一种新型电极结构的染料敏化太阳电池的制作方法
【专利摘要】本申请涉及一种新型电极结构的染料敏化太阳电池，所述染料敏化太阳电池由光阳极、电解液和对电极构成；所述光阳极由外而内依次为ITO基底、碳纳米材料、大颗粒TiO2、染料分子；所述对电极由外而内依次为Ti基底、Cu薄膜、碳纳米材料、Ni薄膜；所述光阳极与所述对电极间距为100μm；所述Ni厚度为5nm；本申请的染料敏化太阳电池置重复性、稳定性良好，光电转换效率高，具备很大的市场应用前景。
【专利说明】
一种新型电极结构的染料敏化太阳电池
技术领域
[0001]本申请涉及太阳能电池领域，尤其涉及一种新型电极结构的染料敏化太阳电池。 【背景技术】
[0002]现阶段太阳能的资源最丰富，也最普遍，其受季节、地形的影响较小，并且太阳能使用清洁，可以极大的减少温室气体和有毒气体等的产生。随着今天先进科技的发展，太阳能技术的研究正处理蓬勃发展的阶段，太阳能电池技术是如今利用太阳能的最有效方式。
[0003]和电解质。光阳极一般是由透明导电基底和位于导电基底上的纳米薄膜构成，导电基底一般为IT0、FT0等导电玻璃，纳米薄膜表面吸附有染料分子，染料分子主要作用是吸收光子的能量，产生电子;对电极一般由导电基底和位于其表面的催化材料组成，与光阳极相同，导电基底一般为IT0、FT0等导电玻璃或其它导电材料，催化材料一般为贵金属铂，催化材料用来还原电解质中氧化-还原对，保证染料电池的循环能够顺利进行；电解质一般为含有氧化-还原对的液体，其中比较典型的为碘负/碘三负离子，通过被氧化与被还原参与循环过程。
[0004]目前，对染料敏化太阳电池的研究主要集中在各部分材料的最优化选择与结构的设计方面，比如，光阳极研究方面，可以引入散射层、增加染料对光谱的吸收范围，对电极研究方面，有催化层材料的替换、电极结构的改进等。传统的DSSC的对电极使用价格昂贵的金属铂为催化材料，由于成本问题，其不利于大规模应用；另外，光阳极结构对DSSC光电转换效率有很大的影响，有目的的改变纳米材料的结构是一种提高染料敏化太阳能电池光电转换效率的有效手段。
【发明内容】
[0005]为克服相关技术中存在的问题，本申请提供一种新型电极结构的染料敏化太阳电池。
[0006]本申请通过以下技术方案实现:
[0007]优选地，所述染料敏化太阳电池由光阳极、电解液和对电极构成;所述光阳极由外而内依次为IT0基底、碳纳米材料、大颗粒Ti02、染料分子;所述对电极由外而内依次为Ti基底、Cu薄膜、碳纳米材料、Ni薄膜;所述光阳极与所述对电极间距为100M1;所述Ni厚度为 5nm〇
[0008]优选地，所述染料敏化太阳电池的制备步骤如下:
[0009]S1，制作对电极:
[0010]a)清洗、处理Ti基底:
[0011]采用Ti作为对电极的基底，选取合适大小(如5cmX5cm)的Ti片，清洗后，然后用砂纸打磨，砂纸的目数递增，每种目数的砂纸打磨20min，使得Ti基底表面去除明显的杂质，并且存在凹凸度，利用磁控溅射法在其表面蒸镀一层金属Cu薄膜，厚度为300nm，然后，将Ti基底放入盐酸溶液浸泡30min，用丙酮、乙醇和去离子水分别超声清洗20min，随后将Ti基底自然晾干；
[0012] b)Ti基底表面生长碳纳米材料:[〇〇13]80°C下，配制NiS04溶液和十二烷基硫酸钠(K12)溶液，浓度分别为21 %?42 %和18%?35% (质量分数)，然后各取200ml，在磁力搅拌下混合均匀，利用匀胶机将其旋涂于a 步得到的Ti基底表面，干燥2h后，将其放在火焰表面处理20min，即在Ti基底表面形成碳纳米材料；[0〇14] c)制作催化剂Ni薄膜
[0015]取上述得到的Ti基底，放入磁控溅射仪中，蒸镀一层Ni薄膜，其中，本底真空为1.5 X10-3pa，即得对电极；
[0016]S2,制作光阳极:[0〇17] a)清洗、处理IT0基底:
[0018]光阳极基底采用IT0玻璃，选取与对电极Ti基底相同尺寸的IT0基底，按照步骤一中，用砂纸打磨IT0基底，然后用丙酮、乙醇和去离子水分别超声清洗20min，随后将IT0基底自然晾干；
[0019]b)IT0基底表面生长碳纳米材料:
[0020]采用步骤一 b)中相同方法，在IT0基底表面生长碳纳米材料，[〇〇21] c)丝网印刷大颗粒Ti02:[〇〇22] 取18g的大颗粒(500nm)Ti02纳米颗粒和5ml冰醋酸混合均匀，然后逐滴加入去离子水和乙醇研磨，研磨时间为4h，将研磨好的混合溶液中加入松油醇，在超声清洗机中进行超声分散，随后将溶液置于旋转蒸发仪中将多余的无水乙醇蒸出，然后将剩下的浆料继续研磨3h，即得到大颗粒Ti02浆料;利用丝网印刷的方法将制得的大颗粒Ti02浆料旋涂于生长有碳纳米材料的IT0基底上，大颗粒Ti02浆料厚度为2500nm，然后将IT0基底放入马弗炉中 400°C 煅烧 30min
