專利名稱：一種染料敏化太陽能電池光陽極及其制備方法
技術領域：
本發明屬于新材料技術以及新能源技術領域，更具體地說，涉及一種染料敏化太陽能電池的材料及其制備方法。
背景技術：
近些年來，染料敏化太陽能電池(DSSCs)作為一種新型太陽能電池，因其制作成本低，工藝簡單，光電轉化效率高，性能穩定，且對環境無害等優點，受到了各界廣泛的關注和大量的研究，具有很好應用前景和實用價值。為了進一步提高染料敏化太陽能電池的效率及穩定性，人們對它的各個組成部分二氧化鈦光陽極、電解質、敏化劑以及對電極都做了系統的深入研究和探索，并取得了階段性的成果及突破。其中，具有多孔結構及良好晶體形狀的納米二氧化鈦光陽極膜對其光電轉化效率的提高起到了非常關鍵的作用，成為染料敏化太陽電池研究領域的一個新的熱點。多種不同形貌的納米晶二氧化鈦，如納米粒子、納米管、納米線、納米纖維及中空球體等，都被應用到了光陽極多孔膜的研究制備當中，并取得了良好的效果和進展，提高了染料敏化太陽能電池的轉化效率及性能。
發明內容
本發明的目的在于克服現有技術的不足，將中空結構的二氧化鈦納米粒子(直徑約為100-300nm，壁厚20-50nm)應用于染料敏化太陽能電池的光陽極，將中空二氧化鈦納米粒子制成分散漿料應用到光陽極上，旨在提高染料敏化太陽能電池的光電轉換效率及穩定性，最終達到改善染料敏化太陽能電池光電性能的目的。本發明的目的通過下述技術方案予以實現一種染料敏化太陽能電池光陽極，在其中分散中空二氧化鈦納米粒子。一種制備染料敏化太陽能電池光陽極的方法，按照下述步驟進行將中空二氧化鈦納米粒子與溶劑、粘結劑、分散劑混合均勻后，充分分散，再蒸發分散劑和溶劑，獲得涂覆漿料；將涂覆漿料涂覆在導電玻璃表面，形成所需要的二氧化鈦涂層，再經過多梯度恒溫燒結和染料的浸泡敏化后，即得到本發明的光陽極。在本發明的技術方案中，中空二氧化鈦納米粒子可通過文獻記載J. H. Park， S. Y. Jung, J. Power Sources 194 Q009) 574-579的如下方法進行制備采用乳液聚合的方法制得聚苯乙烯小球，并以其作為模板，通過四氯化鈦水解的方法形成具有核殼結構的二氧化鈦納米球體，最終經過高溫燒結形成直徑100-300nm，壁厚20-50nm中空二氧化鈦納米球(但由于其本身結構的不穩定，會存在一定量破碎的二氧化鈦納米顆粒)。在制備光陽極的方法，首先需要將制備的中空二氧化鈦納米粒子與溶劑、粘結劑和分散劑混合并充分分散，按照質量份表示，其中中空二氧化鈦納米粒子為0. 5-2份、分散劑為2-8份、粘結劑為0. 2-1份、溶劑為40-80份。所述分散劑為松油醇、正丁醇、異丙醇中的一種或多種。所述粘結劑為聚氧乙烯基辛基酚醚、乙基纖維素中的一種或兩種。
所述溶劑為乙醇、二氯甲烷、丙酮中的一種或多種。其次在混合均勻后，通過超聲振蕩、球磨機球磨、手工研磨等方法達到充分分散的目的，再蒸出分散劑、溶劑，制成適宜濃度的涂覆漿料，其中二氧化鈦的固含量為10-25%， 即二氧化鈦的質量占最終涂敷漿料質量的百分比。最終將制得的二氧化鈦漿料涂覆在FTO(摻雜氟的二氧化錫)或ITO(氧化銦錫) 導電玻璃表面，形成所需厚度的二氧化鈦涂層(涂層厚度一般在5-20 μ m)，此多空光陽極膜再經過多梯度恒溫燒結及染料的浸泡敏化后，得到本發明的光陽極。所述染料光敏化劑為太陽電池領域中常使用的聯吡啶金屬絡合物系列、酚菁系列、卩卜啉系列、純有機染料系列，如聯吡啶釕絡合物，N3、N719、Z907、Black dye。本發明的技術方案，將中空二氧化鈦納米粒子制成分散漿料應用到光陽極上，并且此光陽極有利于高粘度的電解液在染料敏化太陽能電池中的應用，提高染料敏化太陽能電池的光電轉換效率及穩定性，最終達到改善染料敏化太陽能電池光電性能的目的。
圖1是本發明的中空二氧化鈦涂覆的光陽極SEM圖。圖2是本發明的技術方案實施例中進行的染料敏化太陽能電池的光電性能測試曲線，其中曲線1為由100wt%含量的中空二氧化鈦納米粒子漿料制得染料敏化太陽能電池的I-V曲線，曲線2為由50wt%含量的中空二氧化鈦納米粒子漿料制得染料敏化太陽能電池的I-V曲線，曲線3為由5wt%含量的中空二氧化鈦納米粒子漿料制得染料敏化太陽能電池的I-V曲線。
