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(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種染料敏化太陽能電池光陽極及其制備方法。
背景技術(shù)：
隨著全球性能源危機(jī)日益嚴(yán)重，人們迫切希望可以找到一種可持續(xù)發(fā)展 的清潔能源。太陽能作為一種取之不盡的天然能源，日益受到世界各國的關(guān) 注。染料敏化太陽能電池與傳統(tǒng)硅太陽能電池相比，成本低廉，制作簡單， 成為各國學(xué)者研究的熱點。
染料敏化納米薄膜太陽電池電池主要由以下幾部分依次組成透明導(dǎo)電 玻璃、納米Ti02多孔薄膜、染料敏化層、電解質(zhì)和對電極。染料敏化太陽電 池的工作原理為:染料敏化層的染料分子吸收太陽光后從基態(tài)躍遷到激發(fā)態(tài); 激發(fā)態(tài)染料的電子迅速注入到納米半導(dǎo)體的導(dǎo)帶中；隨后擴(kuò)散至導(dǎo)電基底， 經(jīng)外回路轉(zhuǎn)移至對電極；處于氧化態(tài)的染料被還原態(tài)的電解質(zhì)還原再生；氧 化態(tài)的電解質(zhì)在對電極接受電子被還原，從而完成了電子輸運的一個循環(huán)過
程o
在這些過程中，伴隨著兩個背反應(yīng):注入到半導(dǎo)體導(dǎo)帶中的電子和氧化態(tài) 染料或電解質(zhì)中電子受體的復(fù)合反應(yīng)。其中導(dǎo)帶電子被電解質(zhì)中的氧化成分 捕獲是染料敏化太陽能電池中電子損失的主要途徑。這是由于Ti02多孔薄膜 電極具有高的比表面積，T102粒子的尺寸又比較小，薄膜內(nèi)表面態(tài)數(shù)量相對 體材料來說比較多所致。同時由于染料的激發(fā)態(tài)壽命很短(通常10—8 10", 因此其與電極的結(jié)合程度影響了能量傳輸?shù)男省?br>
發(fā)明內(nèi)容
為了提高染料在電極表面的吸附能力，進(jìn)一步提高染料敏化太陽能電池 的光電性能，本發(fā)明提供了一種染料敏化太陽能電池光陽極及其制備方法。 為達(dá)到以上目的，本發(fā)明是采取如下技術(shù)方案予以實現(xiàn)的 一種染料敏化太陽能電池光陽極，包括染料單分子層、設(shè)置在透明導(dǎo)電 玻璃上的二氧化鈦或氧化鋅納米多孔薄膜基底，其特征在于，在所述納米多 孔薄膜基底表面反應(yīng)沉積有一層帶有氨基基團(tuán)的納米二氧化硅層，其上吸附 所述的染料單分子層即構(gòu)成染料敏化太陽能電池光陽極。
—種上述染料敏化太陽能電池光陽極的制備方法，包括下述步驟 (1)將顆粒尺寸為2 100nm,厚度為l 50y m的二氧化鈦或氧化鋅多孔 薄膜放入體積比為1:10 1:50的正硅酸乙酯和環(huán)己烷的混合溶液中,加入2 IO滴烷基酚聚氧乙烯醚類表面活性劑，混合均勻后浸泡20 60分鐘，按正硅 酸乙酯體積的40% 70%加入氨水，室溫浸泡6 12小時，反應(yīng)沉積上納米二氧 化硅層；按正硅酸乙酯體積的10% 70%加入硅垸偶聯(lián)劑，再反應(yīng)12 24小時, 然后用丙酮洗漆，置于干燥箱80'C干燥30分鐘，即制的修飾后的納米多孔薄
(2灘上述步驟修飾后的所得到的納米多孔薄膜在10'5 10'3mol/L染料的 乙醇溶液中浸泡1 12小時.取出晾干，然后制備在光陽極透明導(dǎo)電玻璃上， 吸附染料單分子層即形成染料敏化太陽能電池光陽極。
上述方法中，所述烷基酚聚氧乙烯醚類表面活性劑為壬基酚聚氧乙烯醚 NP-40;所述硅烷偶聯(lián)劑為端基是氨基的硅烷偶聯(lián)化合物；如Y-氨丙基三乙 氧基硅烷KH550;所述染料為順式二 (硫氰酸根)-二 (4, 4-二羧酸-2， 2-聯(lián)吡啶)合釕(N3)及其衍生物N719染料，也可為無機(jī)發(fā)光量子點染料。
