本发明属于染料敏化太阳能电池领域，具体涉及一种染料敏化太阳能电池光阳极散射层及其制备方法。
背景技术
染料敏化太阳能电池(dssc)的结构类似于“三明治”，包括半导体纳米晶多孔膜、染料敏化剂、电解质和对电极等几部分，由于其制备材料来源丰富、成本低廉、环境友好、制造工艺简单和性能稳定等诸多优点，引起了人们的广泛关注。
在太阳光照射下，dssc中的染料分子吸收光子由基态跃迁到激发态，处于激发态的染料分子迅速将激发电子注入到半导体光阳极导带中，注入的电子经过在光阳极薄膜中的传输后到达导电基底，电子在基底收集后经外电路流向对电极而形成电流；激发态的染料分子被电解质氧化还原对i3-/i-中的i-还原成基态，实现染料的再生，i-则被氧化为i3-；而i3-则从对电极上获得外电路来的电子被还原为i-，从而实现了氧化还原对的再生。因此，半导体光阳极在dssc中同时发挥着吸附染料分子、电子受体和电子运输等多重作用，其表面性能和内部的电学性能直接影响了dssc的光电性能。由于tio2光化学稳定性好、具有合适的禁带宽度、对染料吸附性能良好等诸多优良性能，目前主要用tio2多孔薄膜电极做多孔薄膜阳极。纯tio2多孔薄膜电极对光的散射能力低，入射光直接透过光阳极薄膜，大大降低了对光的利用率，从而导致光电转换效率偏低。
技术实现要素：
本发明的目的在于克服上述技术不足，提出一种染料敏化太阳能电池光阳极散射层，解决目前纯tio2薄膜光阳极光电转换效率低的技术问题；本发明第二方面的目的，在于提供一种染料敏化太阳能电池光阳极散射层的制备方法。
为达到上述技术目的，本发明的技术方案提供一种染料敏化太阳能电池光阳极散射层，其包括多酸/二氧化钛复合纳米棒，且所述多酸/二氧化钛复合纳米棒中多酸的含量为10～30wt％。
本发明还提供一种染料敏化太阳能电池光阳极散射层的制备方法，包括如下步骤：
s1.分别以钛酸四丁酯、多酸、pvp为溶质，以无水乙醇为溶剂，依次配制溶液a、溶液b和溶液c，将溶液b加入溶液a中，混匀后加入溶液c中，搅拌均匀，得到纺丝液，所述纺丝液中钛酸四丁酯、多酸和pvp的质量比为40：1～3：20；
s2.通过静电纺丝法将所述纺丝液制备成多酸/二氧化钛复合纳米棒前驱体；
s3.将所述多酸/二氧化钛复合纳米棒前驱体经烘干、恒温焙烧后得到多酸/二氧化钛复合纳米棒；
s4.将所述多酸/二氧化钛复合纳米棒、乙基纤维素和松油醇制成粘性浆料，将所述粘性浆料涂敷在二氧化钛薄膜层表面，煅烧后冷却至常温，得成品。
与现有技术相比，本发明的有益效果包括：
1.本发明的染料敏化太阳能电池光阳极散射层包含了多酸/二氧化钛复合纳米棒，在散射层中加入复合纳米棒，在提高光吸收效率的同时，还能抑制光生电荷复合作用，从而提高染料敏化太阳能电池的光电转换效率；多酸/二氧化钛复合纳米棒中多酸的含量为10～30wt％，多酸含量在此范围内能起到电子浅陷阱的作用，吸收并释放光生电子，从而促进载流子迁移，提高电子迁移速率，减小了暗电流，从而提高了电池的光电转换效率；若多酸含量太多，则会起到电子深陷阱的作用，捕捉电子后较难将电子导出，若多酸含量太少，无法起到电子浅陷阱的作用，从而无法提高电池的光电转换效率；
2.本发明提供的染料敏化太阳能电池光阳极散射层，与纯tio2薄膜光阳极相比，光电转换效率明显提升，其光电转换效率最高可以达到7.08％。
3.本发明提供的染料敏化太阳能电池光阳极散射层的制备方法简单易行、可操作性强、重现性好，具有极高的推广和应用价值。
