纳米晶染料敏化太阳能电池光阳极材料的制法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及染料敏化太阳能电池光阳极材料的制备方法。
【背景技术】
[0002] 目前人类有效利用的太阳光仅为到达地球表面太阳能的万分之一，人们期望太阳 能将来能够满足大部分能量消耗需求。染料敏化太阳能电池作为可再生无污染能源，能很 好地解决能源和环境两大难题，具有很广阔的发展前景。虽然太阳能电池领域在近几十年 已经取得巨大发展，但太阳能电池的低效率和高成本使千瓦时的费用与常规能源相比偏 高，严重限制其普及化和实用化。目前，国内外科学家通过多种技术手段提高太阳能电池的 转换效率，比如利用染料进行敏化，但因受到太阳能电池材料本身性质的影响，电池的光电 转换效率也就是提高到10%左右，收效甚微，其中一个重要原因是染料敏化太阳能电池光 阳极仅能吸收紫外光区和可见光区的太阳光，主要在290nm~700nm波段，而无法吸收利用 占太阳光谱能量43%的红外区太阳光，即染料敏化太阳能电池光阳极对全波段太阳光能量 不能进行全面吸收，对红外波段太阳光利用甚微，致使电池效率的提高受阻滞。
[0003] 目前提高染料敏化太阳能电池转化效率的方法是在用TiO2纳米材料制备光阳极 时将稀土发光离子或将上转换材料直接掺杂到TiO2纳米材料中，严重影响光能量在染料与 T i O2纳米晶之间的传输，电池效率的提高不大。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的是为了解决现有技术制备的染料敏化太阳能电池的光电转换效率 低的技术问题，而提供NaYF4: Er3+@NaYF4@Ti02m米晶染料敏化太阳能电池光阳极材料的制 法。
[0005] 本发明的NaYF4: Er3+ONaYF4OTiO2纳米晶染料敏化太阳能电池光阳极材料的制法按 以下步骤进行：
[0006] 步骤一：按油酸和十八烯的体积比为1 :2~5,将油酸和十八烯混合均匀得到混合 液，再按氯化钇（YCl3)和氯化铒（ErCl3)的摩尔比为（90+X) : (10-X)将氯化钇（YCl3)和氯 化铒（ErCl3)加入到混合液中，在搅拌条件下加热到120~150°C保持30~60min，自然冷 却至室温，得到原料液A ;其中0彡X彡10 ;
[0007] 步骤二：称取氟化按（NH4F)和氢氧化钠（NaOH)溶解于甲醇中，得到原料液B ;其 中NH4F与NaOH的摩尔比为1 : (0. 5~2);
[0008] 步骤三：在氮气保护下，将步骤二中得到的原料液B加入到步骤一中的原料液A 中，搅拌均匀后，升温至300~320°C，反应1~3小时，冷却至室温后，将反应溶液移入离心 管中，离心分离出纳米晶，并将得到的纳米晶用无水乙醇离心洗涤3~5次，将洗涤后的样 品分散到环己烷中，得到纳米晶分散液体；
[0009] 步骤四：按油酸和十八烯的体积比为1 :2~5,将油酸和十八烯混合均匀得到混 合液，再将氯化钇（YCl3)溶解于混合液中，在搅拌条件下加热到120~150°C保持30~ 60min，自然冷却至60~80°C，得到原料液C ;
[0010] 步骤五：将步骤三得到的纳米晶分散液体加入到步骤四获得的原料液C中，搅拌 均匀后，升温去除环己烷，得到原料液D ;
[0011] 步骤六：称取氟化按（NH4F)和氢氧化钠（NaOH)溶解于甲醇中，得到原料液E ;其 中NH4F与NaOH的摩尔比为1 : (0. 5~2);
[0012] 步骤七：在氮气保护下，将步骤六得到的原料液E加入到步骤五得到的原料液D 中，搅拌均匀后，升温至300~320°C，反应1~3h，冷却至室温，将反应溶液移入离心管中 离心分离出核壳结构纳米晶NaYF4 = Er3+_aYF4，并将核壳结构纳米晶NaYF4:Er3+_aYF 4用无 水乙醇离心洗涤数次后，得到NaYF4 = Er3+ONaYF4核壳结构纳米晶；
