染料敏化太阳能电池双层二氧化钛光阳极的制备方法
【专利摘要】本发明提供了一种染料敏化太阳能电池双层二氧化钛光阳极的制备方法。所述染料敏化太阳能电池双层二氧化钛光阳极的制备方法包括如下步骤：a、在FTO基底的导电面采用水热法生长锐钛矿二氧化钛纳米管阵列；b、在所述锐钛矿二氧化钛纳米管阵列表面刮涂二氧化钛薄膜层，并以2℃min?1的升温速率加热到450℃煅烧30min，自然冷却到室温；c、将步骤b中得到的样品浸泡在N719钌染料中，并在50℃条件下保温12h进行敏化，然后用无水乙醇冲洗，并在80℃干燥2h。所述染料敏化太阳能电池双层二氧化钛光阳极的制备方法可以提高电池的短路电流和光电转换效率，使得基于这种双层的二氧化钛光阳极的染料敏化太阳能电池的光伏性能得到整体提高。
【专利说明】
染料敏化太阳能电池双层二氧化钛光阳极的制备方法
技术领域
[0001]本发明属于太阳能电池领域，具体涉及一种染料敏化太阳能电池双层二氧化钛光阳极的制备方法。
【背景技术】
[0002 ]染料敏化太阳能电池(DSSC)是一种有效利用太阳能的光电器件，自从1991年瑞士的Gratzel教授等人首次对染料敏化太阳能电池的光电转换效率取得突破性进展以来，染料敏化太阳能电池就以其制作工艺简单、成本低廉、性能稳定、对环境无污染的特性被广泛研究，成为继硅晶太阳能电池后被认为最有潜力的第三代太阳能电池之一。染料敏化太阳能电池由光阳极、光敏化剂、氧化还原电解质和对电极组成一个三明治结构。其中，纳米二氧化钛光阳极在光伏性能中起主导作用。不同形态的二氧化钛(如:纳米粒子、纳米棒、纳米管、纳米纤维、纳米线、纳米片、纳米网、空心球)以及复合结构已被用做光阳极，并取得了突破性进展。一般地，高性能的光阳极具有快速的电子传输、高的比表面、好的光散射。优化的一■氧化钦光阳极的结构对于提尚光吸收，进一步提尚染料敏化太阳能电池的光电转换效率有很大影响。
【发明内容】
[0003]本发明的目的在于提供一种染料敏化太阳能电池双层二氧化钛光阳极的制备方法。
[0004]本发明的技术方案如下:一种染料敏化太阳能电池双层二氧化钛光阳极的制备方法，包括如下步骤:
[0005]a、在FTO基底的导电面采用水热法生长锐钛矿二氧化钛纳米管阵列；
[0006]b、在所述锐钛矿二氧化钛纳米管阵列表面刮涂二氧化钛薄膜层，并以ScCmirT1的升温速率加热到450°C煅烧30min，自然冷却到室温；
[0007]C、将步骤b中得到的样品浸泡在N719钌染料中，并在50°C条件下保温12h进行敏化，然后用无水乙醇冲洗，并在80 0C干燥2h。
[0008]优选地，在步骤a中，所述水热法的温度为180°C，保温时间为8h。
[0009]优选地，在步骤a中，将所述FTO基底的导电面朝下，并以设定角度放入200mL水热釜中。
[0010]优选地，在步骤a的水热法生长的锐钛矿二氧化钛纳米管阵列的厚度为l-5um。
[0011]优选地，在步骤b中，所述二氧化钛薄膜层的浆料质量配比为二氧化钛粉末:松油醇:乙基纤维素= 1:0.5:4。
[0012]优选地，在步骤b中，所述二氧化钛薄膜层中二氧化钛粉末包括按设定质量比混合的2D纳米片和3D纳米网，所述2D纳米片和所述3D纳米网均为水热法制取的锐钛矿型二氧化钛。
[0013]优选地，所述二氧化钛薄膜层中二氧化钛粉末的2D纳米片所占的质量百分数包括25%、50%、75% 和 100%。
[0014]优选地，步骤b中得到的样品的二氧化钛薄膜层的厚度为8_15um。