附图说明
图1是实施例1中制得的磷钨酸/二氧化钛复合纳米棒的sem图；
图2是实施例1中制得的磷钨酸/二氧化钛复合纳米棒的tem图；
图3是实施例1中制得的磷钨酸/二氧化钛复合纳米棒的xrd图；
图4是实施例1中制得的磷钨酸/二氧化钛复合纳米棒的eis图；
图5是实施例1中制得的磷钨酸/二氧化钛复合纳米棒的pce图。
具体实施方式
本实施例提供了一种染料敏化太阳能电池光阳极散射层，其包括多酸/二氧化钛复合纳米棒，且多酸/二氧化钛复合纳米棒中多酸的含量为10～30wt％。
由于多酸具有优异的氧化还原性能，所以其具有优异的电子接受能力，能有效抑制电子-空穴复合，从而提高光生电子迁移率。多酸可以为磷钨酸、磷钼酸、硅钨酸或硅钼酸中的任意一种。
较大粒径的多酸/二氧化钛复合纳米棒能增强其对可见光的散射，提高染料吸附量，从而提高光电转换效率；在本发明的优选实施方式中，多酸/二氧化钛复合纳米棒的直径为200～300nm。
本实施例还提供了一种染料敏化太阳能电池光阳极散射层的制备方法，包括如下步骤：
(1)配制纺丝液：将钛酸四丁酯和冰乙酸加入到适量无水乙醇中，用磁力搅拌混合液至淡黄色透明液体，得到溶液a；将多酸加入到适量无水乙醇中混合均匀，得到溶液b；再将聚乙烯吡咯烷酮(简称pvp)加入到适量无水乙醇混合均匀，得到溶液c；将溶液b加入溶液a中，搅拌混合均匀后，将得到的混合液加入溶液c中，磁力搅拌10～15h，得到透明的橙黄色粘稠状液体，即纺丝液；
橙黄色粘稠状纺丝液中钛酸四丁酯、多酸和pvp的质量比为40：1～3：20。
(2)制备前驱体：通过静电纺丝法将步骤(1)中的纺丝液制备成多酸/二氧化钛复合纳米棒前驱体，为了得到直径为200～300nm且尺寸大小均匀的复合纳米棒前驱体，纺丝电压为12～20kv，纺丝喷口到接收板的距离为10～15cm，纺丝喷口与注射器所在的水平面呈10～20°角；
(3)制备复合纳米棒：将步骤(2)中的前驱体置于温度为60～90℃的烘箱中烘干，在空气气氛保护下，以1～5℃/min的速率将前驱体从常温加热到450～500℃，并保温10～15h，得到多酸/二氧化钛复合纳米棒；
(4)制备散射层：将步骤(3)中的多酸/二氧化钛复合纳米棒、乙基纤维素和松油醇按质量比为20～25：8：67～72混合均匀，制成粘性浆料，再通过涂刮法将粘性浆料涂敷在商用二氧化钛薄膜层表面，以1～5℃/min的速率将处理后的商用二氧化钛薄膜层从常温加热至450℃，并保温10～15h，冷却至常温后，得到染料敏化太阳能电池光阳极散射层。
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，对本发明提供的染料敏化太阳能电池光阳极散射层及其制备方法进行进一步详细说明。下述实施例中的实验方法，如无特殊说明，均为常规方法。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。
实施例1：
本发明的实施例1提供了一种染料敏化太阳能电池光阳极散射层，其多酸/二氧化钛复合纳米棒中多酸的含量为20wt％。
本实施例1还提供了该染料敏化太阳能电池光阳极散射层的制备方法，包括如下步骤：