相對于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明的有益效果在于在納米晶(納米Ti02多孔薄
膜)與電解質(zhì)之間形成核殼結(jié)構(gòu)的阻擋層來減少復(fù)合反應(yīng)的電子損失，并通 過電極表面的官能團(tuán)化處理，增加染料吸附量，從而改善太陽能電池的光電 轉(zhuǎn)換效率。具體為使用納米二氧化硅層對二氧化鈦薄膜進(jìn)行鈍化修飾，減 少了Ti02薄膜的表面態(tài)，抑制薄膜中電子向電解質(zhì)的反向復(fù)合，使反應(yīng)向有 利于電子轉(zhuǎn)移的方向進(jìn)行，有利于提髙染料敏化太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率。 同時經(jīng)過硅烷偶聯(lián)劑的官能團(tuán)化處理使薄膜表面帶有氨基基團(tuán)，利用氨基和 羧基基團(tuán)間強的氫鍵作用，使染料分子更加牢固地吸附在Ti02薄膜表面，增 加吸附的染料量，從而改善了整個染料敏化太陽能電池的光電轉(zhuǎn)化性能。本 發(fā)明中修飾二氧化鈦多孔薄膜的方法反應(yīng)條件溫和，操作簡單，安全可靠。


圖1為本發(fā)明染料敏化太陽能電池光陽極及電池裝置的結(jié)構(gòu)圖。圖中"、 光陽極透明導(dǎo)電玻璃；2、納米Ti02多孔薄膜；3、表面帶有氨基基團(tuán)的納米 Si02層；4、染料單分子層；5、電解質(zhì)(碘/碘化鋰)；6、對電極。
具體實施例方式
如圖l所示， 一種染料敏化太陽能電池光陽極，包括染料單分子層4、 設(shè)置在透明導(dǎo)電玻璃1上的二氧化鈦或氧化鋅的納米多孔薄膜2,在多孔薄 膜2的基底表面反應(yīng)沉積有一層帶有氨基基團(tuán)的納米二氧化硅層3，其上吸 附所述的染料單分子層4構(gòu)成染料敏化太陽能電池光陽極。
以上染料敏化太陽能電池光陽極的制備方法 實施例一
將顆粒尺寸為2nm,厚度為50um的Ti02多孔薄膜放入體積比為l: 50的正 硅酸乙酯和環(huán)己烷的混合溶液中，加入10滴表面活性劑NP-40 (壬基酚聚氧乙 烯醚)，混合均勻后浸泡20分鐘，按正硅酸乙酯體積的70%加入氨水，室溫浸 泡12小時，按正硅酸乙酯體積的709&加入硅烷偶聯(lián)劑KH550 (y-氨丙基三乙氧 基硅烷)，再反應(yīng)12小時，然后用丙酮洗滌，置于干燥箱80'C干燥30分鐘。 將修飾后的Ti02納米多孔薄膜在3.5X 10、01/L的N3乙醇溶液中浸泡12小時 后，取出晾干，采用碘/碘化鋰電解質(zhì)，鍍鉑的導(dǎo)電玻璃作為對電極，組裝成 電池。透明導(dǎo)電玻璃可以是銦摻雜的二氧化錫玻璃或者氟摻雜的二氧化錫玻
實施例二
將顆粒尺寸為100nm,厚度為l u mZnO多孔薄膜放入體積比為l: IO的正硅 酸乙酯和環(huán)己垸的混合溶液中，加入2滴表面活性劑NP-40 (壬基酚聚氧乙烯 醚)，混合均勻后浸泡60分鐘，按正硅酸乙酯體積的40%加入氨水，室溫浸泡 6小時，按正硅酸乙酯體積的l(m加入硅烷偶聯(lián)劑KH550 (Y-氨丙基三乙氧基 硅烷)，再反應(yīng)24小時，然后用丙酮洗滌，置于干燥箱80'C干燥30分鐘。將 修飾后的ZnO納米多孔薄膜在3. 5X10—Smol/L的N3乙醇溶液中浸泡l小時后,取 出晾干，采用碘/碘化鋰電解質(zhì)，鍍鉑的導(dǎo)電玻璃作為對電極，組裝成電池。 實施例三
