專利名稱：一種染料敏化太陽能電池高效復合光陽極的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及新能源的開發(fā)與利用研究領(lǐng)域，具體涉及一種染料敏化太陽能電池高效復合光陽極的制備方法。
背景技術(shù)：
光陽極做為染料敏化太陽能電池(Dye-sensitized solar cell，簡稱DSSC)的核心部件，對電池性能的提高起著決定性的作用。若提高DSSC的光電轉(zhuǎn)換效率，光陽極必須滿足兩個條件一、產(chǎn)生大量的光生電子；二、光生電子由激發(fā)染料通過光陽極快速傳輸?shù)酵怆娐贰iO2納米晶多孔膜和一維ZnO納米線陣列是目前研究最廣泛的兩種陽電極結(jié)構(gòu)。 TiO2納米晶多孔膜為光陽極提供了大的比表面積，有利于更多染料的吸附，但是其中存在大量晶界，使得電子擴散系數(shù)小，復合率高，制約了 DSSC光電轉(zhuǎn)換效率的進一步提高；而一維ZnO納米線陣列雖能提供直線傳輸?shù)穆窂剑岣唠娮拥臄U散長度，減少電子復合，增加電子壽命，但其對染料的吸附量有限，使得此類電池的光電轉(zhuǎn)換效率也不理想。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種染料敏化太陽能電池高效復合光陽極的制備方法，該復合光陽極不僅提高了光敏染料吸附量和光捕獲效率，保障了光生電子的產(chǎn)生率，而且提高了光生電子的輸運能力，減少電子的復合過程，從而提高染料敏化太陽能電池的光電轉(zhuǎn)化效率。本發(fā)明提供的染料敏化太陽能電池高效復合光陽極的制備方法，其特征在于利用磁控濺射技術(shù)首先在透明基片上沉積摻^的ZnO薄膜；然后采用水熱化學反應(yīng)法在摻 In的ZnO薄膜上生長ZnO納米線陣列；最后通過絲網(wǎng)印刷技術(shù)在ZnO納米線陣列的表面涂布一層TiO2納米顆粒的分散溶液，加熱使分散溶液中的有機溶劑揮發(fā)，得到孔狀TW2納米晶多孔膜/ZnO納米線陣列復合薄膜，將TW2納米晶多孔膜/ZnO納米線陣列復合薄膜在染料溶液中浸泡，取出后洗去表面殘留的染料溶液，晾干，得到染料敏化T^2納米晶多孔膜/ ZnO納米線陣列復合薄膜光陽極。本發(fā)明在透明基片上沉積摻h的ZnO薄膜是采用磁控濺射的方法，摻h的ZnO 薄膜的厚度為100-300nm。本發(fā)明ZnO納米線陣列直接在摻h的ZnO薄膜上外延生長，不需要在摻h的ZnO 薄膜上沉積晶種層。本發(fā)明TiA納米晶多孔膜由直徑約10納米和直徑約200納米兩種顆粒組成，10 納米顆粒與200納米顆粒的體積比為90 10-95 5 ；在SiO納米線陣列的表面印刷TiO2 漿料后，將復合薄膜在500°C燒結(jié)30分鐘，溫度降至80°C時取出，立即放入0. 3mM/L的釕配合物N719染料無水乙醇中浸泡M小時；取出后用無水乙醇洗去表面殘留的染料，吹干，得到染料敏化復合光陽極。本發(fā)明優(yōu)化了 ZnO納米線陣列的生長條件和TW2納米晶多孔膜的微結(jié)構(gòu)，即在透明基片上直接沉積摻^的ZnO薄膜，不需要在導電薄膜上再沉積晶種層，直接在此摻^的 ZnO薄膜上外延生長ZnO納米線陣列，加快電子的傳輸與收集；在TW2漿料中，除了傳統(tǒng)的 10納米的顆粒，還引入了直徑約200納米的顆粒，大尺寸的納米顆?？梢詫θ肷涞奶柟馄鸬缴⑸浜吐瓷涞淖饔茫岣咛柟獾睦寐什⒃黾尤玖媳患ぐl(fā)的機會。此外，本發(fā)明將 ZnO納米線陣列和TW2納米晶多孔膜的優(yōu)點結(jié)合起來形成復合光陽極，可以大幅度的提高電池的光電轉(zhuǎn)換效率。本發(fā)明的有益效果在于本發(fā)明優(yōu)化了 ZnO納米線陣列的生長條件，取代在F摻雜的SnO2導電基片上沉積 ZnO晶種層再生長ZnO納米線陣列，直接在透明基片上沉積摻In的ZnO薄膜，此薄膜既可作為導電層，同時也可作為晶種層，減少了電子傳輸?shù)淖璧K并簡化了工藝步驟。本發(fā)明優(yōu)化了 TiO2納米晶多孔膜的微結(jié)構(gòu)，改變傳統(tǒng)的由單一納米顆粒組成的多孔膜，在多孔膜中引入大尺寸的TiA納米顆粒作為散射中心，提高電池的光捕獲效率。本發(fā)明將TiA納米晶多孔膜和Zno納米線陣列復合電極結(jié)構(gòu)作為DSSC的光陽極，在保證電極能夠充分吸附染料、具有較高的光捕獲效率的同時提高了光生電子的輸運能力，減少了光生電子的復合率，從而提高了染料敏化太陽能電池的光電轉(zhuǎn)化效率。


