一種染料敏化太陽(yáng)能電池光陽(yáng)極及其制備方法技術(shù)

本發(fā)明專利技術(shù)公開了一種染料敏化太陽(yáng)能電池光陽(yáng)極及其制備方法。所述光陽(yáng)極材料為二氧化鈦包裹三氧化二鋁的核殼結(jié)構(gòu)納晶薄膜，記為Al

【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】
一種染料敏化太陽(yáng)能電池光陽(yáng)極及其制備方法
本專利技術(shù)涉及一種染料敏化太陽(yáng)能電池光陽(yáng)極及其制備方法。
技術(shù)介紹
太陽(yáng)能廣義上是地球上許多能量如風(fēng)能、水能、海洋能、生物質(zhì)能及部分潮汐能的來(lái)源；從根本上來(lái)說(shuō)，化石燃料(如煤、石油、天然氣等)也是遠(yuǎn)古以來(lái)貯存的太陽(yáng)能。但在化石燃料日趨減少的情況下，太陽(yáng)能主要通過(guò)太陽(yáng)能電池的方式利用光電效應(yīng)將太陽(yáng)能輻射能直接利用。迄今為止，傳統(tǒng)的硅系太陽(yáng)能電池原料成本高、生產(chǎn)工藝復(fù)雜、效率提高潛力有限，因此其民用化受到技術(shù)性限制，急需開發(fā)低成本的太陽(yáng)能電池。能源是世界經(jīng)濟(jì)發(fā)展的首要問(wèn)題。染料敏化太陽(yáng)能電池(DSCs)價(jià)格相對(duì)低廉，制作工藝簡(jiǎn)單，擁有潛在的高光電轉(zhuǎn)換效率，目前，DSCs主要由染料敏化的TiO2納晶薄膜光陽(yáng)極，電解質(zhì)(I-/I3-)和鉑電極或者炭制備的對(duì)電極三個(gè)部分組成。寬帶隙半導(dǎo)體TiO2緊密層對(duì)可見(jiàn)光具有較強(qiáng)的吸收及轉(zhuǎn)化，較大的比表面積以及適量的染料吸附量等使得其獲得高達(dá)14.3％的光電轉(zhuǎn)化效率。且其制造成本僅為硅太陽(yáng)能電池的1/5～1/10，因而具有廣闊的應(yīng)用前景，吸引著世界各國(guó)科研工作者和企業(yè)的廣泛關(guān)注。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
本專利技術(shù)的目的是提供一種染料敏化太陽(yáng)能電池光陽(yáng)極及其制備方法，具體是以Al2O3@TiO2核殼結(jié)構(gòu)納晶薄膜作為光陽(yáng)極，本專利技術(shù)通過(guò)經(jīng)TiCl4后處理的Al2O3納米薄膜以制備Al2O3@TiO2核殼結(jié)構(gòu)納晶薄膜，并將其作為DSCs的光陽(yáng)極，有效提高了染料敏化太陽(yáng)能電池的光電轉(zhuǎn)換效率。本專利技術(shù)所提供的染料敏化太陽(yáng)能電池的光陽(yáng)極材料，為二氧化鈦包裹三氧化二鋁的核殼結(jié)構(gòu)納晶薄膜，記為Al2O3@TiO2核殼結(jié)構(gòu)納晶薄膜；所述Al2O3@TiO2核殼結(jié)構(gòu)納晶薄膜由TiCl4后處理Al2O3納米薄膜得到。上述的光陽(yáng)極材料中，所述后處理包括將所述Al2O3納米薄膜浸于TiCl4水溶液中熱處理、然后進(jìn)行燒結(jié)的步驟。上述的光陽(yáng)極材料中，所述后處理進(jìn)行3～5次，本專利技術(shù)的一個(gè)具體實(shí)施方式考察了以尺寸為20nm的Al2O3粉末制備的Al2O3@TiO2核殼結(jié)構(gòu)納晶薄膜作為光陽(yáng)極得到的染料敏化太陽(yáng)能電池的光電性能隨所述后處理次數(shù)的影響，結(jié)果表明隨著TiCl4修飾(即在TiCl4水溶液中浸漬Al2O3納米薄膜并燒結(jié)的步驟)次數(shù)的增加，短路電流密度逐漸增大，電壓出現(xiàn)遞減的趨勢(shì)，相對(duì)于進(jìn)行1次和2次時(shí)的光電轉(zhuǎn)換效率較低，進(jìn)行3次時(shí)光電轉(zhuǎn)換效率具有大幅度的提升，進(jìn)行4次時(shí)獲得最佳光電轉(zhuǎn)換效率PCE＝3.32％，所對(duì)應(yīng)的短路電流密度JSC＝7.8mA·cm-2，開路電壓VOC＝0.655V，填充因子FF＝0.651，而進(jìn)行5次時(shí)光電轉(zhuǎn)換效率出現(xiàn)遞減的趨勢(shì)，但相對(duì)于進(jìn)行1次和2次時(shí)仍具有很大的提升。因此，可進(jìn)行3～5次所述后處理以提升所得到的電池的光電轉(zhuǎn)化效率。上述的光陽(yáng)極材料中，所述TiCl4水溶液的摩爾濃度可為40mmol/L～100mmol/L，具體可為70mmol/L；所述熱處理的溫度可為50℃～100℃，具體可為70℃，時(shí)間可為20min～40min，具體可為30min。上述的光陽(yáng)極材料中，所述燒結(jié)的溫度可為400℃～500℃，具體可為450℃，時(shí)間可為20min～60min，具體可為30min，具體在馬弗爐中進(jìn)行。