(1)配制纺丝液：向2ml无水乙醇中加入1g钛酸四丁酯和2ml冰乙酸，用磁力搅拌混合液至混合液呈淡黄色透明液体，得到溶液a；将0.05g磷钨酸加入2ml无水乙醇中，搅拌混合均匀，得到溶液b；将0.5gpvp加入2ml无水乙醇中，磁力搅拌12h，得到溶液c；将溶液b加入溶液a中，搅拌混合均匀后，将得到的混合液加入溶液c中，磁力搅拌12h，得到纺丝液；
(2)制备前驱体：通过静电纺丝法将步骤(1)中的纺丝液制备成磷钨/二氧化钛复合纳米棒前驱体，纺丝电压为12kv，纺丝喷口到接收板的距离为10cm，纺丝喷口与注射器所在的水平面呈10°角；
(3)制备复合纳米棒：将步骤(2)中的前驱体置于温度为60℃的烘箱中烘12h，然后将前驱体置于瓷舟中，再将瓷舟放入管式炉中，将空气以50ml/min的速率通过管式炉，并以1℃/min的升温速率将管式炉从常温加热到450℃，保温10h后，得到磷钨酸/二氧化钛复合纳米棒；
(4)制备散射层：将步骤(3)中的磷钨酸/二氧化钛复合纳米棒、乙基纤维素和松油醇按质量比为20:8:72混合均匀，制成粘性浆料，再通过涂刮法将粘性浆料涂敷在商用二氧化钛薄膜层表面，以1℃/min的速率将处理后的商用二氧化钛薄膜层从常温加热至450℃，并保温10h，冷却至常温后，得到染料敏化太阳能电池光阳极散射层。
实施例2：
本发明的实施例2提供了一种染料敏化太阳能电池光阳极散射层，其多酸/二氧化钛复合纳米棒中多酸的含量为30wt％。
本实施例2还提供了该染料敏化太阳能电池光阳极散射层的制备方法，包括如下步骤：
(1)配制纺丝液：向3ml无水乙醇中加入1g钛酸四丁酯和2ml冰乙酸，用磁力搅拌混合液至混合液呈淡黄色透明液体，得到溶液a；将0.075g磷钨酸加入2ml无水乙醇中，搅拌混合均匀，得到溶液b；将0.5gpvp加入3ml无水乙醇中，磁力搅拌12h，得到溶液c；将溶液b加入溶液a中，搅拌混合均匀后，将得到的混合液加入溶液c中，磁力搅拌12h，得到纺丝液；
(2)制备前驱体：通过静电纺丝法将步骤(1)中的纺丝液制备成磷钨酸/二氧化钛复合纳米棒前驱体，纺丝电压为15kv，纺丝喷口到接收板的距离为10cm，纺丝喷口与注射器所在的水平面呈15°角；
(3)制备复合纳米棒：将步骤(2)中的前驱体置于温度为70℃的烘箱中烘12h，然后将前驱体置于瓷舟中，再将瓷舟放入管式炉中，将空气以50ml/min的速率通过管式炉，并以2℃/min的升温速率将管式炉从常温加热到450℃，保温10h后，得到磷钨酸/二氧化钛复合纳米棒；
(4)制备散射层：将步骤(3)中的磷钨酸/二氧化钛复合纳米棒、乙基纤维素和松油醇按质量比为25:8:67混合均匀，制成粘性浆料，再通过涂刮法将粘性浆料涂敷在商用二氧化钛薄膜层表面，以1℃/min的速率将处理后的商用二氧化钛薄膜层从常温加热至450℃，并保温10h，冷却至常温后，得到染料敏化太阳能电池光阳极散射层。
实施例3：
本发明的实施例3提供了一种染料敏化太阳能电池光阳极散射层，其多酸/二氧化钛复合纳米棒中多酸的含量为10wt％。
本实施例3还提供了该染料敏化太阳能电池光阳极散射层的制备方法，包括如下步骤：
(1)配制纺丝液：向2ml无水乙醇中加入1g钛酸四丁酯和2ml冰乙酸，用磁力搅拌混合液至混合液呈淡黄色透明液体，得到溶液a；将0.025g磷钼酸加入2ml无水乙醇中，搅拌混合均匀，得到溶液b；将0.5gpvp加入2ml无水乙醇中，磁力搅拌12h，得到溶液c；将溶液b加入溶液a中，搅拌混合均匀后，将得到的混合液加入溶液c中，磁力搅拌12h，得到纺丝液；