[0015]优选地，在步骤c中，所述N719钌染料为浓度为0.3mM的N719的乙醇溶液。
[0016]优选地，所述N719钌染料的制备步骤包括:把0.178g的N719粉末放进装有500mL无水乙醇的棕色瓶内超声1min。
[0017]本发明的有益效果在于:所述染料敏化太阳能电池双层二氧化钛光阳极的制备方法中，设计了一种的染料敏化太阳能电池双层二氧化钛光阳极，光阳极的第一层能够加快电子传输速率，第二层是多功能层，能够增加光散射，光吸收，来减小电子的再结合速率，整体上提高染料对光的吸收，进而提高电池的短路电流和光电转换效率，使得基于这种双层的二氧化钛光阳极的染料敏化太阳能电池的光伏性能得到整体提高。而且，当第二层混合粉末中2D纳米片的质量分数为50 %时，可获得最高的光伏性能。
[0018]此外，本发明中的染料敏化太阳能电池双层二氧化钛光阳极的制作方法，制备工艺简单，成本低廉，操作简便，便于推广利用。
【附图说明】
[0019]图1是本发明提供的染料敏化太阳能电池双层二氧化钛光阳极的制备方法的实施例1-4中制备的煅烧后的双层二氧化钛光阳极的X射线衍射分析谱；
[0020]图2是本发明提供的染料敏化太阳能电池双层二氧化钛光阳极的制备方法的实施例1-4中制备的浸染料后的双层二氧化钛光阳极的紫外-可见漫反射吸收光谱分析谱；
[0021]图3是本发明提供的染料敏化太阳能电池双层二氧化钛光阳极的制备方法的实施例1-4中制备的基于双层二氧化钛光阳极的染料敏化太阳能电池的J-V光伏特性分析图。
【具体实施方式】
[0022]为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
[0023]除非上下文另有特定清楚的描述，本发明中的元件和组件，数量既可以单个的形式存在，也可以多个的形式存在，本发明并不对此进行限定。本发明中的步骤虽然用标号进行了排列，但并不用于限定步骤的先后次序，除非明确说明了步骤的次序或者某步骤的执行需要其他步骤作为基础，否则步骤的相对次序是可以调整的。可以理解，本文中所使用的术语“和/或”涉及且涵盖相关联的所列项目中的一者或一者以上的任何和所有可能的组入口 ο
[0024]本发明实施例提供的染料敏化太阳能电池双层二氧化钛光阳极第一层是定向有序的锐钛矿型二氧化钛纳米管阵列，可加快电子传输速率;第二层为二氧化钛薄膜层，所述二氧化钛薄膜层的二氧化钛粉末由不同质量比的2D纳米片和3D纳米网组成，作为多功能层，能够增加光散射，光吸收，来减小电子的再结合速率，从而整体上提高染料对光的吸收，进而提高电池的短路电流和光电转换效率，使得基于这种双层的二氧化钛光阳极的染料敏化太阳能电池的光伏性能得到整体提高。
[0025]在本实施例中，所述染料敏化太阳能电池双层二氧化钛光阳极的制备方法具体包括如下步骤:
[0026]—、在FTO基底的导电面采用水热法生长锐钛矿二氧化钛纳米管阵列。
[0027]具体地，步骤一包括如下步骤:
[0028]I)用洗洁精、去离子水、丙酮、乙醇依次超声波清洗FTO基底15min，氮气吹干；
[0029]2)15mL去离子水、15mL无水乙醇、30mL 37%的盐酸分别加入至烧杯中，磁力搅拌5min，获得前驱体溶液；
[0030]3)lmL钛酸四丁酯加入到步骤2)前驱体溶液中，磁力搅拌15min;
[0031]4)逐滴加入ImL 98%的浓硫酸至步骤3)溶液中，磁力搅拌15min;