上述的光陽(yáng)極材料中，所述Al2O3納米薄膜中摻雜聚乙二醇和/或聚苯乙烯；所述Al2O3納米薄膜中，所述聚乙二醇的質(zhì)量添加量可為0.1～0.3％，具體可為0.1％，其分子量可為4000～20000，所述聚苯乙烯的質(zhì)量添加量為0.1～3％，具體可為0.3％，其分子量可為104～107。本專利技術(shù)進(jìn)一步提供了所述光陽(yáng)極材料的制備方法，包括如下步驟：將Al2O3膠體或摻雜所述聚乙二醇和/或所述聚苯乙烯的Al2O3膠體涂敷于基底上經(jīng)燒結(jié)得到所述Al2O3納米薄膜或摻雜所述聚乙二醇和/或所述聚苯乙烯的所述Al2O3納米薄膜，然后經(jīng)所述后處理即得到所述光陽(yáng)極材料。上述的制備方法中，所述基底可為FTO導(dǎo)電玻璃或設(shè)有TiO2致密層的FTO導(dǎo)電玻璃；所述TiO2致密層可通過(guò)如下方法制備：將異丙氧醇鈦溶于正丙醇中作為致密溶液備用，用旋涂的方法將致密溶液旋涂于所述基底上，再置于馬弗爐中進(jìn)行燒結(jié)即形成TiO2致密層，如在450℃下燒結(jié)30min。上述的制備方法中，所述燒結(jié)的溫度可為400℃～500℃，時(shí)間可為20～40min，如在450℃下燒結(jié)30min。上述的制備方法中，所述Al2O3膠體由下述方法制備得到：研磨所述Al2O3粉末并加入水和乙酸得到混合液，通過(guò)磁力攪拌和超聲分散使得所述混合溶液中的所述Al2O3粉末充分分散；向所述混合液中加入表面活性劑，并通過(guò)磁力攪拌和超聲分散使所述表面活性劑充分分散即得到Al2O3膠體；向所述Al2O3膠體中加入所述聚乙二醇和/或所述聚苯乙烯即得到摻雜所述聚乙二醇和/或所述聚苯乙烯的Al2O3膠體；所述表面活性劑可為曲拉通X-100；所述聚乙二醇和/或所述聚苯乙烯一方面可以提高Al2O3膠體的剪切力及改善膠體粘度，有利于Al2O3納米薄膜的制備；另一方面作為造孔劑，能夠改善薄膜的微觀結(jié)構(gòu)，提高孔隙率，有益于改善光電效應(yīng)，進(jìn)一步提高染料敏化太陽(yáng)能電池的光電轉(zhuǎn)換效率；所述Al2O3粉末的粒徑為不大于200nm，如20～200nm、20～80nm、80nm～200nm、、20nm、80nm或200nm，本專利技術(shù)的一個(gè)具體實(shí)施方式考察了Al2O3粉末制備的Al2O3@TiO2核殼結(jié)構(gòu)納晶薄膜作為光陽(yáng)極得到的染料敏化太陽(yáng)能電池的光電性能隨Al2O3粉末尺寸(粒徑)的影響，結(jié)果表明隨著粒徑(尺寸)的增大，尺寸為80nm時(shí)取得較好的性能，其短路電流密度為JSC＝12.66mA·cm-2，開路電壓Voc＝0.745V，填充因子FF＝0.66，所對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)換效率為6.23％，可見(jiàn)，隨著Al2O3顆粒尺寸的增大，光生電子數(shù)增加，開路光電壓及光電轉(zhuǎn)換效率明顯增大；但是由粒徑為1000nm的Al2O3粉末制備的納晶薄膜作為光陽(yáng)極得到的電池的光性能參數(shù)可以看出，當(dāng)Al2O3顆粒尺寸增大至一定程度時(shí)，其對(duì)應(yīng)的短路電流密度和光電轉(zhuǎn)換效率均大幅度降低，光電轉(zhuǎn)換效率降低至PCE＝0.47％，因此粒徑為不大于200nm的Al2O3粉末制備Al2O3@TiO2核殼結(jié)構(gòu)納晶薄膜。本專利技術(shù)經(jīng)TiCl4后處理的Al2O3納米薄膜或經(jīng)TiCl4后處理的添加PEG及PS的Al2O3納米薄膜并將其作為DSCs的光陽(yáng)極，能有效提高染料敏化太陽(yáng)能電池的光電轉(zhuǎn)換效率。本專利技術(shù)以經(jīng)TiCl4后處理的Al2O3納米薄膜作為光陽(yáng)極制備染料敏化太陽(yáng)能電池，利用納米級(jí)的Al2O3表面積大、吸附性強(qiáng)的特性提高了Al2O3@TiO2核殼結(jié)構(gòu)納米薄膜對(duì)染料敏化劑的吸附，進(jìn)而提高了染料敏化太陽(yáng)能電池的光電轉(zhuǎn)換效率；此外，通過(guò)TiCl4后處理的次數(shù)不同，使Al2O3表面包覆一層高純的TiO2小顆粒，一方面TiO2顆粒在Al2O3薄膜表面呈現(xiàn)連續(xù)狀態(tài)，有利于提高其電子注入效率；另一方面隨TiO2層厚度的增加染料吸附量也會(huì)增大，這兩方面均有利于提高DSCs的光電轉(zhuǎn)換效率；本專利技術(shù)以經(jīng)TiCl4后處理的摻雜PEG及PS的Al2O3納米薄膜，PEG作為一種粘結(jié)劑，取代乙基纖維素，乙基纖維素具有難溶于水，只溶于有機(jī)溶劑，價(jià)格不低，難以處理等不本文檔來(lái)自技高網(wǎng)...

