一种氧化钇复合有序二氧化钛光阳极及制备和应用
【专利摘要】本发明涉及一种上转换发光材料氧化钇复合二氧化钛光阳极的制备方法。该方法首先采用水热法在FTO导电玻璃上生长有序二氧化钛微纳米花薄膜，二氧化钛纳米花由纳米线组成。然后采用二次水热法，使上转换发光材料生长于二氧化钛纳米花的表面。最后浸泡染料，封装制作得到染料敏化太阳能电池。该制备方法工艺和流程简便，无需烧结处理，参数可调范围宽，可重复性强，对环境无污染，是可制备光谱范围宽、转换效率高的染料敏化太阳能电池。
【专利说明】
一种氧化钇复合有序二氧化钛光阳极及制备和应用
技术领域
[0001]本发明涉及一种上转换发光材料复合二氧化钛光阳极及其制备方法，属于无机纳米材料及合成技术领域。
【背景技术】
[0002]染料敏化太阳电池的结构分为光吸收材料和电荷传输层，光吸收主要靠吸附在光阳极表面的敏化功能材料实现，光阳极作为电荷分离和传输作的载体，是纳米晶太阳电池的关键部分和光电转换的基础，其性能直接影响和决定太阳电池的效率。如何提高光阳极的光吸收能力及拓宽光阳极光吸收范围，提高光阳极的载流子传输速率，减少电子-空穴对的复合是提高太阳电池总光电转换效率和实用化的关键技术之一。
[0003]利用上转换发光材料，通过上转换发光作用，提高电池对光的利用率，进而提高光电流，可以在一定程度上提高电池的效率。与其他结构相比，一维纳米结构具有较大的孔隙率和极大的比表面积，可吸附更多的染料分子，在纳米晶太阳电池的光阳极中应用广泛。一维有序的纳米材料比表面积大、尚的量子效应和结构效应等优势，有利于电极吸附敏化功能材料，从而增加电池效率;一维有序纳米材料可减小光生载流子在纳米结构光阳极网络中的穿越过程，从而提高染料敏化太阳电池光阳极的电荷收集效率，增加电池的光电转换效率;且有序纳米材料的直径、长度和晶型结构易于控制，便于制备和组装电极。同时，三维结构的二氧化钛具有活性位点多的特性，因此由一维纳米材料组成而成的三维纳米二氧化钛可兼具一维/三维纳米材料的优点，在染料敏化太阳能电池中具有广阔的应用前景。
[0004]本发明采用二次水热法制备了上转换发光材料复合的一维/三维二氧化钛光阳极，既可拓宽光谱吸收范围，提高对太阳光的利用率;也可增大比表面积，增加染料吸收量，缩短电子传输通路，从而有效提高了电池的光电转换效率。
【发明内容】
[0005]为克服现有技术的不足，本发明提供一种上转换发光材料氧化钇复合有序二氧化钛光阳极的制备方法。
[0006]—种氧化钇复合有序二氧化钛光阳极的制备方法，其特征在于，一方面通过上转换发光材料拓宽了光谱吸收范围；另一方面，有序的一维/三维结构，可以提高电子的传输速率，从而提高电池的光电转换效率，其制备方法包括如下工艺步骤:
(1)将氟掺杂锡氧化物(FTO)导电玻璃依次用丙酮、乙醇、去离子水清洗，其后用氮气枪吹干，备用；
(2)将酸和去离子水形成混合溶液；
(3)将钛源滴入上述混合溶液中，在钛源快速水解的同时剧烈搅拌使之混合均匀；
(4)将混合均匀的悬浮液在160?190°(:下进行水热反应I?6小时；
(5)将步骤(4)得到的二氧化钛纳米花光阳极置于具有上转换功能的稀土钇水溶液中进行二次水热反应，160?190 °(:下进行水热反应3?6小时，得到上转换发光材料氧化钇复合二氧化钛纳米花光阳极材料；
(6)将制得的光阳极在N719染料中浸泡24小时后取出，用无水乙醇清洗表面，晾干；
(7)将所制光阳极与对电极封装在一起，并通过对电极上预留的小孔将电解质灌入电池中，密封则得到染料敏化太阳能电池。
[0007]步骤(2)中酸是浓硫酸，浓盐酸，浓硝酸，硼酸中的一种或多种，酸和去离子水的体积比总保持在2?1:3。
[0008]步骤(3)中所述的钛源是钛酸正四丁酯、钛酸异丙酯、钛酸四乙酯中的一种或多种。
[0009]—种氧化钇复合有序二氧化钛光阳极，其特征在于，根据上述任一所述方法制备得到。
[0010]—种氧化钇复合有序二氧化钛光阳极在太阳能电池中的应用。
[0011 ]与现有技术相比，本发明具有以下优点:
DSSC作为极具市场潜力的廉价太阳能电池，具有许多传统电池所不具有的优点。因此，应该大力研究和发展DSSC。目前，DSSC的研究中还存在一些亟待解决的问题，其中之一就是效率的进一步提尚。提尚DSSC的效率，主要从两方面入手:优化电池的结构和提尚电池对太阳光的利用率。目前DSSC的吸光范围集中在300-800 nm之间，对那些能量占太阳光全部能量超过50%的红外光和紫外光的利用率较低。稀土离子的特殊电子层结构，使其具有很好的光学性质。因此，如能利用稀土发光材料的特性，将那些处于300-800 nm范围之外的光，转换成300-800 nm之间的光，将有可能大大提高电池的吸光率和光电转换性能。
[0012]本发明利用上转换发光材料，通过上转换发光作用，提高电池对光的利用率，进而提高光电流，在一定程度上提高电池的效率。另一方面，改善T12膜的质量，也会提高DSSC的效率，采用有序的一维结构，可以有效提高电子的传输速率和电池的电流。
【附图说明】
[0013]图1:由实施例2制得的二氧化钛纳米花的扫描电镜照片。
[0014]图2:由实施例2制得的氧化钇复合二氧化钛纳米花的扫描电镜图片。
[0015]图3:由实施例2制得的染料敏化太阳能电池的转换效率图谱。
【具体实施方式】
[0016]下面通过实施例对本发明作进一步阐述，其目的仅在于更好理解本发明的内容。因此，所举之例并不限制本发明的保护范围。
[0017]实施例1:
(O将氟掺杂锡氧化物(FTO)导电玻璃依次用丙酮、乙醇、去离子水清洗，其后用氮气枪吹干，备用；
(2)分别量取12.5ml质量分数为37%的浓盐酸和12.5ml去离子水形成混合溶液；
(3)将2.5ml钛酸四正丁酯滴入上述溶液中，并在钛酸酯快速水解的同时剧烈搅拌使之混合均匀；
(4)将混合均匀的悬浮液放入聚四氟乙烯衬里的不锈钢高压釜中，在180°(:下水热反应3小时；
(5)将步骤(4)得到的二氧化钛纳米花光阳极置于具有上转换功能的稀土硝酸钇水溶液中进行二次水热反应，160 °(:下进行水热反应3小时，得到上转换发光材料氧化钇复合二氧化钛纳米花光阳极材料；
(6)将制得的光阳极在N719染料中浸泡24小时后取出，用无水乙醇清洗表面，晾干；
(7)将所制光阳极与对电极封装在一起，并通过对电极上预留的小孔将电解质灌入电池中，密封则得到染料敏化太阳能电池。
[0018]实施例2:
(O将氟掺杂锡氧化物(FTO)导电玻璃依次用丙酮、乙醇、去离子水清洗，其后用氮气枪吹干，备用；
(2)分别量取7.5ml的浓盐酸和15ml去离子水形成混合溶液；
(3)将5ml钛酸四正丁酯滴入上述溶液中，并在钛酸酯快速水解的同时剧烈搅拌使之混合均匀；
(4)将混合均匀的悬浮液放入聚四氟乙烯衬里的不锈钢高压釜中，在170°(:下水热反应6小时；
(5)将步骤(4)得到的二氧化钛纳米花光阳极置于具有上转换功能的稀土硝酸钇水溶液中进行二次水热反应，190 °(:下进行水热反应3小时，得到上转换发光材料氧化钇复合二氧化钛纳米花光阳极材料；
(6)将制得的光阳极在N719染料中浸泡24小时后取出，用无水乙醇清洗表面，晾干；
(7)将所制光阳极与对电极封装在一起，并通过对电极上预留的小孔将电解质灌入电池中，密封则得到染料敏化太阳能电池。
[0019]图1为此反应条件所得的T12纳米花的形貌。从图中可以看出，所得到的T12纳米簇由纳米棒组成，每一束纳米棒又由无数更细小的纳米棒组成。从图2中可以看出，上转换发光材料氧化钇均匀分布在二氧化钛的表面。从图3电池效率曲线可知，复合上转换发光材料后，电池效率提高，从复合之前的4.15%提高至6.70% ο
[0020]实施例3:
(O将氟掺杂锡氧化物(FTO)导电玻璃依次用丙酮、乙醇、去离子水清洗，其后用氮气枪吹干，备用；
(2)分别量取5ml的浓硝酸和15ml去离子水形成混合溶液；
(3)将3ml钛酸四乙酯滴入上述溶液中，并在钛酸酯快速水解的同时剧烈搅拌使之混合均匀；
(4)将混合均匀的悬浮液放入聚四氟乙烯衬里的不锈钢高压釜中，在180°(:下水热反应5小时；
(5)将步骤(4)得到的二氧化钛纳米花光阳极置于具有上转换功能的稀土硝酸钇水溶液中进行二次水热反应，180 °(:下进行水热反应6小时，得到上转换发光材料氧化钇复合二氧化钛纳米花光阳极材料；