[0032]5)把步骤4)所得混合溶液转移至聚四氟乙烯内衬的200mL水热釜中，并将两片FTO基底的导电面朝下，且以设定角度放入所述水热釜的内衬中，拧紧，并放入烘箱中180°C保温8小时，即使得所述水热法条件为180°C保温Sh，以避免加热温度过高或水热时间太长，导致阵列薄膜易脱落；
[0033]6)将水热釜冷却至室温，取出试样，用去离子水清洗3h，空气中干燥，即得在基底上生长的定向有序的锐钛矿二氧化钛纳米管阵列。
[0034]在本实施例中，在步骤一的水热法中，将FTO基底的导电面朝下，且以设定角度放入所述水热釜的内衬中，可以有利于阵列的垂直定向生长。而且所述水热法生长的锐钛矿二氧化钛纳米管阵列的厚度为l_5um。优选地，所述锐钛矿二氧化钛纳米管阵列的厚度是
2.3um，并作为连接层，从而加快电子传输。
[0035]二、在所述锐钛矿二氧化钛纳米管阵列表面刮涂二氧化钛薄膜层，并以StCmirT1的升温速率加热到450°C煅烧30min，自然冷却处理。
[0036]具体地，在步骤二中，采用刮涂方式在所述锐钛矿二氧化钛纳米管阵列表面涂覆二氧化钛薄膜层;并刮涂后，空气中干燥，再以ScCmirT1的速率加热到450 °C煅烧30min，最后自然冷却降温处理。在本实施例中，在步骤二中得到的样品的二氧化钛薄膜层的厚度为8-15um。优选地，二氧化钛薄膜层的厚度为1um。
[0037]在本实施例中，所述二氧化钛薄膜层的浆料质量配比为二氧化钛粉末:松油醇:乙基纤维素=1: 0.5:4，在研钵中至少研磨30min使浆料混合均匀。而且，所述二氧化钛薄膜层中二氧化钛粉末包括按设定质量比混合的2D纳米片和3D纳米网，所述2D纳米片和所述3D纳米网均为水热法制取的锐钛矿型二氧化钛，并且均作为多功能层，增加光散射和光吸收，进一步减少电子再结合。可选择地，所述二氧化钛薄膜层中二氧化钛粉末的2D纳米片所占的质量百分数包括但不限于 10%、15%、20%、25%、30%、35%、40%、45%、50%、55%、60%、65%、70%、75%、80%、85%、90%、95%和100%，从而探讨不同含量的2D纳米片对电池性能的影响。
[0038]进一步地，在本实施例中，所述2D纳米片的制备具体包括如下步骤:
[0039]将50mL钛酸四丁酯和6mL 40%的氢氟酸搅拌均匀后，加入到200mL水热釜中，180°C保温24h，得到白色沉淀；
[0040]将所述白色沉淀先用去离子水洗3遍，再乙醇洗3遍，然后在真空干燥箱80°C干燥6h，即得2D锐钛矿型二氧化钛纳米片。
[0041 ]在本实施例中，所述3D纳米网的制备具体包括如下步骤:
[0042]0.1g P25加入到60mL，1mol L—1的NaOH溶液中，分别进行超声波处理和磁力搅拌各5min;
[0043 ]将得到的溶液转移到I OOmL聚四氟乙烯内衬的高压釜中，加入8mL质量分数30 %的H2O2溶液，搅拌均匀，并在烘箱中150 °C保温90min，从而获得白色粉末；
[0044]将得到的白色粉末先用0.2M的HCl溶液清洗3次至PH = 6.5，再用去离子水洗3次，最后乙醇浸泡24h，接着对所得产物进行抽滤，并在真空干燥箱60 °C干燥5h，最后以10°Cmin—1的加热速率加热到450°C保温2h煅烧，即得3D锐钛矿型二氧化钛纳米网。
[0045]三、将步骤二中得到的样品浸泡在N719钌染料中，并在50°C条件下保温12h进行敏化，然后用无水乙醇冲洗，并在80 0C干燥2h。