具體實施例方式下面結合具體實施例進一步說明本發明的技術方案。首先，根據文獻記載J.H. Park，S. Y. Jung，J.Power Sources 194(2009)574-579
的方法進行制備中空二氧化鈦納米粒子采用乳液聚合的方法制得聚苯乙烯小球，并以其作為模板，通過四氯化鈦水解的方法形成具有核殼結構的二氧化鈦納米球體，最終經過高溫燒結形成直徑100-300nm，壁厚20-50nm中空二氧化鈦納米球，進行下面的光電極的制備。取實驗室自制的中空二氧化鈦納米粒子Ig(中空二氧化鈦納米粒子含量為 100% ),乙基纖維素0. 5g，松油醇4g，溶于75ml無水乙醇，在30°C、80赫茲下超聲振蕩 30min，然后將溶液倒入瑪瑙球磨罐中，在球磨機上球磨10-24h，其中公轉300r/min，自轉 150r/min。待溶液分散混合均勻后，懸蒸出乙醇，溫度35°C，轉速105r/min，時間l_2h。然后將漿料轉移至瑪瑙研缽中，手工研磨lh，控制合適濃度和粘稠度(Ti02固含量為10-25% )， 將其儲存備用。取實驗室自制的中空二氧化鈦納米粒子0.05g，商業化納米二氧化鈦(德國德固賽公司的P25) 0. 95g (中空二氧化鈦納米粒子含量為5 % )，乙基纖維素0. 5g，松油醇4g，溶于75ml 二氯甲烷，在30°C、80赫茲下超聲振蕩30min，然后將溶液倒入瑪瑙球磨罐中，在球磨機上球磨10-24h，其中公轉300r/min，自轉150r/min。待溶液分散混合均勻后，懸蒸出二氯甲烷，溫度35°C，轉速105r/min，時間1_池。然后將漿料轉移至瑪瑙研缽中，手工研磨lh，控制合適濃度和粘稠度(Ti02固含量為10-25% )，將其儲存備用。取實驗室自制的中空二氧化鈦納米粒子0. 5g，商業化納米二氧化鈦(德國德固賽公司的P25)0. 5g(中空二氧化鈦納米粒子含量為50% )，乙基纖維素0. 5g，松油醇4g，溶于 75ml丙酮，在30°C、80赫茲下超聲振蕩30min，然后將溶液倒入瑪瑙球磨罐中，在球磨機上球磨10-24h，其中公轉300r/min，自轉150r/min。待溶液分散混合均勻后，懸蒸出丙酮，溫度35°C，轉速105r/min，時間1_池。然后將漿料轉移至瑪瑙研缽中，手工研磨lh，控制合適濃度和粘稠度(Ti02固含量為10-25% )，將其儲存備用。用scotch膠帶控制厚度，將二氧化鈦漿料經絲網印刷涂覆至FTO導電玻璃上(優選可在涂敷之前，使用30-50mmol/L TiCL4處理導電玻璃，在70°C恒溫40min)，靜置5min， 放入80-125°C烘箱恒溫3-5min，再重復上述操作一次。燒結325°C，恒溫10-30min ；375°C, 恒溫 10-25min ；450°C，恒溫 10_30min ；500°C，恒溫 10_25min。優選燒結制度為325°C，恒溫30min ； 375 °C，恒溫20min ；450 °C，恒溫20min ； 500 °C，恒溫25min。待溫度冷卻再經過一遍TiCL4處理導電玻璃，最后在500°C燒結10-30min。最后將TiO2光陽極浸泡在20-50mmol/ L N719溶液中(其中叔丁醇乙腈的體積比為1 1)室溫下保持10-24h，然后用乙醇沖洗，烘干，待測。將上述薄膜電極與鍍Pt的FTO導電玻璃組裝成染料敏化太陽能電池，其中電解液為 0.5mol/L Lil、0. 05mol/L I2、0. 6mol/L 1，2-二甲基-3-丙基碘化咪唑鹽(DMPII)、 0. 4mol/L四叔丁基吡啶(TBP)、0. lmol/L硫氰酸胍的乙腈與戊腈(體積比1 1)的混合溶液。在標準太陽光模擬器(北京暢拓公司CHF-XM500氙燈光源/500W氙燈)下(光照為lOOmW/cm2)，用電化學工作站(德國IMe6)對此染料敏化太陽能電池的光電性能進行測試，其中電極有效面積為0. 2826cm2,電位掃描區間為_0. 