[0023] d)吸附染料:[〇〇24]取N719与叔丁醇和乙腈的混合溶液(体积比1:1)配置成0.6mM的染料溶液，将煅烧后的IT0基底放入染料溶液中，经过28h的染料浸泡后取出，用乙腈冲洗2min，烘干，即得光阳极；[〇〇25]S3,填充电解质溶液及封装:
[0026]将吸附染料的光阳极与对电极相对放置，用沙林树脂将其封装在一起，光阳极与对电极之间厚度为100M1，最后向其间隙灌注电解液，电解质溶液为0.06M的单质碘，1.2M的 1-甲基-3丙基咪唑碘，0.7M的硫氰酸胍，0.6M的叔丁基吡啶的乙腈溶液，灌装完毕后封堵电解质灌注口，完成染料敏化太阳电池的制备。
[0027]本申请的实施例提供的技术方案可以包括以下有益效果:
[0028]1.在本申请的染料敏化太阳电池采用碳纳米材料作为光阳极的导电层，其表面丝网印刷一层大颗粒Ti02;碳纳米材料采用简单的旋涂法和火焰法制备，其中，采用十二烷基硫酸钠(K12)作为造孔剂，制得的碳纳米材料同时含有碳纳米管和碳纳米纤维，其具有分层多孔结构，电阻值较低，碳纳米材料的分层多孔结构具有大的表面积，利于提高大颗粒Ti02 的均匀性、分散性，进一步地，可以更多的吸附染料分子，从提高染料分子的密度方面有利于提高太阳光的光电转换效率。
[0029]2.本申请涉及的在染料敏化太阳电池的对电极方面，同时采用与光阳极相同的碳纳米材料和金属Ni作为对电极的催化层，碳纳米材料具有分层的多孔结构，金属Ni可以很好的分散在其中，大大提高了对电解液还原反应的催化效率;并且在对电极Ti基底与碳纳米材料之间磁控溅射一层Cr膜;碳纳米材料由于具有分层的多孔结构，其有利于对电解质还原反应催化效率的提高;此外，对电极基底与碳纳米材料之间增加一层Cr膜，其作为过渡层，增加了碳纳米材料与Ti基底的吸附粘度，同时在界面处形成两个欧姆接触，增加了对电极的导电性。
[0030]本申请附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本申请的实践了解到。应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本申请。【附图说明】
[0031]此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本发明的实施例，并与说明书一起用于解释本发明的原理。
[0032]图1是本发明的染料敏化太阳电池制作流程图。【具体实施方式】
[0033]这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本发明相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本发明的一些方面相一致的装置和方法的例子。[〇〇34]下文的公开提供了许多不同的实施例或例子用来实现本申请的不同结构。为了简化本申请的公开，下文中对特定例子的部件和设置进行描述。当然，它们仅仅为示例，并且目的不在于限制本申请。此外，本申请可以在不同例子中重复参考数字和/或字母。这种重复是为了简化和清楚的目的，其本身不只是所讨论各种实施例和/或设置之间的关系。此夕卜，本申请提供了的各种特定的工艺和材料的例子，但是本领域普通技术人员可以意识到其他工艺的可应用性和/或其他材料的使用。另外，以下描述的第一特征在第二特征值“上” 的结构可以包括第一和第二特征形成为直接接触的实施例，也可以包括另外的特征形成在第一和第二特征之间的实施例，这样第一和第二特征可能不是直接接触。
[0035]在本申请的描述中，需要说明的是，除非另有规定和限定，术语“安装”、“相连”、 “连接”应做广义理解，例如，可以是机械连接或电连接，也可以是两个元件内部的连通，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
[0036]众所周知，传统能源包括各种化石能源，比如煤、石油、天然气等，传统能源在短时间内不具备可再生性，随着持续的开发利用，其储量逐渐减少；另一方面，传统能源的提炼过程一般会产生有毒物质、温室气体等，从而破坏生态环境，造成环境污染，现如今生态问题与极端气候，已经给人类使用传统能源的方式敲响了警钟。因此，积极寻找、开发利用可替代的新能源成为迫切需要。
[0037]现今，研究较多的新能源包括水能、风能、核能、潮汐能、生物质能和太阳能。这其中，太阳能的资源最丰富，也最普遍，其受季节、地形的影响较小，并且太阳能使用清洁，可以极大的减少温室气体和有毒气体等的产生。随着今天先进科技的发展，太阳能技术的研究正处理蓬勃发展的阶段，太阳能电池技术是如今利用太阳能的最有效方式。太阳能电池经历了大概三个发展阶段:硅太阳能电池、薄膜太阳能电池和染料敏化太阳能电池。硅太阳能电池现今应用最广泛，其转换效率高，性能稳定，但是提炼高纯硅需要消耗大量能源;薄膜太阳能电池的制造成本相比传统能源价格较高，制备原料多有毒性，生产过程会产生严重的环境污染，限制了其大规模的应用。
