一种Ce3＋／Y3＋双掺杂TiO2薄膜的制备方法及其应用与流程

本发明涉及一种薄膜材料，具体涉及一种ce^3＋／y^3＋双掺杂tio2薄膜的制备方法及其应用。

背景技术

近年来，随着能源需求的逐渐增大，环境污染问题日益严重。绿色能源的利用成为减轻环境压力的重要渠道，料敏化太阳能电池（dssc）是继硅太阳能电池和薄膜太阳能电池之后的新一代太阳能电池。自1991年瑞士科学家gratzel教授研制出光电转化效率达7.1％的dssc后，dssc开始受到广泛关注。目前，dssc的光电转换效率已达到12％～13％。由于其结构简单、成本低廉、便于制造、制备过程对环境友好等优点成为近年来太阳能开发领域研究的热点。

染料敏化太阳能电池主要由光阳极、电解质和对电极三部分组成。其中光阳极上的吸收层多采用光化学稳定性及热稳定性较好的tio２纳米多孔薄膜，常用敏化剂为n719，而n719主要吸收可见光。因此，提高可见光利用效率就可以改善染料敏化太阳能电池光电性能。

本发明所述技术方案采用溶胶-凝胶法制备ce^3＋／y^3＋双掺杂的tio２阻挡层，以期改善dssc光电性能，提高可见光利用效率。

技术实现要素：

本发明的目的在于，提供一种ce^3＋／y^3＋双掺杂tio2薄膜的制备方法，所述技术方案采用溶胶-凝胶法制备ce^3＋／y^3＋双掺杂的tio２阻挡层，以期改善dssc光电性能，提高可见光利用效率。

本发明的另一目的还在于提供一种ce^3＋／y^3＋双掺杂tio2薄膜在太阳能电池中的应用。

为实现上述发明目的，本发明采用如下技术方案：

本发明提供的一种ce^3＋／y^3＋双掺杂tio2薄膜的制备方法，所述制备方法包括如下步骤：

（1）采用溶胶-凝胶法制备ce^３＋/y^３＋双掺杂的tio２胶体，用一定量的六水合硝酸铈和三氧化二钇溶于稀硝酸溶液中，完全溶解后，再依次加入无水乙醇和冰乙酸，搅拌30min得溶液a；

（2）取钛酸四丁酯和无水乙醇混合搅拌20min-30min得溶液b；将溶液b以2滴／s的速度滴加到a中，边滴加边搅拌，滴加完毕继续搅拌20min后静置陈化5～6h，得ce^３＋/y^３＋双掺杂tio２溶胶；

（3）将步骤（2）中制备好的溶胶置于60℃恒温水浴锅中10min得果冻状凝胶，然后于80℃烘箱中干燥12h-15h取出后研磨，于500℃保温4h-6h，自然冷却得ce^３＋/y^３＋双掺杂的tio２粉体；

（4）在3000r／min转速下将ce^３＋/y^３＋双掺杂tio２粉体涂覆于洁净的导电玻璃上，150℃烘干，再于500℃保温4h-6h，自然冷却至室温，制得ce^3＋/y^3＋双掺杂tio2薄膜。

所述六水合硝酸铈和三氧化二钇的摩尔比为8-10:1。

所述步骤（1）中稀硝酸的浓度为5wt%，所述稀硝酸与六水合硝酸铈的质量比为50-80:1。

所述步骤（1）中稀硝酸与无水乙醇、冰乙酸之间的体积比为10-12:2-3:1。

所述步骤（2）中钛酸四丁酯和无水乙醇的体积比为17:4-1。

本发明还公开了一种ce^3＋／y^3＋双掺杂tio2薄膜在太阳能电池中的应用。

将上述制备的ce^3＋／y^3＋双掺杂tio2薄膜用丝网印刷法制成tio２纳米多孔吸收层，在一定浓度的光敏剂n719乙醇溶液中浸泡24h，用无水乙醇淋洗后并晾干，得到光阳极，以ki／i２为电解液，pt电极为阴极组装电池。

所述光敏剂n719乙醇溶液的浓度为0.1mol/l-0.6mol/l。

附图1为ce^3＋／y^3＋双掺杂tio２粉体的x射线衍射谱图，与标准pdf卡片（21-1272）的衍射峰比对，结果基本一致，以锐钛矿型晶体为主，而没有检测到稀土ce^３＋或y^３＋的特征衍射峰，说明少量稀土掺杂没有改变tio２的晶体结构。在２θ＝25.3°、37.8°、48.1°、53.5°、55.6°、62.7°时，分别对应锐钛矿型二氧化钛的（010）、（004）、（200）、（105）、（211）、（204）晶面。

