納米晶染料敏化太陽(yáng)能電池光陽(yáng)極材料的制法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及染料敏化太陽(yáng)能電池光陽(yáng)極材料的制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 目前人類有效利用的太陽(yáng)光僅為到達(dá)地球表面太陽(yáng)能的萬(wàn)分之一，人們期望太陽(yáng) 能將來(lái)能夠滿足大部分能量消耗需求。染料敏化太陽(yáng)能電池作為可再生無(wú)污染能源，能很 好地解決能源和環(huán)境兩大難題，具有很廣闊的發(fā)展前景。雖然太陽(yáng)能電池領(lǐng)域在近幾十年 已經(jīng)取得巨大發(fā)展，但太陽(yáng)能電池的低效率和高成本使千瓦時(shí)的費(fèi)用與常規(guī)能源相比偏 高，嚴(yán)重限制其普及化和實(shí)用化。目前，國(guó)內(nèi)外科學(xué)家通過多種技術(shù)手段提高太陽(yáng)能電池的 轉(zhuǎn)換效率，比如利用染料進(jìn)行敏化，但因受到太陽(yáng)能電池材料本身性質(zhì)的影響，電池的光電 轉(zhuǎn)換效率也就是提高到10%左右，收效甚微，其中一個(gè)重要原因是染料敏化太陽(yáng)能電池光 陽(yáng)極僅能吸收紫外光區(qū)和可見光區(qū)的太陽(yáng)光，主要在290nm~700nm波段，而無(wú)法吸收利用 占太陽(yáng)光譜能量43%的紅外區(qū)太陽(yáng)光，即染料敏化太陽(yáng)能電池光陽(yáng)極對(duì)全波段太陽(yáng)光能量 不能進(jìn)行全面吸收，對(duì)紅外波段太陽(yáng)光利用甚微，致使電池效率的提高受阻滯。
[0003] 目前提高染料敏化太陽(yáng)能電池轉(zhuǎn)化效率的方法是在用TiO2納米材料制備光陽(yáng)極 時(shí)將稀土發(fā)光離子或?qū)⑸限D(zhuǎn)換材料直接摻雜到TiO2納米材料中，嚴(yán)重影響光能量在染料與 T i O2納米晶之間的傳輸，電池效率的提高不大。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的是為了解決現(xiàn)有技術(shù)制備的染料敏化太陽(yáng)能電池的光電轉(zhuǎn)換效率 低的技術(shù)問題，而提供NaYF4: Er3+@NaYF4@Ti02m米晶染料敏化太陽(yáng)能電池光陽(yáng)極材料的制 法。
[0005] 本發(fā)明的NaYF4: Er3+ONaYF4OTiO2納米晶染料敏化太陽(yáng)能電池光陽(yáng)極材料的制法按 以下步驟進(jìn)行：
[0006] 步驟一：按油酸和十八烯的體積比為1 :2~5,將油酸和十八烯混合均勻得到混合 液，再按氯化釔（YCl3)和氯化鉺（ErCl3)的摩爾比為（90+X) : (10-X)將氯化釔（YCl3)和氯 化鉺（ErCl3)加入到混合液中，在攪拌條件下加熱到120~150°C保持30~60min，自然冷 卻至室溫，得到原料液A ;其中0彡X彡10 ;
[0007] 步驟二：稱取氟化按（NH4F)和氫氧化鈉（NaOH)溶解于甲醇中，得到原料液B ;其 中NH4F與NaOH的摩爾比為1 : (0. 5~2);