[0038]染料敏化太阳电池(DSSC) —般为三明治结构，包括光阳极、对电极和电解质。光阳极一般是由透明导电基底和位于导电基底上的纳米薄膜构成，导电基底一般为IT0、FT0等导电玻璃，纳米薄膜表面吸附有染料分子，染料分子主要作用是吸收光子的能量，产生电子;对电极一般由导电基底和位于其表面的催化材料组成，与光阳极相同，导电基底一般为 IT0、FT0等导电玻璃或其它导电材料，催化材料一般为贵金属铂，催化材料用来还原电解质中氧化-还原对，保证染料电池的循环能够顺利进行；电解质一般为含有氧化-还原对的液体，其中比较典型的为碘负/碘三负离子，通过被氧化与被还原参与循环过程。
[0039]目前，对染料敏化太阳电池的研究主要集中在各部分材料的最优化选择与结构的设计方面，比如，光阳极研究方面，可以引入散射层、增加染料对光谱的吸收范围，对电极研究方面，有催化层材料的替换、电极结构的改进等。传统的DSSC的对电极使用价格昂贵的金属铂为催化材料，由于成本问题，其不利于大规模应用；另外，光阳极结构对DSSC光电转换效率有很大的影响，有目的的改变纳米材料的结构是一种提高染料敏化太阳能电池光电转换效率的有效手段。
[0040]本发明中所涉及的染料敏化太阳电池，针对现有染料敏化太阳电池中存在的问题，设计制备了一种具有新型电极结构的染料敏化太阳电池，采用碳纳米材料作为光阳极染料分子的承载层，同时作为对电极的催化层，其碳纳米材料制备过程简单，制备的染料敏化太阳电池的光电转换效率高，太阳电池工作稳定性好。
[0041]实施例一:
[0042]本申请的实施例涉及一种新型电极结构的染料敏化太阳电池。
[0043]优选地，所述染料敏化太阳电池由光阳极、电解液和对电极构成;所述光阳极由外而内依次为IT0基底、碳纳米材料、大颗粒Ti02、染料分子;所述对电极由外而内依次为Ti基底、Cu薄膜、碳纳米材料、Ni薄膜;所述光阳极与所述对电极间距为100M1;所述Ni厚度为 5nm〇
[0044]优选地，由图1，所述染料敏化太阳电池的制备步骤如下:
[0045]S1，制作对电极:[〇〇46] a)清洗、处理Ti基底:
[0047]采用Ti作为对电极的基底，选取合适大小(如5cmX5cm)的Ti片，清洗后，然后用砂纸打磨，砂纸的目数递增，每种目数的砂纸打磨20min，使得Ti基底表面去除明显的杂质，并且存在凹凸度，利用磁控溅射法在其表面蒸镀一层金属Cu薄膜，厚度为300nm，然后，将Ti基底放入盐酸溶液浸泡30min，用丙酮、乙醇和去离子水分别超声清洗20min，随后将Ti基底自然晾干；[〇〇48] b)Ti基底表面生长碳纳米材料:
[0049]80°C下，配制NiS04溶液和十二烷基硫酸钠(K12)溶液，浓度分别为21 %?42 %和18%?35% (质量分数)，然后各取200ml，在磁力搅拌下混合均匀，利用匀胶机将其旋涂于a 步得到的Ti基底表面，干燥2h后，将其放在火焰表面处理20min，即在Ti基底表面形成碳纳米材料；[0〇5〇] c)制作催化剂Ni薄膜[0051 ]取上述得到的Ti基底，放入磁控溅射仪中，蒸镀一层Ni薄膜，其中，本底真空为1.5 X10-3pa，即得对电极；[〇〇52]S2,制作光阳极:[〇〇53] a)清洗、处理IT0基底:
[0054]光阳极基底采用IT0玻璃，选取与对电极Ti基底相同尺寸的IT0基底，按照步骤一中，用砂纸打磨IT0基底，然后用丙酮、乙醇和去离子水分别超声清洗20min，随后将IT0基底自然晾干；[〇〇55] b)IT0基底表面生长碳纳米材料:
[0056]采用步骤一 b)中相同方法，在IT0基底表面生长碳纳米材料，[〇〇57] c)丝网印刷大颗粒Ti02:[〇〇58] 取18g的大颗粒(500nm)Ti02纳米颗粒和5ml冰醋酸混合均匀，然后逐滴加入去离子水和乙醇研磨，研磨时间为4h，将研磨好的混合溶液中加入松油醇，在超声清洗机中进行超声分散，随后将溶液置于旋转蒸发仪中将多余的无水乙醇蒸出，然后将剩下的浆料继续研磨3h，即得到大颗粒Ti02浆料;利用丝网印刷的方法将制得的大颗粒Ti02浆料旋涂于生长有碳纳米材料的IT0基底上，大颗粒Ti02浆料厚度为2500nm，然后将IT0基底放入马弗炉中 400°C 煅烧 30min [〇〇59] d)吸附染料:[〇〇6〇]取N719与叔丁醇和乙腈的混合溶液(体积比1:1)配置成0.6mM的染料溶液，将煅烧后的IT0基底放入染料溶液中，经过28h的染料浸泡后取出，用乙腈冲洗2min，烘干，即得光阳极；