附图2为ce^3＋/y^3＋双掺杂tio２粉体的激发和发射光谱图。监控波长为642nm，激发峰出现在404nm和471nm，与单掺稀土时比较，两处激发峰的强度都明显增强，原因是双掺杂时ce^3＋和y^3＋的激发光谱的相互叠加，增加了能量吸收，故发光增强。而位于471nm的激发峰明显强于404nm的激发峰，这是因为ce^3＋与y^3＋之间发生了能量传递。稀土离子间的能量传递分为辐射传递和无辐射传递，在以上光谱中，ce^3＋/y^3＋的激发光谱发生很大程度的重叠，符合无辐射能量传递的条件，故可判定ce^3＋／y^3＋之间发生了无辐射能量传递。以471nm为监控波长，得到发射峰位于642nm的发射谱图，比单掺ce^3＋时右移80nm，比单掺y^3＋时右移２nm。

本发明所述技术方案采用溶胶-凝胶法制备ce^3＋/y^3＋双掺杂的tio２阻挡层，以期改善dssc光电性能，提高可见光利用效率。

本发明有益效果是，本发明所述技术方案通过溶胶-凝胶法制备了tio２：ce^３＋/y^３＋薄膜，将其作为阻挡层应用在dssc中。tio２∶ce^３＋/y^３＋薄膜能把短波长的光转化为n719易于吸收的较长波段的光，提升了电池的太阳光利用效率。在tio２阻挡层中掺杂稀土ce^３＋/y^３＋，能够有效拓宽dssc光谱吸收范围，能提高dssc10%太阳光利用效率。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其他目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举较佳实施例，并配合附图，详细说明如下。

附图说明

图1为本发明实施例1制备的ce^３＋/y^３＋双掺杂的tio２粉体的xrd图；

图2为本发明实施例1制备的ce^3＋/y^3＋双掺杂tio2薄膜的激发和发射光谱图。

具体实施方式

实施例1：

一种ce^3＋／y^3＋双掺杂tio2薄膜的制备方法，所述制备方法包括如下步骤：

（1）采用溶胶-凝胶法制备ce^３＋／y^３＋双掺杂的tio２胶体，用一定量的六水合硝酸铈和三氧化二钇溶于稀硝酸溶液中，完全溶解后，再依次加入无水乙醇和冰乙酸，低速搅拌30min得溶液a；所述六水合硝酸铈和三氧化二钇的摩尔比为8:1；稀硝酸的浓度为5wt%，所述稀硝酸与六水合硝酸铈的质量比为50:1；所述稀硝酸与无水乙醇、冰乙酸之间的体积比为10:2:1。

（2）取钛酸四丁酯和无水乙醇混合搅拌20min得溶液b；将溶液b以2滴／s的速度滴加到a中，边滴加边搅拌，滴加完毕继续搅拌20min后静置陈化5～6h，得ce^３＋／y^３＋双掺杂tio２溶胶；所述钛酸四丁酯和无水乙醇的体积比为17:3。

（3）将步骤（2）中制备好的溶胶置于60℃恒温水浴锅中10min得果冻状凝胶，然后于80℃烘箱中干燥12h取出后研磨，于500℃保温4h，自然冷却得ce^３＋／y^３＋双掺杂的tio２粉体；

（4）在3000r/min转速下将ce^３＋/y^３＋双掺杂tio２粉体涂覆于洁净的导电玻璃上，150℃烘干，再于500℃保温４h，自然冷却至室温，制得ce^3＋/y^3＋双掺杂tio2薄膜。

将上述制备的ce^3＋/y^3＋双掺杂tio2薄膜用丝网印刷法制成tio２纳米多孔吸收层，在一定浓度的光敏剂n719乙醇溶液中浸泡24h，用无水乙醇淋洗后并晾干，得到光阳极，以ki／i２为电解液，pt电极为阴极组装电池。所述光敏剂n719乙醇溶液的浓度为0.6mol/l。

附图1为ce^3＋/y^3＋双掺杂tio２粉体的x射线衍射谱图，与标准pdf卡片（21-1272）的衍射峰比对，结果基本一致，以锐钛矿型晶体为主，而没有检测到稀土ce^３＋或y^３＋的特征衍射峰，说明少量稀土掺杂没有改变tio２的晶体结构。在2θ＝25.3°、37.8°、48.1°、53.5°、55.6°、62.7°时，分别对应锐钛矿型二氧化钛的（010）、（004）、（200）、（105）、（211）、（204）晶面。