(2)制备前驱体：通过静电纺丝法将步骤(1)中的纺丝液制备成磷钼酸/二氧化钛复合纳米棒前驱体，纺丝电压为15kv，纺丝喷口到接收板的距离为10cm，纺丝喷口与注射器所在的水平面呈15°角；
(3)制备复合纳米棒：将步骤(2)中的前驱体置于温度为60℃的烘箱中烘12h，然后将前驱体置于瓷舟中，再将瓷舟放入管式炉中，将空气以50ml/min的速率通过管式炉，并以1℃/min的升温速率将管式炉从常温加热到450℃，保温10h后，得到磷钼酸/二氧化钛复合纳米棒；
(4)制备散射层：将步骤(3)中的磷钼酸/二氧化钛复合纳米棒、乙基纤维素和松油醇按质量比为20:8:72混合均匀，制成粘性浆料，再通过涂刮法将粘性浆料涂敷在商用二氧化钛薄膜层表面，以1℃/min的速率将处理后的商用二氧化钛薄膜层从常温加热至450℃，并保温10h，冷却至常温后，得到染料敏化太阳能电池光阳极散射层。
实施例4：
本发明的实施例4提供了一种染料敏化太阳能电池光阳极散射层，其多酸/二氧化钛复合纳米棒中多酸的含量为30wt％。
本实施例4还提供了该染料敏化太阳能电池光阳极散射层的制备方法，包括如下步骤：
(1)配制纺丝液：向5ml无水乙醇中加入1g钛酸四丁酯和2ml冰乙酸，用磁力搅拌混合液至混合液呈淡黄色透明液体，得到溶液a；将0.075g磷钼酸加入2ml无水乙醇中，搅拌混合均匀，得到溶液b；将0.5gpvp加入3ml无水乙醇中，磁力搅拌12h，得到溶液c；将溶液b加入溶液a中，搅拌混合均匀后，将得到的混合液加入溶液c中，磁力搅拌12h，得到纺丝液；
(2)制备前驱体：通过静电纺丝法将步骤(1)中的纺丝液制备成磷钼酸/二氧化钛复合纳米棒前驱体，纺丝电压为20kv，纺丝喷口到接收板的距离为10cm，纺丝喷口与注射器所在的水平面呈20°角；
(3)制备复合纳米棒：将步骤(2)中的前驱体置于温度为90℃的烘箱中烘12h，然后将前驱体置于瓷舟中，再将瓷舟放入管式炉中，将空气以50ml/min的速率通过管式炉，并以5℃/min的升温速率将管式炉从常温加热到500℃，保温15h后，得到磷钼酸/二氧化钛复合纳米棒；
(4)制备散射层：将步骤(3)中的磷钼酸/二氧化钛复合纳米棒、乙基纤维素和松油醇按质量比为25:8:67混合均匀，制成粘性浆料，再通过涂刮法将粘性浆料涂敷在商用二氧化钛薄膜层表面，以5℃/min的速率将处理后的商用二氧化钛薄膜层从常温加热至450℃，并保温15h，冷却至常温后，得到染料敏化太阳能电池光阳极散射层。
实施例5：
本发明的实施例5提供了一种染料敏化太阳能电池光阳极散射层，其多酸/二氧化钛复合纳米棒中多酸的含量为20wt％。
本实施例5还提供了该染料敏化太阳能电池光阳极散射层的制备方法，包括如下步骤：
(1)配制纺丝液：向4ml无水乙醇中加入1g钛酸四丁酯和2ml冰乙酸，用磁力搅拌混合液至混合液呈淡黄色透明液体，得到溶液a；将0.05g硅钨酸加入2ml无水乙醇中，搅拌混合均匀，得到溶液b；将0.5gpvp加入3ml无水乙醇中，磁力搅拌12h，得到溶液c；将溶液b加入溶液a中，搅拌混合均匀后，将得到的混合液加入溶液c中，磁力搅拌12h，得到纺丝液；
(2)制备前驱体：通过静电纺丝法将步骤(1)中的纺丝液制备成硅钨酸/二氧化钛复合纳米棒前驱体，纺丝电压为18kv，纺丝喷口到接收板的距离为10cm，纺丝喷口与注射器所在的水平面呈18°角；