【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】
一種染料敏化太陽(yáng)能電池的光陽(yáng)極材料，其特征在于：所述光陽(yáng)極材料為二氧化鈦包裹三氧化二鋁的核殼結(jié)構(gòu)納晶薄膜，記為Al

【技術(shù)特征摘要】
1.一種染料敏化太陽(yáng)能電池的光陽(yáng)極材料，其特征在于：所述光陽(yáng)極材料為二氧化鈦包裹三氧化二鋁的核殼結(jié)構(gòu)納晶薄膜，記為Al2O3@TiO2核殼結(jié)構(gòu)納晶薄膜；所述Al2O3@TiO2核殼結(jié)構(gòu)納晶薄膜由TiCl4后處理Al2O3納米薄膜得到。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光陽(yáng)極材料，其特征在于：所述后處理包括將所述Al2O3納米薄膜浸于TiCl4水溶液中熱處理、然后進(jìn)行燒結(jié)的步驟。3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的光陽(yáng)極材料，其特征在于：所述后處理進(jìn)行3～5次。4.根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的光陽(yáng)極材料，其特征在于：所述TiCl4水溶液的摩爾濃度為40mmol/L～100mmol/L；所述熱處理的溫度為50℃～100℃，時(shí)間為20min～40min。5.根據(jù)權(quán)利要求2-4中任一項(xiàng)所述的光陽(yáng)極材料，其特征在于：所述燒結(jié)的溫度為400℃～500℃，時(shí)間為20min～60min。6.根據(jù)權(quán)利要求1-5中任一項(xiàng)所述的光陽(yáng)極材料，其特征在于：所述Al2O3納米薄膜中摻雜聚乙二醇和/或聚苯乙烯；所述Al2O3納米薄膜...

【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：唐小文，解東梅，林原，周曉文，
申請(qǐng)(專利權(quán))人：中國(guó)科學(xué)院化學(xué)研究所，
類型：發(fā)明
國(guó)別省市：北京,11