圖1是本發(fā)明TW2納米晶多孔膜/ZnO納米線陣列復合光陽極的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2是本發(fā)明ZnO納米線陣列DSSC(a)和TW2納米晶多孔膜/ZnO納米線陣列 DSSC (b)的電流密度-電壓關(guān)系曲線圖。圖1中，1——透明基片；2——#In的SiO薄膜；3——ZnO納米線陣列；4——TiO2 納米晶多孔膜。
具體實施例方式如圖1所示，本發(fā)明提供一種染料敏化太陽能電池高效復合光陽極的制備方法， 包括以下幾個步驟步驟1 取一透明基片1，透明基片1是玻璃基底或柔性塑料基底，首先對透明基片 1進行充分的清洗，將其分別在丙酮、乙醇和去離子水中超聲20分鐘，并用氮氣吹干，待用；步驟2 在透明基片1上沉積摻h的ZnO薄膜2，所述的在透明基片1上沉積摻h 的ZnO薄膜2是采用磁控濺射的方法，濺射條件為摻^的ZnO靶材，背底真空4X 10_4Pa， 濺射氣壓0. 6Pa, Ar氣體流量20SCCM，濺射功率100W，襯底溫度300°C，濺射時間10-30分鐘，摻h的ZnO薄膜2的厚度為100-300納米；該摻h的ZnO薄膜2既可以作為透明導電層，同時也可以作為生長ZnO納米線陣列3的晶種層，取代了在摻F的SnO2導電基片上沉積SiO晶種層，減少了電子傳輸?shù)淖璧K并簡化了工藝步驟；步驟3 采用水熱化學反應(yīng)法，在摻h的ZnO薄膜2上外延生長ZnO納米線陣列3， 其中外延生長SiO納米線陣列3時，采用的鋅源為硝酸鋅或醋酸鋅溶液，該硝酸鋅或醋酸鋅溶液的濃度為IOmM-IOOmM,通過在該硝酸鋅或醋酸鋅溶液中加入氨水、碳酸氫銨、氫氧化鈉或六亞甲基四胺等堿性物質(zhì)，使水熱反應(yīng)溶液的PH值為9. 6-10. 6，將配好的溶液放入帶聚四氟乙烯內(nèi)襯的高壓反應(yīng)釜中，封釜，采用的水熱反應(yīng)溫度為90-120°C，反應(yīng)時間為3-12小時，反應(yīng)結(jié)束后，將高壓釜自然冷卻至室溫，取出沉積摻h的ZnO薄膜2的透明基片1，先用去離子水反復沖洗摻^的ZnO薄膜2的表面，然后將該水熱反應(yīng)后的摻^的ZnO薄膜 2在80°C恒溫干燥箱中干燥12小時，得到ZnO納米線陣列3。該ZnO納米線陣列3為光生電子提供了直線傳輸?shù)耐緩剑瑴p少了光生電子的傳輸時間和路徑，并降低了光生電子反向復合的幾率；步驟4 采用絲網(wǎng)印刷技術(shù)在ZnO納米線陣列3的表面印刷TW2漿料；加熱，使 TiO2漿料中的有機溶劑揮發(fā)，得到TiA納米晶多孔膜4，形成TiA納米晶多孔膜4/ZnO納米線陣列3復合薄膜，其中TW2納米晶多孔膜4由直徑約10納米和直徑約200納米兩種顆粒組成，10納米顆粒與200納米顆粒的體積比為90 10-95 5，小尺寸的納米顆粒可以為電極提供大的比表面積，增加電極的染料吸附量，大尺寸的納米顆粒作為散射中心對入射的太陽光進行散射和漫散射，提高電池的光捕獲效率。在ZnO納米線陣列3的表面印刷TW2漿料后，將復合薄膜在500°C燒結(jié)30分鐘，充分揮發(fā)掉TW2漿料中的有機物質(zhì)，使 TiO2納米顆粒之間的空間變成介孔，得到TW2納米晶多孔膜4。當燒結(jié)溫度降至80°C時取出，立即放入0. 3mM/L的釕配合物N719染料無水乙醇中浸泡M小時，溫度降至室溫后TW2 納米晶多孔膜4的介孔中會有大量氣體進入，阻礙染料的滲透與吸收；取出后用無水乙醇洗去表面殘留的染料，吹干，得到染料敏化復合光陽極；步驟5 染料敏化太陽能電池的組裝與光電性能測試，在敏化后的光陽極上滴加氧化還原電解質(zhì)[(配比為1. OM 1,3-dimethylimidazolium iodide,0. 