(3)制备复合纳米棒：将步骤(2)中的前驱体置于温度为80℃的烘箱中烘12h，然后将前驱体置于瓷舟中，再将瓷舟放入管式炉中，将空气以50ml/min的速率通过管式炉，并以3℃/min的升温速率将管式炉从常温加热到490℃，保温10h后，得到硅钨酸/二氧化钛复合纳米棒；
(4)制备散射层：将步骤(3)中的硅钨酸/二氧化钛复合纳米棒、乙基纤维素和松油醇按质量比为20:8:72混合均匀，制成粘性浆料，再通过涂刮法将粘性浆料涂敷在商用二氧化钛薄膜层表面，以3℃/min的速率将处理后的商用二氧化钛薄膜层从常温加热至450℃，并保温12h，冷却至常温后，得到染料敏化太阳能电池光阳极散射层。
实施例6：
本发明的实施例6提供了一种染料敏化太阳能电池光阳极散射层，其多酸/二氧化钛复合纳米棒中多酸的含量为30wt％。
本实施例6还提供了该染料敏化太阳能电池光阳极散射层的制备方法，包括如下步骤：
(1)配制纺丝液：向5ml无水乙醇中加入1g钛酸四丁酯和2ml冰乙酸，用磁力搅拌混合液至混合液呈淡黄色透明液体，得到溶液a；将0.075g硅钼酸加入2ml无水乙醇中，搅拌混合均匀，得到溶液b；将0.5gpvp加入3ml无水乙醇中，磁力搅拌12h，得到溶液c；将溶液b加入溶液a中，搅拌混合均匀后，将得到的混合液加入溶液c中，磁力搅拌12h，得到纺丝液；
(2)制备前驱体：通过静电纺丝法将步骤(1)中的纺丝液制备成硅钼酸/二氧化钛复合纳米棒前驱体，纺丝电压为18kv，纺丝喷口到接收板的距离为15cm，纺丝喷口与注射器所在的水平面呈20°角；
(3)制备复合纳米棒：将步骤(2)中的前驱体置于温度为90℃的烘箱中烘12h，然后将前驱体置于瓷舟中，再将瓷舟放入管式炉中，将空气以50ml/min的速率通过管式炉，并以5℃/min的升温速率将管式炉从常温加热到500℃，保温12h后，得到硅钼酸/二氧化钛复合纳米棒；
(4)制备散射层：将步骤(3)中的硅钼酸/二氧化钛复合纳米棒、乙基纤维素和松油醇按质量比为25:8:67混合均匀，制成粘性浆料，再通过涂刮法将粘性浆料涂敷在商用二氧化钛薄膜层表面，以5℃/min的速率将处理后的商用二氧化钛薄膜层从常温加热至450℃，并保温15h，冷却至常温后，得到染料敏化太阳能电池光阳极散射层。
将实施例1～6中制得的光阳极与pt对电极组合成三明治结构的dssc，同时以纯tio2薄膜光阳极与pt对电极组合成三明治结构的dssc，作为比较例1，以未加多酸按实施例方法合成的二氧化钛纳米棒，作为散射层的光阳极与pt对电极组合成三明治结构的dssc，作为比较例2，并对实施例1～6以及比较例1～2中的dssc的性能进行测试，短路电流(jsc)、开路电压(voc)和光电转化效率(η)结果见表1。
表1实施例1～6和比较例1～2性能测试结果
由表1可知，实施例1～6中的dssc的短路电流和光电转换效率都有提高，且实施例1中的短路电流和光电转换效率最高，其次是实施例5；由图5和表1可得，短路电流最高可达到16.18ma/cm2，光电转换效率最高可达到7.08％；且当多酸的含量为20wt％时，制得的染料敏化太阳能电池电学性能较好。
由图4可以看出，实施例1中组装的dssc的中频区的阻抗弧半径较大，说明电荷在散射层中的阻抗越大，表明散射层界面抑制光生电荷复合效果越好。
以上所述本发明的具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何根据本发明的技术构思所做出的各种其他相应的改变与变形，均应包含在本发明权利要求的保护范围内。