[0046]具体地，在800C温度条件下取出步骤二中得到的样品，并将其浸泡在N719钌染料中，50 °C保温12h。而且，所述N719钌染料为浓度为0.3mM的N719的乙醇溶液。在本实施例中，所述N719钌染料的制备步骤包括:把0.178g的N719粉末放进装有500mL无水乙醇的棕色瓶内超声I Omin，并把瓶底擦干，防止水分进入染料溶液中使染料分解。
[0047]也就是说，所述步骤三具体包括如下步骤:
[0048]配制0.3mM的N719的无水乙醇溶液；
[0049]将从80°C取出的薄膜样品浸泡在N719钌染料中，50°C保温12h进行敏化；
[0050]用无水乙醇冲洗膜电极，80°C干燥2h，即得敏化光阳极。
[0051]四、染料敏化太阳能电池的组装。
[0052]具体地，所述步骤四具体包括如下步骤:
[0053]将膜电极两边用透明胶带粘上，然后将铂对电极覆盖在步骤三中得到的敏化光阳极上，两电极之间形成一个约50um的空腔，完成一个三明治型的电池组装；
[0054]采用一个剪有圆形的黑色遮光片在从入射面将膜电极完全覆盖，以保证电池的工作面积为圆形开口的面积(圆形开口面积为础2，其中，R = 2.5mm)，即得一个组装好的染料敏化太阳能电池。
[0055]取所述二氧化钛薄膜层中二氧化钛粉末的2D纳米片所占的质量百分数为25%、50%、75%和100%的光阳极为例，并分别依次设定为实施例1、实施例2、实施例3和实施例
4。如图1所示，是实施例1-4中制备的煅烧后的双层二氧化钛光阳极的X射线衍射分析谱。其中，图1中1-4#分别依次对应实施例1-4制备煅烧后的双层二氧化钛光阳极的X射线衍射分析谱。
[0056]从图1可以看出，乂^)在25.3、37.8、48.1、54.0、55.1和62.7°的衍射峰，分别对应于二氧化钛的(101)、(004)、( 200)、(105)、(211)和(204)晶面，表明了锐钛矿二氧化钛的存在。混合粉末为100 % 2D纳米片即实施例4时的(101)峰最尖锐，是由于纳米片有很好的结晶性。
[0057]如图2所示，是实施例1-4中制备的浸染料后的双层二氧化钛光阳极的紫外-可见漫反射吸收光谱分析谱。其中，图2中1-4#分别依次对应实施例1-4。
[0058]从图2可以看出，浸N719钌染料后，1-4#在530nm左右均有明显的N719的峰；并且，2#(即实施例2)在整个可见光波段有最强的吸收值。
[0059]如图3所示，是实施例1-4中制备的基于双层二氧化钛光阳极的染料敏化太阳能电池的J-V光伏特性分析图。其中，图3中1-4#分别依次对应实施例1-4。
[0060]在标准测试条件下，10mAcnf2光强(AM 1.5G光照)下，对电池的光电性能进行了测试。其中，1#:器件光电转换效率达到1.46 %，填充因子为72.65%,开路电压为0.51V，短路电流密度为3.08mAcm—2; 2#:器件光电转换效率达到1.71%，填充因子为57.03%，开路电压为0.61V，短路电流密度为4.89mAcm—2; 3#:器件光电转换效率达到1.26%，填充因子为55.10%，开路电压为0.64V，短路电流密度为3.57mAcm—2;4#:器件光电转换效率达到1.13%，填充因子为29.72%，开路电压为0.54￥，短路电流密度为7.0611^011—2。
[0061]从以上结果可以看出，双层二氧化钛光阳极的染料敏化太阳能电池2#获得最高光电转换效率，这和紫外-可见漫反射吸收光谱图的分析结果是一致的。