[0008] 步驟三：在氮?dú)獗Ｗo(hù)下，將步驟二中得到的原料液B加入到步驟一中的原料液A 中，攪拌均勻后，升溫至300~320°C，反應(yīng)1~3小時(shí)，冷卻至室溫后，將反應(yīng)溶液移入離心 管中，離心分離出納米晶，并將得到的納米晶用無(wú)水乙醇離心洗滌3~5次，將洗滌后的樣 品分散到環(huán)己烷中，得到納米晶分散液體；
[0009] 步驟四：按油酸和十八烯的體積比為1 :2~5,將油酸和十八烯混合均勻得到混 合液，再將氯化釔（YCl3)溶解于混合液中，在攪拌條件下加熱到120~150°C保持30~ 60min，自然冷卻至60~80°C，得到原料液C ;
[0010] 步驟五：將步驟三得到的納米晶分散液體加入到步驟四獲得的原料液C中，攪拌 均勻后，升溫去除環(huán)己烷，得到原料液D ;
[0011] 步驟六：稱取氟化按（NH4F)和氫氧化鈉（NaOH)溶解于甲醇中，得到原料液E ;其 中NH4F與NaOH的摩爾比為1 : (0. 5~2);
[0012] 步驟七：在氮?dú)獗Ｗo(hù)下，將步驟六得到的原料液E加入到步驟五得到的原料液D 中，攪拌均勻后，升溫至300~320°C，反應(yīng)1~3h，冷卻至室溫，將反應(yīng)溶液移入離心管中 離心分離出核殼結(jié)構(gòu)納米晶NaYF4 = Er3+_aYF4，并將核殼結(jié)構(gòu)納米晶NaYF4:Er3+_aYF 4用無(wú) 水乙醇離心洗滌數(shù)次后，得到NaYF4 = Er3+ONaYF4核殼結(jié)構(gòu)納米晶；
[0013] 步驟八：稱取步驟七得到的NaYF4 = Er3+ONaYF4、油胺、油酸、乙醇、去離子水、鈦酸四 丁酯，其中NaYF4 = Er3+ONaYF4的質(zhì)量與油胺體積之比為Ig :75~100ml，NaYF4:Er3+@NaYF^ 質(zhì)量與油酸體積之比為Ig :15~25ml、NaYF4:Er3+@NaYF4的質(zhì)量與乙醇體積之比為Ig :25~ 50ml、NaYF4:Er3+@NaYF』^質(zhì)量與水體積之比為 Ig :1. 5 ~5ml，NaYF4 = Er3+ONaYFg鈦酸四 丁酯的質(zhì)量比為〇. 〇75g : (0. 2~0. 3) g ;先將油胺、油酸混合均勻，接著加入NaYF4 = Er3+O NaYF4，攪拌均勻后，再加入乙醇和水，攪拌均勻，最后加入鈦酸四丁酯，攪拌均勻后，將獲得 的反應(yīng)液轉(zhuǎn)移到高壓反應(yīng)釜中，在溫度為160~200°C條件下反應(yīng)8~12h，反應(yīng)結(jié)束后，離 心分離出固相物，再將固相物離心洗滌干凈，得到NaYF4: Er3+ONaYF4OTi O2納米晶染料敏化太 陽(yáng)能電池光陽(yáng)極材料。
[0014] 本發(fā)明開發(fā)的新型高效核殼結(jié)構(gòu)上轉(zhuǎn)換納米晶增強(qiáng)對(duì)紅外太陽(yáng)光譜的轉(zhuǎn)換，并在 該納米晶表面包覆TiO2殼層，既能有效利用上轉(zhuǎn)換材料轉(zhuǎn)換紅外太陽(yáng)光，又能使染料分子 充分的吸附在TiOJi表面，將極大的提高染料敏化太陽(yáng)能電池的效率。紅外光子上轉(zhuǎn)換過 程能夠?qū)蓚€(gè)紅外光子進(jìn)行疊加，并發(fā)射出一個(gè)高能量的短波上轉(zhuǎn)換光子，在染料敏化太 陽(yáng)能電池中應(yīng)用紅外上轉(zhuǎn)換材料是突破限制電池效率提高瓶頸的理想方法，具有重要的意 義。
