiO2加入到乙醇中，配置成TiO2的质量浓度为30%的TiO2胶体，依次加入 曲拉通和乙酰丙酮，使曲拉通的质量浓度为5%，乙酰丙酮的质量浓度为10%，研磨30min。 将上述胶体刮涂在导电玻璃上，并煅烧成TiO2多孔薄膜。
将硝酸镁溶于蒸馏水中，使Mg2+的浓度为0.lmol/L，然后将上述制备好的TiO2多 孔薄膜浸入到500ml硝酸镁溶液中，浸泡0.5h，然后取出干燥并高温煅烧，制得MgO: TiO2多 孔半导体杂化薄膜厚度为25 μ m。
参照实施例1，组装染料敏化太阳能电池。
实施例4
将纳米TiO2加入到乙醇中，配置成TiO2的质量浓度为40 %的TiO2胶体，依次加入曲拉通和乙酰丙酮，使曲拉通的质量浓度为3%，乙酰丙酮的质量浓度为8%，研磨30min。 将上述胶体刮涂在导电玻璃表面，然后经烧结成TiO2多孔薄膜。
将亚硒酸镁溶于蒸馏水中，使Mg2+的浓度为0.025mol/L,然后将上述制备好的TiO2多孔薄膜浸入到500ml硝酸镁溶液中，浸泡2h，然后取出干燥并高温煅烧，制得 MgOiTiO2多孔半导体杂化薄膜厚度为20 μ m。
参照实施例1，组装染料敏化太阳能电池。
对比例I
参照实施例1的配方制备TiO2胶体，然后经烧结制备单一的TiO2多孔半导体薄膜，薄膜厚度为15 μ m,不再用镁源化合物进行沉积处理，然后组装成染料敏化太阳能电池。
表I
权利要求
1.一种杂化电极，其包括导电基底，其特征在于，所述杂化电极还包括覆盖在所述导电 基底上的MgO = TiO2多孔半导体杂化薄膜。
2.根据权利要求1所述的杂化电极，其特征在于，所述MgO= TiO2多孔半导体杂化薄膜 的厚度为12 μ m 25 μ m。
3.一种杂化电极的制备方法，其特征在于，包括如下步骤:步骤一、将二氧化钛纳米晶颗粒加入溶剂中形成二氧化钛质量浓度为15% 40%的 胶体，之后向所述胶体中加入表面活性剂和螯合剂，搅拌均匀后得到二氧化钛胶体；步骤二、将所述二氧化钛胶体涂敷在导电基底上；步骤三、将涂敷有二氧化钛胶体的导电基底干燥后在350°C 600°C下进行煅烧形成二氧化钛薄膜；步骤四、将经过煅烧的导电基底浸入含有镁离子的溶液中使二氧化钛薄膜吸附镁离子;步骤五、将导电基底进行煅烧，使吸附有镁离子的二氧化钛薄膜转换为MgO = TiO2多孔 半导体杂化薄膜，从而得到杂化电极。
4.根据权利要求3所述的杂化电极的制备方法，其特征在于，步骤一中，所述表面活性 剂为OP乳化剂或聚乙二醇对异辛基苯基醚，所述表面活性剂在所述二氧化钛胶体中的质 量浓度为1% 5%。
5.根据权利要求3所述的杂化电极的制备方法，其特征在于，步骤一中，所述螯合剂为 乙酰丙酮，所述螯合剂在所述二氧化钛胶体中的质量浓度为1% 10%。
6.根据权利要求3所述的杂化电极的制备方法，其特征在于，所述导电基底为铟锡氧 化物玻璃、掺氟的氧化锡玻璃、掺铝的氧化镁玻璃或者掺铟的氧化镁玻璃。
7.根据权利要求3所述的杂化电极的制备方法，其特征在于，所述导电基底在涂 敷二氧化钛胶体之前先进行预处理，所述预处理的步骤为:将导电基底放入摩尔浓度为 IOmmoI/L 100mmol/L的TiCl4水溶液中作浸泡处理，处理时间为0.1h lh，处理温度为 700C ;浸泡处理完后，将导电基底在350°C 600°C下煅烧0.2h lh。
8.根据权利要求3所述的杂化电极的制备方法，其特征在于，步骤四中，所述含有镁离 子的溶液为醋酸镁溶液、亚硒酸镁溶液、硝酸镁溶液或硫酸镁溶液，所述含有镁离子的溶液 中 Mg2+ 的浓度为 0.01mol/L 0.lmol/L。
9.根据权利要求4所述的杂化电极的制备方法，其特征在于，步骤四中，将经过煅烧的 导电基底浸入含有镁离子的溶液中0.5小时 10小时吸附镁离子；步骤五中，将吸附有镁 离子的导电基底以20°C /min的速度升温至350°C 600°C，之后保温20min 60min，之后 冷却至80°C。
10.一种太阳能电池，包括杂化电极，其特征在于，所述杂化电极包括导电基底和覆盖 在所述导电基底上的Mg0:Ti02多孔半导体杂化薄膜。
全文摘要
一种杂化电极，其包括导电基底及覆盖在所述导电基底上的MgO:TiO2多孔半导体杂化薄膜。上述杂化电极形成MgO:TiO2多孔半导体杂化薄膜，由于MgO属于一种宽禁带半导体，掺杂在TiO2纳米粒子中时，使得光激发到MgO的电子很容易注入到TiO2导带上，同时把激发产生的空穴向电极/溶液界面传递，这种结构提高了光生载流子的分离效率，因此能够有效避免电子与电解液中的空穴复合的现象，有助于电池的光电流响应，从而提高光电转换效率。本发明还提供上述杂化电极的制备方法及使用该杂化电极的太阳能电池。
文档编号H01L31/0224GK103137715SQ201110374040
公开日2013年6月5日 申请日期2011年11月22日 优先权日2011年11月22日
发明者周明杰, 王平, 冯小明, 梁禄生 申请人:海洋王照明科技股份有限公司, 深圳市海洋王照明技术有限公司