(6)将制得的光阳极在N719染料中浸泡24小时后取出，用无水乙醇清洗表面，晾干；
(7)将所制光阳极与对电极封装在一起，并通过对电极上预留的小孔将电解质灌入电池中，密封则得到染料敏化太阳能电池。
[0021]实施例4:
(O将氟掺杂锡氧化物(FTO)导电玻璃依次用丙酮、乙醇、去离子水清洗，其后用氮气枪吹干，备用；
(2)分别量取5ml浓硫酸和15ml去离子水形成混合溶液；
(3)将2.5ml钛酸异丙酯滴入上述溶液中，并在钛酸酯快速水解的同时剧烈搅拌使之混合均匀；
(4)将混合均匀的悬浮液放入聚四氟乙烯衬里的不锈钢高压釜中，在190°(:下水热反应6小时；
(5)将步骤(4)得到的二氧化钛纳米花光阳极置于具有上转换功能的稀土硝酸钇水溶液中进行二次水热反应，170 °(:下进行水热反应5小时，得到上转换发光材料氧化钇复合二氧化钛纳米花光阳极材料；
(6)将制得的光阳极在N719染料中浸泡24小时后取出，用无水乙醇清洗表面，晾干；
(7)将所制光阳极与对电极封装在一起，并通过对电极上预留的小孔将电解质灌入电池中，密封则得到染料敏化太阳能电池。
[0022]实施例5:
(O将氟掺杂锡氧化物(FTO)导电玻璃依次用丙酮、乙醇、去离子水清洗，其后用氮气枪吹干，备用；
(2)分别量取1ml硼酸和15ml去离子水形成混合溶液；
(3)将4ml钛酸四乙酯滴入上述溶液中，并在钛酸酯快速水解的同时剧烈搅拌使之混合均匀；
(4)将混合均匀的悬浮液放入聚四氟乙烯衬里的不锈钢高压釜中，在160°(:下水热反应6小时；
(5)将步骤(4)得到的二氧化钛纳米花光阳极置于具有上转换功能的稀土硝酸钇水溶液中进行二次水热反应，190 °(:下进行水热反应3小时，得到上转换发光材料氧化钇复合二氧化钛纳米花光阳极材料；
(6)将制得的光阳极在N719染料中浸泡24小时后取出，用无水乙醇清洗表面，晾干；
(7)将所制光阳极与对电极封装在一起，并通过对电极上预留的小孔将电解质灌入电池中，密封则得到染料敏化太阳能电池。
【主权项】
1.一种氧化钇复合有序二氧化钛光阳极的制备方法，其特征在于，一方面通过上转换发光材料拓宽了光谱吸收范围；另一方面，有序的一维/三维结构，可以提高电子的传输速率，从而提高电池的光电转换效率，其制备方法包括如下工艺步骤: (1)将氟掺杂锡氧化物(FTO)导电玻璃依次用丙酮、乙醇、去离子水清洗，其后用氮气枪吹干，备用； (2)将酸和去离子水形成混合溶液； (3)将钛源滴入上述混合溶液中，在钛源快速水解的同时剧烈搅拌使之混合均匀； (4)将混合均匀的悬浮液在160?190°(:下进行水热反应I?6小时； (5)将步骤(4)得到的二氧化钛纳米花光阳极置于具有上转换功能的稀土钇水溶液中进行二次水热反应，160?190 °(:下进行水热反应3~6小时，得到上转换发光材料氧化钇复合二氧化钛纳米花光阳极材料； (6)将制得的光阳极在N719染料中浸泡24小时后取出，用无水乙醇清洗表面，晾干； (7)将所制光阳极与对电极封装在一起，并通过对电极上预留的小孔将电解质灌入电池中，密封则得到染料敏化太阳能电池。2.根据权利要求1所述一种氧化钇复合有序二氧化钛光阳极的制备方法，其特征在于，步骤(2)中酸是浓硫酸，浓盐酸，浓硝酸，硼酸中的一种或多种，酸和去离子水的体积比总保持在2?1:3。3.根据权利要求1所述一种氧化钇复合有序二氧化钛光阳极的制备方法，其特征在于，步骤(3)中所述的钛源是钛酸正四丁酯、钛酸异丙酯、钛酸四乙酯中的一种或多种。4.一种氧化钇复合有序二氧化钛光阳极，其特征在于，根据权利要求1-3任一所述方法制备得到。5.根据权利要求4所述一种氧化钇复合有序二氧化钛光阳极在太阳能电池中的应用。
【文档编号】H01G9/20GK105895376SQ201610398084
【公开日】2016年8月24日
【申请日】2016年6月7日
【发明人】何丹农, 林琳, 杜以博, 徐少洪, 张春明, 金彩虹
【申请人】上海纳米技术及应用国家工程研究中心有限公司