[0062]相较于现有技术，本发明提供的染料敏化太阳能电池双层二氧化钛光阳极的制备方法中，设计了一种的染料敏化太阳能电池双层二氧化钛光阳极，光阳极的第一层能够加快电子传输速率，第二层是多功能层，能够增加光散射，光吸收，来减小电子的再结合速率，整体上提高染料对光的吸收，进而提高电池的短路电流和光电转换效率，使得基于这种双层的二氧化钛光阳极的染料敏化太阳能电池的光伏性能得到整体提高。而且，当第二层混合粉末中2D纳米片的质量分数为50 %时，可获得最高的光伏性能。
[0063]此外，本发明中的染料敏化太阳能电池双层二氧化钛光阳极的制作方法，制备工艺简单，成本低廉，操作简便，便于推广利用。
[0064]对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
[0065]此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。
【主权项】
1.一种染料敏化太阳能电池双层二氧化钛光阳极的制备方法，其特征在于:包括如下步骤: a、在FTO基底的导电面采用水热法生长锐钛矿二氧化钛纳米管阵列； b、在所述锐钛矿二氧化钛纳米管阵列表面刮涂二氧化钛薄膜层，并以^CmirT1的升温速率加热到450°C煅烧30min，自然冷却到室温； C、将步骤b中得到的样品浸泡在N719钌染料中，并在50°C条件下保温12h进行敏化，然后用无水乙醇冲洗，并在80°C干燥2h。2.根据权利要求1所述的染料敏化太阳能电池双层二氧化钛光阳极的制备方法，其特征在于:在步骤a中，所述水热法的温度为180°C，保温时间为8h。3.根据权利要求1所述的染料敏化太阳能电池双层二氧化钛光阳极的制备方法，其特征在于:在步骤a中，将所述FTO基底的导电面朝下，并以设定角度放入200mL水热釜中。4.根据权利要求3所述的染料敏化太阳能电池双层二氧化钛光阳极的制备方法，其特征在于:在步骤a的水热法生长的锐钛矿二氧化钛纳米管阵列的厚度为l-5um。5.根据权利要求1所述的染料敏化太阳能电池双层二氧化钛光阳极的制备方法，其特征在于:在步骤b中，所述二氧化钛薄膜层的浆料的组分及质量配比为二氧化钛粉末:松油醇:乙基纤维素= 1:0.5:4。6.根据权利要求5所述的染料敏化太阳能电池双层二氧化钛光阳极的制备方法，其特征在于:在步骤b中，所述二氧化钛薄膜层中二氧化钛粉末包括按设定质量比混合的2D纳米片和3D纳米网，所述2D纳米片和所述3D纳米网均为水热法制取的锐钛矿型二氧化钛。7.根据权利要求6所述的染料敏化太阳能电池双层二氧化钛光阳极的制备方法，其特征在于:所述二氧化钛薄膜层中二氧化钛粉末的2D纳米片所占的质量百分数包括25%、50%、75% 和 100%。8.根据权利要求1所述的染料敏化太阳能电池双层二氧化钛光阳极的制备方法，其特征在于:步骤b中得到的样品的二氧化钛薄膜层的厚度为8-15um。9.根据权利要求1所述的染料敏化太阳能电池双层二氧化钛光阳极的制备方法，其特征在于:在步骤c中，所述N719钌染料为浓度为0.3mM的N719的乙醇溶液。10.根据权利要求9所述的染料敏化太阳能电池双层二氧化钛光阳极的制备方法，其特征在于:所述N719钌染料的制备步骤包括:把0.178g的N719粉末放进装有500mL无水乙醇的棕色瓶内超声1min。
【文档编号】H01G9/20GK105895378SQ201610502769
【公开日】2016年8月24日
【申请日】2016年6月28日
【发明人】范佳杰, 冉慧丽, 刘永强, 黄浩, 仝可蒙, 李珍珍
【申请人】郑州大学