[0061]S3,填充电解质溶液及封装:[〇〇62]将吸附染料的光阳极与对电极相对放置，用沙林树脂将其封装在一起，光阳极与对电极之间厚度为1 OOwii，最后向其间隙灌注电解液，电解质溶液为0.06M的单质碘，1.2M的 1-甲基-3丙基咪唑碘，0.7M的硫氰酸胍，0.6M的叔丁基吡啶的乙腈溶液，灌装完毕后封堵电解质灌注口，完成染料敏化太阳电池的制备。
[0063]优选地，本发明的染料敏化太阳电池中对电极与光阳极均采用了相同的碳纳米材料。碳纳米材料的下部接近基底部分相对致密甚至呈板结，呈现致密层，上部分，彼此分开， 呈现多孔层，致密层与多孔层厚度比例为1:3。对该染料敏化太阳电池进行光电转换效率测量，模拟太阳光通过模拟太阳光产生器形成，光强为lOOmWcm-2,且光谱满足AM1.5标准，测试的到，该染料敏化太阳电池的开路电压为0.72±0.05V，短路电流密度为9.6 ±0.lmAcm-2,转换效率为12.1%。
[0064]本发明的中，染料敏化太阳电池采用制作过程简单、成本低廉的碳纳米材料作为对电极的催化层和光阳极的导电层，该碳纳米材料具有独特的致密层和多孔层，应用于对电极，其多孔结构有利于电解质还原反应的催化，并且其与过渡层Cr形成欧姆接触，具有较低的电阻，应用于光阳极，其大大增加了大颗粒Ti02的分散性、均匀性，进一步地提高了染料的吸附率，采用该电极结构的染料敏化太阳电池表现出更高的太阳光转换效率。
[0065]本发明的染料敏化太阳电池能够实现太阳光的高效利用，并且该重复性、稳定性良好，光电转换效率高，具备很大的市场应用前景。
[0066]实施例二:
[0067]本申请的实施例涉及一种新型电极结构的染料敏化太阳电池。
[0068]优选地，所述染料敏化太阳电池由光阳极、电解液和对电极构成;所述光阳极由外而内依次为IT0基底、碳纳米材料、大颗粒Ti02、染料分子;所述对电极由外而内依次为Ti基底、Cu薄膜、碳纳米材料、Ni薄膜;所述光阳极与所述对电极间距为100M1;所述Ni厚度为 5nm〇
[0069]优选地，由图1，所述染料敏化太阳电池的制备步骤如下:
[0070]S1，制作对电极:
[0071]a)清洗、处理Ti基底:
[0072]采用Ti作为对电极的基底，选取合适大小(如5cmX5cm)的Ti片，清洗后，然后用砂纸打磨，砂纸的目数递增，每种目数的砂纸打磨20min，使得Ti基底表面去除明显的杂质，并且存在凹凸度，利用磁控溅射法在其表面蒸镀一层金属Cu薄膜，厚度为300nm，然后，将Ti基底放入盐酸溶液浸泡30min，用丙酮、乙醇和去离子水分别超声清洗20min，随后将Ti基底自然晾干；[〇〇73] b)Ti基底表面生长碳纳米材料:[〇〇74]80°(:下，配制附304溶液和十二烷基硫酸钠(1(12)溶液，浓度分别为21%?42%和18%?35% (质量分数)，然后各取200ml，在磁力搅拌下混合均匀，利用匀胶机将其旋涂于a 步得到的Ti基底表面，干燥2h后，将其放在火焰表面处理20min，即在Ti基底表面形成碳纳米材料；[〇〇75] c)制作催化剂Ni薄膜[〇〇76]取上述得到的Ti基底，放入磁控溅射仪中，蒸镀一层Ni薄膜，其中，本底真空为1.5 X10-3pa，即得对电极；[〇〇77]S2,制作光阳极:[〇〇78] a)清洗、处理IT0基底:
[0079]光阳极基底采用IT0玻璃，选取与对电极Ti基底相同尺寸的IT0基底，按照步骤一中，用砂纸打磨IT0基底，然后用丙酮、乙醇和去离子水分别超声清洗20min，随后将IT0基底自然晾干；
[0080]b)IT0基底表面生长碳纳米材料:
[0081]采用步骤一 b)中相同方法，在IT0基底表面生长碳纳米材料，[〇〇82] c)丝网印刷大颗粒Ti02:[〇〇83] 取18g的大颗粒(500nm)Ti02纳米颗粒和5ml冰醋酸混合均匀，然后逐滴加入去离子水和乙醇研磨，研磨时间为4h，将研磨好的混合溶液中加入松油醇，在超声清洗机中进行超声分散，随后将溶液置于旋转蒸发仪中将多余的无水乙醇蒸出，然后将剩下的浆料继续研磨3h，即得到大颗粒Ti02浆料;利用丝网印刷的方法将制得的大颗粒Ti02浆料旋涂于生长有碳纳米材料的IT0基底上，大颗粒Ti02浆料厚度为2500nm，然后将IT0基底放入马弗炉中 400°C 煅烧 30min [〇〇84] d)吸附染料:[〇〇85] 取N719与叔丁醇和乙腈的混合溶液(体积比1:1)配置成0.6mM的染料溶液，将煅烧后的IT0基底放入染料溶液中，经过28h的染料浸泡后取出，用乙腈冲洗2min，烘干，即得光阳极；[〇〇86] S3,填充电解质溶液及封装:
[0087]将吸附染料的光阳极与对电极相对放置，用沙林树脂将其封装在一起，光阳极与对电极之间厚度为100M1，最后向其间隙灌注电解液，电解质溶液为0.06M的单质碘，1.2M的 1-甲基-3丙基咪唑碘，0.7M的硫氰酸胍，0.6M的叔丁基吡啶的乙腈溶液，灌装完毕后封堵电解质灌注口，完成染料敏化太阳电池的制备。