[0013] 步骤八：称取步骤七得到的NaYF4 = Er3+ONaYF4、油胺、油酸、乙醇、去离子水、钛酸四 丁酯，其中NaYF4 = Er3+ONaYF4的质量与油胺体积之比为Ig :75~100ml，NaYF4:Er3+@NaYF^ 质量与油酸体积之比为Ig :15~25ml、NaYF4:Er3+@NaYF4的质量与乙醇体积之比为Ig :25~ 50ml、NaYF4:Er3+@NaYF』^质量与水体积之比为 Ig :1. 5 ~5ml，NaYF4 = Er3+ONaYFg钛酸四 丁酯的质量比为〇. 〇75g : (0. 2~0. 3) g ;先将油胺、油酸混合均匀，接着加入NaYF4 = Er3+O NaYF4，搅拌均匀后，再加入乙醇和水，搅拌均匀，最后加入钛酸四丁酯，搅拌均匀后，将获得 的反应液转移到高压反应釜中，在温度为160~200°C条件下反应8~12h，反应结束后，离 心分离出固相物，再将固相物离心洗涤干净，得到NaYF4: Er3+ONaYF4OTi O2纳米晶染料敏化太 阳能电池光阳极材料。
[0014] 本发明开发的新型高效核壳结构上转换纳米晶增强对红外太阳光谱的转换，并在 该纳米晶表面包覆TiO2壳层，既能有效利用上转换材料转换红外太阳光，又能使染料分子 充分的吸附在TiOJi表面，将极大的提高染料敏化太阳能电池的效率。红外光子上转换过 程能够将两个红外光子进行叠加，并发射出一个高能量的短波上转换光子，在染料敏化太 阳能电池中应用红外上转换材料是突破限制电池效率提高瓶颈的理想方法，具有重要的意 义。
[0015] 本发明上转换纳米晶染料敏化太阳能电池的光阳极材料，增加光阳极对红外太阳 光能量的吸收，具有以下优势：（1)成功在上转换纳米晶表面包覆TiO2壳层，NaYF4 = Er3+O NaYF4OTiOjg够有效增加光阳极材料对红外太阳光能量的吸收。⑵通过核壳结构的包覆， 减少表面缺陷，以及核壳纳米晶具有非常小的尺寸具有大的比表面积，有效提高染料分子 在光阳极表面进行吸附，在提高了 Er3+的上转换效率的同时，增加了染料分子在TiO2表面 的吸附。
[0016] 本发明NaYF4: Er3+_aYF4@Ti02纳米晶染料敏化太阳能电池光阳极材料为白色粉 末，六方相NaYF4 = Er3+纳米晶体尺寸约为25nm左右，六方相NaYF4 = Er3+ONaYF4纳米晶体尺寸 约为33nm左右，NaYF4 = Er3+ONaYF4OTiO2纳米晶体尺寸大约为50nm左右。利用本发明的材 料制备的染料敏化太阳能电池的光电转换效率为7. 16%。
【附图说明】
[0017] 图1是试验一中步骤三得到的纳米晶NaYF4:10% Er3+的透射电镜照片；
[0018] 图2是试验一中步骤七得到的NaYF4: Er3+_aYF4的透射电镜照片；
[0019] 图3是试验一中步骤八得到的NaYF4:Er3+_aYF 4@Ti02m米晶的透射电镜照片
[0020] 图4是试验一中步骤三得到的纳米晶NaYF4:10 % Er3+、步骤七得到的NaYF4:Er3+O NaYFjP步骤八得到的NaYF4:Er3+@NaYF4@Ti0 2m米晶的XRD谱图；
[0021] 图5是试验一中对比样品TiO2:10% Er3+和NaYF4:10% Er3+纳米晶的发射光谱图；
[0022] 图 6 是试验一中 NaYF4:10 % Er3+和 NaYF 4:10 % Er3+_aYF4@Ti〇j9发射光谱图；
[0023] 图7是试验一中染料敏化太阳能电池的I-V特性曲线图。
【具体实施方式】
【具体实施方式】 [0024] 一：本实施方式的NaYF4 = Er3+ONaYF4OTiO2纳米晶染料敏化太阳能电 池光阳极材料的制法按按以下步骤进行：
[0025] 步骤一：按油酸和十八烯的体积比为1 :2~5,将油酸和十八烯混合均匀得到混合 液，再按氯化钇（YCl3)和氯化铒（ErCl3)的摩尔比为（90+X) : (10-X)将氯化钇（YCl3)和氯 化铒（ErCl3)加入到混合液中，在搅拌条件下加热到120~150°C保持30~60min，自然冷 却至室温，得到原料液A ;其中0彡X彡10 ;
[0026] 步骤二：称取氟化按（NH4F)和氢氧化钠（NaOH)溶解于甲醇中，得到原料液B ;其 中NH4F与NaOH的摩尔比为1 : (0. 5~2);
[0027] 步骤三：在氮气保护下，将步骤二中得到的原料液B加入到步骤一中的原料液A 中，搅拌均匀后，升温至300~320°C，反应1~3小时，冷却至室温后，将反应溶液移入离心 管中，离心分离出纳米晶，并将得到的纳米晶用无水乙醇离心洗涤3~5次，将洗涤后的样 品分散到环己烷中，得到纳米晶分散液体；
[0028] 步骤四：按油酸和十八烯的体积比为1 :2~5,将油