將顆粒尺寸為50nm,厚度為30wm的Ti02多孔薄膜放入體積比為l: 30的 正硅酸乙酯和環(huán)己烷的混合溶液中，加入5滴表面活性劑，混合均勻后浸泡30 分鐘，按正硅酸乙酯體積的50%加入氨水，室溫浸泡10小時，按正硅酸乙酯體 積的6096加入硅垸偶聯(lián)劑KH550 (Y-氨丙基三乙氧基硅垸)，再反應(yīng)20小時， 然后用丙酮洗漆，置于干燥箱8(TC干燥30分鐘。將修飾過的Ti02多孔薄膜在 3.5Xl(Tmol/L的染料的有機(jī)溶液中浸泡6小時后，取出晾干，采用碘/碘化鋰 電解質(zhì)，鍍鉑的導(dǎo)電玻璃作為對電極，組裝成電池。
權(quán)利要求
1、一種染料敏化太陽能電池光陽極，包括染料單分子層、設(shè)置在透明導(dǎo)電玻璃上的二氧化鈦或氧化鋅納米多孔薄膜基底，其特征在于，在所述納米多孔薄膜基底表面反應(yīng)沉積有一層帶有氨基基團(tuán)的納米二氧化硅層，其上吸附所述的染料單分子層即構(gòu)成染料敏化太陽能電池光陽極。
2、 一種權(quán)利要求l所述染料敏化太陽能電池光陽極的制備方法，其特征 在于，包括下述步驟(1) 將顆粒尺寸為2 100咖，厚度為l 50nm的二氧化鈦或氧化鋅多孔 薄膜放入體積比為1:10 1:50的正硅酸乙酯和環(huán)己烷的混合溶液中,加入2 IO滴烷基酚聚氧乙烯醚類表面活性劑，混合均勻后浸泡20 60分鐘，按正硅 酸乙酯體積的40% 70%加入氨7夂，室溫浸泡6 12小時，反應(yīng)沉積上納米二氧 化硅層；按正硅酸乙酯體積的10% 70%加入硅烷偶聯(lián)劑，再反應(yīng)12 24小時, 然后用丙酮洗滌，置于干燥箱80'C干燥30分鐘，即制的官能團(tuán)化修飾后的納 米多孔薄膜；(2) 將上述步驟修飾后所得到的納米多孔薄膜在10—5 10-3mol/L染料的乙 醇溶液中浸泡1 12小時.取出晾干，然后制備在光陽極透明導(dǎo)電玻璃上，吸 附染料單分子層即形成染料敏化太陽能電池光陽極。
3、 如權(quán)利要求2的一種權(quán)利要求1所述染料敏化太陽能電池光陽極的制 備方法，其特征在于，所述烷基酚聚氧乙烯醚類表面活性劑為壬基酚聚氧乙 烯醚NP-40。
4、 如權(quán)利要求2的一種權(quán)利要求1所述染料敏化太陽能電池光陽極的制 備方法，其特征在于，所述硅烷偶聯(lián)劑為端基是氨基的硅烷偶聯(lián)化合物。
5、 如權(quán)利要求4的一種權(quán)利要求1所述染料敏化太陽能電池光陽極的制備方法，其特征在于，所述端基是氨基的硅烷偶聯(lián)化合物為Y-氨丙基三乙氧 基硅烷KH550。
6、如權(quán)利要求2的一種權(quán)利要求1所述染料敏化太陽能電池光陽極的制 備方法，其特征在于，所述染料為順式二 (硫氰酸根)-二 (4, 4-二羧酸-2， 2-聯(lián)吡啶)合釕(N3)及其衍生物N719染料，或無機(jī)發(fā)光量子點染料。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種染料敏化太陽能電池光陽極及其制備方法。其特征在于對染料敏化太陽能電池光陽極的化學(xué)修飾，以提高染料對光陽極的敏化效果，進(jìn)而提高電池的光電轉(zhuǎn)換效率。具體實現(xiàn)方法是用納米SiO₂對光陽極納米晶進(jìn)行表面修飾，并官能團(tuán)化，然后吸附染料。通過納米SiO₂層的修飾，抑制納米晶薄膜的表面態(tài)，改善了電池的光電轉(zhuǎn)換性能，同時表面官能團(tuán)化增加了染料的吸附量，有效提高太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率。
文檔編號H01G9/20GK101354968SQ200810150968
公開日2009年1月28日 申請日期2008年9月16日 優(yōu)先權(quán)日2008年9月16日
發(fā)明者李德娜 申請人:彩虹集團(tuán)公司