[0088]优选地，本发明的染料敏化太阳电池中对电极与光阳极均采用了相同的碳纳米材料。碳纳米材料的下部接近基底部分相对致密甚至呈板结，呈现致密层，上部分，彼此分开， 呈现多孔层，致密层与多孔层厚度比例为1:3。对本发明染料敏化太阳电池进行光电转换效率测量，模拟太阳光通过模拟太阳光产生器形成，光强为lOOmWcm-2,且光谱满足AM1.5标准，测试的到，该染料敏化太阳电池的开路电压为0.72 ± 0.05V，短路电流密度为9.6 ± 0.111^〇11-2，转换效率为10.6%。
[0089]本发明的中，染料敏化太阳电池采用制作过程简单、成本低廉的碳纳米材料作为对电极的催化层和光阳极的导电层，该碳纳米材料具有独特的致密层和多孔层，应用于对电极，其多孔结构有利于电解质还原反应的催化，并且其与过渡层Cr形成欧姆接触，具有较低的电阻，应用于光阳极，其大大增加了大颗粒Ti02的分散性、均匀性，进一步地提高了染料的吸附率，采用该电极结构的染料敏化太阳电池表现出更高的太阳光转换效率。
[0090]本发明的染料敏化太阳电池能够实现太阳光的高效利用，并且该重复性、稳定性良好，光电转换效率高，具备很大的市场应用前景。[〇〇91] 实施例三:
[0092]本申请的实施例涉及一种新型电极结构的染料敏化太阳电池。
[0093]优选地，所述染料敏化太阳电池由光阳极、电解液和对电极构成;所述光阳极由外而内依次为IT0基底、碳纳米材料、大颗粒Ti02、染料分子;所述对电极由外而内依次为Ti基底、Cu薄膜、碳纳米材料、Ni薄膜;所述光阳极与所述对电极间距为100M1;所述Ni厚度为 5nm〇
[0094]优选地，由图1，所述染料敏化太阳电池的制备步骤如下:[〇〇95] S1，制作对电极:[〇〇96] a)清洗、处理Ti基底:
[0097]采用Ti作为对电极的基底，选取合适大小(如5cmX5cm)的Ti片，清洗后，然后用砂纸打磨，砂纸的目数递增，每种目数的砂纸打磨20min，使得Ti基底表面去除明显的杂质，并且存在凹凸度，利用磁控溅射法在其表面蒸镀一层金属Cu薄膜，厚度为300nm，然后，将Ti基底放入盐酸溶液浸泡30min，用丙酮、乙醇和去离子水分别超声清洗20min，随后将Ti基底自然晾干；[〇〇98] b)Ti基底表面生长碳纳米材料:[〇〇99]80°C下，配制NiS04溶液和十二烷基硫酸钠(K12)溶液，浓度分别为21 %?42 %和18%?35% (质量分数)，然后各取200ml，在磁力搅拌下混合均匀，利用匀胶机将其旋涂于a 步得到的Ti基底表面，干燥2h后，将其放在火焰表面处理20min，即在Ti基底表面形成碳纳米材料；[〇1〇0] c)制作催化剂Ni薄膜[〇1 〇1 ]取上述得到的Ti基底，放入磁控溅射仪中，蒸镀一层Ni薄膜，其中，本底真空为1.5 X10-3pa，即得对电极；[〇1〇2]S2,制作光阳极:[〇1〇3] a)清洗、处理IT0基底:
[0104]光阳极基底采用IT0玻璃，选取与对电极Ti基底相同尺寸的IT0基底，按照步骤一中，用砂纸打磨IT0基底，然后用丙酮、乙醇和去离子水分别超声清洗20min，随后将IT0基底自然晾干；[〇1〇5] b)IT0基底表面生长碳纳米材料:
[0106]采用步骤一 b)中相同方法，在IT0基底表面生长碳纳米材料，[〇1〇7] c)丝网印刷大颗粒Ti02:
[0108] 取18g的大颗粒(500nm)Ti02纳米颗粒和5ml冰醋酸混合均匀，然后逐滴加入去离子水和乙醇研磨，研磨时间为4h，将研磨好的混合溶液中加入松油醇，在超声清洗机中进行超声分散，随后将溶液置于旋转蒸发仪中将多余的无水乙醇蒸出，然后将剩下的浆料继续研磨3h，即得到大颗粒Ti02浆料;利用丝网印刷的方法将制得的大颗粒Ti02浆料旋涂于生长有碳纳米材料的IT0基底上，大颗粒Ti02浆料厚度为2500nm，然后将IT0基底放入马弗炉中 400°C 煅烧 30min [〇1〇9] d)吸附染料:[〇11〇]取N719与叔丁醇和乙腈的混合溶液(体积比1:1)配置成0.6mM的染料溶液，将煅烧后的IT0基底放入染料溶液中，经过28h的染料浸泡后取出，用乙腈冲洗2min，烘干，即得光阳极；
[0111]S3，填充电解质溶液及封装:
[0112]将吸附染料的光阳极与对电极相对放置，用沙林树脂将其封装在一起，光阳极与对电极之间厚度为1 OOwii，最后向其间隙灌注电解液，电解质溶液为0.06M的单质碘，1.2M的 1-甲基-3丙基咪唑碘，0.7M的硫氰酸胍，0.6M的叔丁基吡啶的乙腈溶液，灌装完毕后封堵电解质灌注口，完成染料敏化太阳电池的制备。