[0015] 本發(fā)明上轉(zhuǎn)換納米晶染料敏化太陽(yáng)能電池的光陽(yáng)極材料，增加光陽(yáng)極對(duì)紅外太陽(yáng) 光能量的吸收，具有以下優(yōu)勢(shì)：（1)成功在上轉(zhuǎn)換納米晶表面包覆TiO2殼層，NaYF4 = Er3+O NaYF4OTiOjg夠有效增加光陽(yáng)極材料對(duì)紅外太陽(yáng)光能量的吸收。⑵通過核殼結(jié)構(gòu)的包覆， 減少表面缺陷，以及核殼納米晶具有非常小的尺寸具有大的比表面積，有效提高染料分子 在光陽(yáng)極表面進(jìn)行吸附，在提高了 Er3+的上轉(zhuǎn)換效率的同時(shí)，增加了染料分子在TiO2表面 的吸附。
[0016] 本發(fā)明NaYF4: Er3+_aYF4@Ti02納米晶染料敏化太陽(yáng)能電池光陽(yáng)極材料為白色粉 末，六方相NaYF4 = Er3+納米晶體尺寸約為25nm左右，六方相NaYF4 = Er3+ONaYF4納米晶體尺寸 約為33nm左右，NaYF4 = Er3+ONaYF4OTiO2納米晶體尺寸大約為50nm左右。利用本發(fā)明的材 料制備的染料敏化太陽(yáng)能電池的光電轉(zhuǎn)換效率為7. 16%。
【附圖說(shuō)明】
[0017] 圖1是試驗(yàn)一中步驟三得到的納米晶NaYF4:10% Er3+的透射電鏡照片；
[0018] 圖2是試驗(yàn)一中步驟七得到的NaYF4: Er3+_aYF4的透射電鏡照片；
[0019] 圖3是試驗(yàn)一中步驟八得到的NaYF4:Er3+_aYF 4@Ti02m米晶的透射電鏡照片
[0020] 圖4是試驗(yàn)一中步驟三得到的納米晶NaYF4:10 % Er3+、步驟七得到的NaYF4:Er3+O NaYFjP步驟八得到的NaYF4:Er3+@NaYF4@Ti0 2m米晶的XRD譜圖；
[0021] 圖5是試驗(yàn)一中對(duì)比樣品TiO2:10% Er3+和NaYF4:10% Er3+納米晶的發(fā)射光譜圖；
[0022] 圖 6 是試驗(yàn)一中 NaYF4:10 % Er3+和 NaYF 4:10 % Er3+_aYF4@Ti〇j9發(fā)射光譜圖；
[0023] 圖7是試驗(yàn)一中染料敏化太陽(yáng)能電池的I-V特性曲線圖。
【具體實(shí)施方式】
【具體實(shí)施方式】 [0024] 一：本實(shí)施方式的NaYF4 = Er3+ONaYF4OTiO2納米晶染料敏化太陽(yáng)能電 池光陽(yáng)極材料的制法按按以下步驟進(jìn)行：
[0025] 步驟一：按油酸和十八烯的體積比為1 :2~5,將油酸和十八烯混合均勻得到混合 液，再按氯化釔（YCl3)和氯化鉺（ErCl3)的摩爾比為（90+X) : (10-X)將氯化釔（YCl3)和氯 化鉺（ErCl3)加入到混合液中，在攪拌條件下加熱到120~150°C保持30~60min，自然冷 卻至室溫，得到原料液A ;其中0彡X彡10 ;
[0026] 步驟二：稱取氟化按（NH4F)和氫氧化鈉（NaOH)溶解于甲醇中，得到原料液B ;其 中NH4F與NaOH的摩爾比為1 : (0. 5~2);
[0027] 步驟三：在氮?dú)獗Ｗo(hù)下，將步驟二中得到的原料液B加入到步驟一中的原料液A 中，攪拌均勻后，升溫至300~320°C，反應(yīng)1~3小時(shí)，冷卻至室溫后，將反應(yīng)溶液移入離心 管中，離心分離出納米晶，并將得到的納米晶用無(wú)水乙醇離心洗滌3~5次，將洗滌后的樣 品分散到環(huán)己烷中，得到納米晶分散液體；
[0028] 步驟四：按油酸和十八烯的體積比為1 :2~5,將油