8-0V，掃描速度為10mV/S。此外， 通過場發射掃描隧道顯微鏡(SEM)對制得的光陽極膜進行檢測分析，如附圖1所示，此光陽極薄膜由大量多孔中空球組成，球體大小適宜，分布均勻，疏松多孔，具有較大的比表面積G0-90m2/g)，有利于光陽極對入射光進行散射吸收及敏化劑染料的吸附，且孔隙容積較大，有利于電解質(尤其是高粘度、大分子電解質)的滲透和傳輸，對于染料敏化太陽能電池的光電轉化效率的提高有積極的作用。曲線1為由100%含量的中空二氧化鈦納米粒子漿料制得染料敏化太陽能電池的 I-V曲線，其短路電流密度為13. 4mA/cm2，開路電壓為0. 712V，總的光電轉換效率為6. 22%； 曲線2為由50%含量的中空二氧化鈦納米粒子漿料制得染料敏化太陽能電池的I-V曲線， 其短路電流密度為13. OmA/cm2,開路電壓為0. 696V，總的光電轉換效率為5. 42%;曲線3為由5%含量的中空二氧化鈦納米粒子漿料制得染料敏化太陽能電池的I-V曲線，其短路電流密度為11. 5mA/cm2，開路電壓為0. 704V，總的光電轉換效率為4. 36%。因此將中空二氧化鈦納米粒子應用于染料敏化太陽能電池的光陽極，由于它具有密度低、比表面積大、良好光學特性，使得染料敏化太陽能電池的光電轉化效率比普通二氧化鈦(德國德固賽公司的 P25)提高很多。以上對本發明做了示例性的描述，應該說明的是，在不脫離本發明的核心的情況下，任何簡單的變形、修改或者其他本領域技術人員能夠不花費創造性勞動的等同替換均落入本發明的保護范圍。
權利要求
1.一種染料敏化太陽能電池光陽極，其特征在于，在其中分散中空二氧化鈦納米粒子。
2.一種制備染料敏化太陽能電池光陽極的方法，其特征在于，按照下述步驟進行將中空二氧化鈦納米粒子與溶劑、粘結劑、分散劑混合均勻后，充分分散，再蒸發分散劑和溶劑，獲得涂覆漿料；將涂覆漿料涂覆在導電玻璃表面，形成所需要的二氧化鈦涂層，再經過多梯度恒溫燒結和染料的浸泡敏化后，即得到本發明的光陽極。
3.根據權利要求2所述的一種制備染料敏化太陽能電池光陽極的方法，其特征在于， 所述中空二氧化鈦納米粒子為0. 5-2份、分散劑為2-8份、粘結劑為0. 2-1份、溶劑為40-80 份。
4.根據權利要求2所述的一種制備染料敏化太陽能電池光陽極的方法，其特征在于， 所述分散劑為松油醇、正丁醇、異丙醇中的一種或多種。
5.根據權利要求2所述的一種制備染料敏化太陽能電池光陽極的方法，其特征在于， 所述粘結劑為聚氧乙烯基辛基酚醚、乙基纖維素中的一種或兩種。
6.根據權利要求2所述的一種制備染料敏化太陽能電池光陽極的方法，其特征在于， 所述溶劑為乙醇、二氯甲烷、丙酮中的一種或多種。
7.根據權利要求2所述的一種制備染料敏化太陽能電池光陽極的方法，其特征在于， 所述涂覆漿料中，二氧化鈦的固含量為10-25%。
8.根據權利要求2所述的一種制備染料敏化太陽能電池光陽極的方法，其特征在于， 所述染料為太陽電池領域中常使用的聯吡啶金屬絡合物系列、酚菁系列、嚇啉系列、純有機染料系列，如聯吡啶釕絡合物，N3、N719、Z907、Black dye。
9.中空二氧化鈦納米粒子在制備染料敏化太陽能電池光陽極中的應用。
全文摘要
本發明公開了一種染料敏化太陽能電池光陽極及其制備方法，將中空二氧化鈦納米粒子與溶劑、粘結劑、分散劑混合均勻后，充分分散，再蒸發分散劑和溶劑，獲得涂覆漿料；將涂覆漿料涂覆在導電玻璃表面，形成所需要的二氧化鈦涂層，再經過多梯度恒溫燒結和染料的浸泡敏化后，即得到本發明的光陽極。本發明將中空結構的二氧化鈦納米粒子(直徑約為100-300nm，壁厚20-50nm)應用于染料敏化太陽能電池的光陽極，將中空二氧化鈦納米粒子制成分散漿料應用到光陽極上，提高染料敏化太陽能電池的光電轉換效率及穩定性，最終達到改善染料敏化太陽能電池光電性能的目的。
文檔編號H01G9/042GK102290254SQ20111014743
公開日2011年12月21日 申請日期2011年6月2日 優先權日2011年6月2日
發明者劉懿平, 單忠強, 田建華 申請人:天津大學