[0113]优选地，本发明的染料敏化太阳电池中对电极与光阳极均采用了相同的碳纳米材料。碳纳米材料的下部接近基底部分相对致密甚至呈板结，呈现致密层，上部分，彼此分开， 呈现多孔层，致密层与多孔层厚度比例为1:3。对本发明染料敏化太阳电池进行光电转换效率测量，模拟太阳光通过模拟太阳光产生器形成，光强为lOOmWcm-2,且光谱满足AM1.5标准，测试的到，该染料敏化太阳电池的开路电压为0.72 ± 0.05V，短路电流密度为9.6 ± 0 ? lmAcm-2，转换效率为9 ? 1 %。
[0114]本发明的中，染料敏化太阳电池采用制作过程简单、成本低廉的碳纳米材料作为对电极的催化层和光阳极的导电层，该碳纳米材料具有独特的致密层和多孔层，应用于对电极，其多孔结构有利于电解质还原反应的催化，并且其与过渡层Cr形成欧姆接触，具有较低的电阻，应用于光阳极，其大大增加了大颗粒Ti02的分散性、均匀性，进一步地提高了染料的吸附率，采用该电极结构的染料敏化太阳电池表现出更高的太阳光转换效率。
[0115]本发明的染料敏化太阳电池能够实现太阳光的高效利用，并且该重复性、稳定性良好，光电转换效率高，具备很大的市场应用前景。
[0116]实施例四:
[0117]本申请的实施例涉及一种新型电极结构的染料敏化太阳电池。
[0118]优选地，所述染料敏化太阳电池由光阳极、电解液和对电极构成;所述光阳极由外而内依次为IT0基底、碳纳米材料、大颗粒Ti02、染料分子;所述对电极由外而内依次为Ti基底、Cu薄膜、碳纳米材料、Ni薄膜;所述光阳极与所述对电极间距为100M1;所述Ni厚度为 5nm〇
[0119]优选地，由图1，所述染料敏化太阳电池的制备步骤如下:[〇12〇]S1，制作对电极:
[0121]a)清洗、处理Ti基底:
[0122]采用Ti作为对电极的基底，选取合适大小(如5cmX5cm)的Ti片，清洗后，然后用砂纸打磨，砂纸的目数递增，每种目数的砂纸打磨20min，使得Ti基底表面去除明显的杂质，并且存在凹凸度，利用磁控溅射法在其表面蒸镀一层金属Cu薄膜，厚度为300nm，然后，将Ti基底放入盐酸溶液浸泡30min，用丙酮、乙醇和去离子水分别超声清洗20min，随后将Ti基底自然晾干；
[0123]b)Ti基底表面生长碳纳米材料:
[0124]80°(:下，配制附304溶液和十二烷基硫酸钠(1(12)溶液，浓度分别为21%?42%和 18%?35% (质量分数)，然后各取200ml，在磁力搅拌下混合均匀，利用匀胶机将其旋涂于a 步得到的Ti基底表面，干燥2h后，将其放在火焰表面处理20min，即在Ti基底表面形成碳纳米材料；[〇125] c)制作催化剂Ni薄膜
[0126]取上述得到的Ti基底，放入磁控溅射仪中，蒸镀一层Ni薄膜，其中，本底真空为1.5 X10-3pa，即得对电极；
[0127]S2,制作光阳极:
[0128]a)清洗、处理IT0基底:
[0129]光阳极基底采用IT0玻璃，选取与对电极Ti基底相同尺寸的IT0基底，按照步骤一中，用砂纸打磨IT0基底，然后用丙酮、乙醇和去离子水分别超声清洗20min，随后将IT0基底自然晾干；[〇13〇] b)IT0基底表面生长碳纳米材料:
[0131]采用步骤一 b)中相同方法，在IT0基底表面生长碳纳米材料，
[0132]c)丝网印刷大颗粒Ti02:
[0133]取18g的大颗粒(500nm)Ti02纳米颗粒和5ml冰醋酸混合均匀，然后逐滴加入去离子水和乙醇研磨，研磨时间为4h，将研磨好的混合溶液中加入松油醇，在超声清洗机中进行超声分散，随后将溶液置于旋转蒸发仪中将多余的无水乙醇蒸出，然后将剩下的浆料继续研磨3h，即得到大颗粒Ti02浆料;利用丝网印刷的方法将制得的大颗粒Ti02浆料旋涂于生长有碳纳米材料的IT0基底上，大颗粒Ti02浆料厚度为2500nm，然后将IT0基底放入马弗炉中 400°C 煅烧 30min
[0134]d)吸附染料:
[0135]取N719与叔丁醇和乙腈的混合溶液(体积比1:1)配置成0.6mM的染料溶液，将煅烧后的IT0基底放入染料溶液中，经过28h的染料浸泡后取出，用乙腈冲洗2min，烘干，即得光阳极；
[0136] S3,填充电解质溶液及封装:
[0137]将吸附染料的光阳极与对电极相对放置，用沙林树脂将其封装在一起，光阳极与对电极之间厚度为100M1，最后向其间隙灌注电解液，电解质溶液为0.06M的单质碘，1.2M的 1-甲基-3丙基咪唑碘，0.7M的硫氰酸胍，0.6M的叔丁基吡啶的乙腈溶液，灌装完毕后封堵电解质灌注口，完成染料敏化太阳电池的制备。
[0138]优选地，本发明的染料敏化太阳电池中对电极与光阳极均采用了相同的碳纳米材料。碳纳米材料的下部接近基底部分相对致密甚至呈板结，呈现致密层，上部分，彼此分开， 呈现多孔层，致密层与多孔层厚度比例为1:3。对本发明染料敏化太阳电池进行光电转换效率测量，模拟太阳光通过模拟太阳光产生器形成，光强为lOOmWcm-2,且光谱满足AM1.5标准，测试的到，该染料敏化太阳电池的开路电压为0.72 ± 0.05V，短路电流密度为9.6 ± 0.111^〇11-2，转换效率为10.8%。