附图2为ce^3＋/y^3＋双掺杂tio２粉体的激发和发射光谱图。监控波长为642nm，激发峰出现在404nm和471nm，与单掺稀土时比较，两处激发峰的强度都明显增强，原因是双掺杂时ce^3＋和y^3＋的激发光谱的相互叠加，增加了能量吸收，故发光增强。而位于471nm的激发峰明显强于404nm的激发峰，这是因为ce^3＋与y^3＋之间发生了能量传递。稀土离子间的能量传递分为辐射传递和无辐射传递，在以上光谱中，ce^3＋/y^3＋的激发光谱发生很大程度的重叠，符合无辐射能量传递的条件，故可判定ce^3＋/y^3＋之间发生了无辐射能量传递。以471nm为监控波长，得到发射峰位于642nm的发射谱图，比单掺ce^3＋时右移80nm，比单掺y^3＋时右移2nm。

实施例2：

一种ce^3＋/y^3＋双掺杂tio2薄膜的制备方法，所述制备方法包括如下步骤：

（1）采用溶胶-凝胶法制备ce^３＋/y^３＋双掺杂的tio２胶体，用一定量的六水合硝酸铈和三氧化二钇溶于稀硝酸溶液中，完全溶解后，再依次加入无水乙醇和冰乙酸，低速搅拌30min得溶液a；所述六水合硝酸铈和三氧化二钇的摩尔比为8:1；稀硝酸的浓度为5wt%，所述稀硝酸与六水合硝酸铈的质量比为80:1；所述稀硝酸与无水乙醇、冰乙酸之间的体积比为10:2:1。

（2）取钛酸四丁酯和无水乙醇混合搅拌20min得溶液b；将溶液b以2滴/s的速度滴加到a中，边滴加边搅拌，滴加完毕继续搅拌20min后静置陈化5～6h，得ce^３＋/y^３＋双掺杂tio２溶胶；所述钛酸四丁酯和无水乙醇的体积比为17:1。

（3）将步骤（2）中制备好的溶胶置于60℃恒温水浴锅中10min得果冻状凝胶，然后于80℃烘箱中干燥12h取出后研磨，于500℃保温4h，自然冷却得ce^３＋/y^３＋双掺杂的tio２粉体；

（4）在3000r／min转速下将ce^３＋/y^３＋双掺杂tio２粉体涂覆于洁净的导电玻璃上，150℃烘干，再于500℃保温4h，自然冷却至室温，制得ce^3＋/y^3＋双掺杂tio2薄膜。

将上述步骤（4）制备的ce^3＋/y^3＋双掺杂tio2薄膜用丝网印刷法制成tio２纳米多孔吸收层，在一定浓度的光敏剂n719乙醇溶液中浸泡24h，用无水乙醇淋洗后并晾干，得到光阳极，以ki/i２为电解液，pt电极为阴极组装电池。所述光敏剂n719乙醇溶液的浓度为0.1mol/l。

实施例3

一种ce^3＋/y^3＋双掺杂tio2薄膜的制备方法，所述制备方法包括如下步骤：

（1）采用溶胶-凝胶法制备ce^３＋/y^３＋双掺杂的tio２胶体，用一定量的六水合硝酸铈和三氧化二钇溶于稀硝酸溶液中，完全溶解后，再依次加入无水乙醇和冰乙酸，低速搅拌30min得溶液a；所述六水合硝酸铈和三氧化二钇的摩尔比为10:1；所述稀硝酸的浓度为5wt%，所述稀硝酸与六水合硝酸铈的质量比为80:1；所述稀硝酸与无水乙醇、冰乙酸之间的体积比为12:3:1。

（2）取钛酸四丁酯和无水乙醇混合搅拌30min得溶液b；将溶液b以2滴／s的速度滴加到a中，边滴加边搅拌，滴加完毕继续搅拌20min后静置陈化6h，得ce^３＋/y^３＋双掺杂tio２溶胶；所述钛酸四丁酯和无水乙醇的体积比为17:4。

（3）将步骤（2）中制备好的溶胶置于60℃恒温水浴锅中10min得果冻状凝胶，然后于80℃烘箱中干燥15h取出后研磨，于500℃保温6h，自然冷却得ce^３＋/y^３＋双掺杂的tio２粉体；

（4）在3000r/min转速下将ce^３＋/y^３＋双掺杂tio２粉体涂覆于洁净的导电玻璃上，150℃烘干，再于500℃保温6h，自然冷却至室温，制得ce^3＋/y^3＋双掺杂tio2薄膜。

将上述步骤（4）制备的ce^3＋/y^3＋双掺杂tio2薄膜用丝网印刷法制成tio２纳米多孔吸收层，在一定浓度的光敏剂n719乙醇溶液中浸泡24h，用无水乙醇淋洗后并晾干，得到光阳极，以ki/i２为电解液，pt电极为阴极组装电池。所述光敏剂n719乙醇溶液的浓度为0.5mol/l。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。