[0139]本发明的中，染料敏化太阳电池采用制作过程简单、成本低廉的碳纳米材料作为对电极的催化层和光阳极的导电层，该碳纳米材料具有独特的致密层和多孔层，应用于对电极，其多孔结构有利于电解质还原反应的催化，并且其与过渡层Cr形成欧姆接触，具有较低的电阻，应用于光阳极，其大大增加了大颗粒Ti02的分散性、均匀性，进一步地提高了染料的吸附率，采用该电极结构的染料敏化太阳电池表现出更高的太阳光转换效率。
[0140]本发明的染料敏化太阳电池能够实现太阳光的高效利用，并且该重复性、稳定性良好，光电转换效率高，具备很大的市场应用前景。
[0141] 实施例五:
[0142]本申请的实施例涉及一种新型电极结构的染料敏化太阳电池。
[0143]优选地，所述染料敏化太阳电池由光阳极、电解液和对电极构成;所述光阳极由外而内依次为IT0基底、碳纳米材料、大颗粒Ti02、染料分子;所述对电极由外而内依次为Ti基底、Cu薄膜、碳纳米材料、Ni薄膜;所述光阳极与所述对电极间距为lOOwii;所述Ni厚度为 5nm〇
[0144]优选地，由图1，所述染料敏化太阳电池的制备步骤如下:
[0145] S1，制作对电极:
[0146]a)清洗、处理Ti基底:
[0147]采用Ti作为对电极的基底，选取合适大小(如5cmX5cm)的Ti片，清洗后，然后用砂纸打磨，砂纸的目数递增，每种目数的砂纸打磨20min，使得Ti基底表面去除明显的杂质，并且存在凹凸度，利用磁控溅射法在其表面蒸镀一层金属Cu薄膜，厚度为300nm，然后，将Ti基底放入盐酸溶液浸泡30min，用丙酮、乙醇和去离子水分别超声清洗20min，随后将Ti基底自然晾干；
[0148]b)Ti基底表面生长碳纳米材料:
[0149] 80°C下，配制NiS04溶液和十二烷基硫酸钠(K12)溶液，浓度分别为21 %?42 %和 18%?35% (质量分数)，然后各取200ml，在磁力搅拌下混合均匀，利用匀胶机将其旋涂于a步得到的Ti基底表面，干燥2h后，将其放在火焰表面处理20min，即在Ti基底表面形成碳纳米材料；[〇15〇] c)制作催化剂Ni薄膜[〇151 ]取上述得到的Ti基底，放入磁控溅射仪中，蒸镀一层Ni薄膜，其中，本底真空为1.5 X10-3pa，即得对电极；
[0152]S2,制作光阳极:
[0153]a)清洗、处理IT0基底:
[0154]光阳极基底采用IT0玻璃，选取与对电极Ti基底相同尺寸的IT0基底，按照步骤一中，用砂纸打磨IT0基底，然后用丙酮、乙醇和去离子水分别超声清洗20min，随后将IT0基底自然晾干；
[0155]b)IT0基底表面生长碳纳米材料:
[0156]采用步骤一 b)中相同方法，在IT0基底表面生长碳纳米材料，
[0157]c)丝网印刷大颗粒Ti02:
[0158]取18g的大颗粒(500nm)Ti02纳米颗粒和5ml冰醋酸混合均匀，然后逐滴加入去离子水和乙醇研磨，研磨时间为4h，将研磨好的混合溶液中加入松油醇，在超声清洗机中进行超声分散，随后将溶液置于旋转蒸发仪中将多余的无水乙醇蒸出，然后将剩下的浆料继续研磨3h，即得到大颗粒Ti02浆料;利用丝网印刷的方法将制得的大颗粒Ti02浆料旋涂于生长有碳纳米材料的IT0基底上，大颗粒Ti02浆料厚度为2500nm，然后将IT0基底放入马弗炉中 400°C 煅烧 30min
[0159]d)吸附染料:
[0160]取N719与叔丁醇和乙腈的混合溶液(体积比1:1)配置成0.6mM的染料溶液，将煅烧后的IT0基底放入染料溶液中，经过28h的染料浸泡后取出，用乙腈冲洗2min，烘干，即得光阳极；[0161 ] S3，填充电解质溶液及封装:
[0162]将吸附染料的光阳极与对电极相对放置，用沙林树脂将其封装在一起，光阳极与对电极之间厚度为100M1，最后向其间隙灌注电解液，电解质溶液为0.06M的单质碘，1.2M的 1-甲基-3丙基咪唑碘，0.7M的硫氰酸胍，0.6M的叔丁基吡啶的乙腈溶液，灌装完毕后封堵电解质灌注口，完成染料敏化太阳电池的制备。
[0163]优选地，本发明的染料敏化太阳电池中对电极与光阳极均采用了相同的碳纳米材料。碳纳米材料的下部接近基底部分相对致密甚至呈板结，呈现致密层，上部分，彼此分开， 呈现多孔层，致密层与多孔层厚度比例为1:3。对本发明染料敏化太阳电池进行光电转换效率测量，模拟太阳光通过模拟太阳光产生器形成，光强为lOOmWcm-2,且光谱满足AM1.5标准，测试的到，该染料敏化太阳电池的开路电压为0.72 ± 0.05V，短路电流密度为9.6 ± 0 ? lmAcm-2，转换效率为8 ? 4 %。
[0164]本发明的染料敏化太阳电池采用制作过程简单、成本低廉的碳纳米材料作为对电极的催化层和光阳极的导电层，该碳纳米材料具有独特的致密层和多孔层，应用于对电极， 其多孔结构有利于电解质还原反应的催化，并且其与过渡层Cr形成欧姆接触，具有较低的电阻，应用于光阳极，其大大增加了大颗粒Ti02的分散性、均匀性，进一步地提高了染料的吸附率，采用该电极结构的染料敏化太阳电池表现出更高的太阳光转换效率。
[0165]本发明的染料敏化太阳电池能够实现太阳光的高效利用，并且该重复性、稳定性良好，光电转换效率高，具备很大的市场应用前景。
[0166]本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的发明后，将容易想到本发明的其它实施方案。本申请旨在涵盖本发明的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本发明的一般性原理并包括本申请未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本发明的真正范围和精神由下面的权利要求指出。
[0167]应当理解的是，本发明并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本发明的范围仅由所附的权利要求来限制。
【主权项】
1.一种新型电极结构的染料敏化太阳电池，其特征在于，所述染料敏化太阳电池由光 阳极、电解液和对电极构成；所述光阳极由外而内依次为ITO基底、碳纳米材料、大颗粒 Ti 02、染料分子;所述对电极由外而内依次为T i基底、Cu薄膜、碳纳米材料、Ni薄膜;所述光 阳极与所述对电极间距为1 〇〇Mi;所述Ni厚度为5nm。2.根据权利要求1所述的所述的染料敏化太阳电池，该染料敏化太阳电池的制备步骤 如下:S1，制作对电极:a)清洗、处理Ti基底:采用Ti作为对电极的基底，选取合适大小(如5cmX 5cm)的Ti片，清洗后，然后用砂纸打 磨，砂纸的目数递增，每种目数的砂纸打磨20min，使得Ti基底表面去除明显的杂质，并且存 在凹凸度，利用磁控溅射法在其表面蒸镀一层金属Cu薄膜，厚度为.300nm，然后，将Ti基底放 入盐酸溶液浸泡30min，用丙酮、乙醇和去离子水分别超声清洗20min，随后将Ti基底自然晾 干；b)Ti基底表面生长碳纳米材料:.80 °C下，配制NiS04溶液和十二烷基硫酸钠(K12)溶液，浓度分别为21 %?42 %和18 % ?35% (质量分数)，然后各取200ml，在磁力搅拌下混合均匀，利用匀胶机将其旋涂于a步得 到的Ti基底表面，干燥2h后，将其放在火焰表面处理20min，即在Ti基底表面形成碳纳米材 料；c)制作催化剂Ni薄膜取上述得到的Ti基底，放入磁控溅射仪中，蒸镀一层Ni薄膜，其中，本底真空为1.5X 10-3pa，即得对电极；S2,制作光阳极:a)清洗、处理IT0基底:光阳极基底采用IT0玻璃，选取与对电极Ti基底相同尺寸的IT0基底，按照步骤一中，用 砂纸打磨IT0基底，然后用丙酮、乙醇和去离子水分别超声清洗20min，随后将IT0基底自然 晾干；b)IT0基底表面生长碳纳米材料:采用步骤一 b)中相同方法，在IT0基底表面生长碳纳米材料，c)丝网印刷大颗粒Ti02:取18g的大颗粒(500nm)Ti02纳米颗粒和5ml冰醋酸混合均匀，然后逐滴加入去离子水 和乙醇研磨，研磨时间为4h，将研磨好的混合溶液中加入松油醇，在超声清洗机中进行超声 分散，随后将溶液置于旋转蒸发仪中将多余的无水乙醇蒸出，然后将剩下的浆料继续研磨 3h，即得到大颗粒Ti02浆料;利用丝网印刷的方法将制得的大颗粒Ti02浆料旋涂于生长有 碳纳米材料的IT0基底上，大颗粒Ti02浆料厚度为2500nm，然后将IT0基底放入马弗炉中400 °C 煅烧 30mind)吸附染料:取N719与叔丁醇和乙腈的混合溶液(体积比1:1)配置成0.6mM的染料溶液，将煅烧后的 IT0基底放入染料溶液中，经过28h的染料浸泡后取出，用乙腈冲洗2min，烘干，即得光阳极；S3,填充电解质溶液及封装:将吸附染料的光阳极与对电极相对放置，用沙林树脂将其封装在一起，光阳极与对电 极之间厚度为100M1，最后向其间隙灌注电解液，电解质溶液为0.06M的单质碘，1.2M的1-甲 基-3丙基咪唑碘，0.7M的硫氰酸胍，0.6M的叔丁基吡啶的乙腈溶液，灌装完毕后封堵电解质 灌注口，完成染料敏化太阳电池的制备。
【文档编号】H01G9/20GK105977035SQ201610608536
【公开日】2016年9月28日
【申请日】2016年7月27日
【发明人】不公告发明人
【申请人】杨炳