05M Lil，0.1 M guanidinium thiocyanate,0. 03 M I2,and 0. 5 Mtert-butylpyridine)溶劑為乙腈與戊腈的混合溶液(體積比為85 1 ]，加蓋Pt對電極組裝成DSSC。在500W模擬太陽光光源氙燈照射下，輻射強度為lOOW/cm2，電池受光照面積0. 25cm2。如圖2所示，ZnO納米線陣列 DSSC的電池性能參數(shù)為開路電壓V。。為588mV，短路電流密度Jse為2. 70mA/cm2，填充因子 FF為0. 57，光電轉(zhuǎn)換效率為0. 90% ；TiO2納米晶多孔膜/ZnO納米線陣列DSSC的光電性能參數(shù)為開路電壓V。。為711mV，短路電流密度Jse為10. 69mA/cm2，填充因子FF為0. 62，光電轉(zhuǎn)換效率為4. 68%。與ZnO納米線陣列電池相比，TiO2納米晶多孔膜/ZnO納米線陣列 DSSC的開路電壓和短路電流密度都得到大幅度的提高，并且光電轉(zhuǎn)換效率取得大于5倍的提升。
權(quán)利要求
1.一種染料敏化太陽能電池高效復合光陽極的制備方法，其特征在于在透明基片上沉積摻^的ZnO薄膜；然后采用水熱化學反應(yīng)法在摻In的ZnO薄膜上生長ZnO納米線陣列；最后通過絲網(wǎng)印刷技術(shù)在ZnO納米線陣列的表面涂布一層TW2納米顆粒的分散溶液， 加熱使分散溶液中的有機溶劑揮發(fā)，得到孔狀TiO2納米晶多孔膜/ZnO納米線陣列復合薄膜，將TiO2納米晶多孔膜/ZnO納米線陣列復合薄膜在染料溶液中浸泡，取出后洗去表面殘留的染料溶液，晾干，得到染料敏化TW2納米晶多孔膜/ZnO納米線陣列復合薄膜光陽極。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的染料敏化太陽能電池高效復合光陽極的制備方法，其特征在于所述在透明基片上沉積摻^的ZnO薄膜是采用磁控濺射的方法，摻^的ZnO薄膜的厚度為 100-300nm。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的染料敏化太陽能電池高效復合光陽極的制備方法，其特征在于所述生長ZnO納米線陣列時，ZnO納米線陣列直接在摻h的ZnO薄膜上外延生長， 不需要在摻^的ZnO薄膜上沉積晶種層。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的染料敏化太陽能電池高效復合光陽極的制備方法，其特征在于在TW2納米晶多孔膜中，TW2納米顆粒由直徑約10納米和直徑約200納米兩種顆粒組成，10納米顆粒與200納米顆粒的體積比為90 10-95 5。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或4所述的染料敏化太陽能電池高效復合光陽極的制備方法，其特征在于所述在ZnO納米線陣列的表面印刷TW2漿料后，將復合薄膜在 500°C燒結(jié)30分鐘，溫度降至80°C時取出，立即放入0. 3mM/L的釕配合物N719染料無水乙醇中浸泡M小時；取出后用無水乙醇洗去表面殘留的染料，吹干，得到染料敏化復合光陽極。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的染料敏化太陽能電池高效復合光陽極的制備方法，其特征在于所述透明基片是玻璃基底或柔性塑料基底。
全文摘要
本發(fā)明涉及新能源的開發(fā)與利用研究領(lǐng)域，具體是一種染料敏化太陽能電池高效復合光陽極的制備方法，首先利用磁控濺射技術(shù)在透明基片上沉積摻In的ZnO薄膜；然后采用水熱化學反應(yīng)法在摻In的ZnO薄膜上生長ZnO納米線陣列；最后通過絲網(wǎng)印刷技術(shù)在ZnO納米線陣列的表面涂布一層TiO2納米顆粒的分散溶液，加熱使分散溶液中的有機溶劑揮發(fā)，得到孔狀TiO2納米晶多孔膜/ZnO納米線陣列復合光陽極結(jié)構(gòu)。此TiO2納米顆粒主要由直徑約10納米的小顆粒組成，同時其中分散了少量直徑約200納米的大顆粒。此復合光陽極不僅提高了光敏染料吸附量和光捕獲效率，而且提高了光生電子的輸運能力，提高了染料敏化太陽能電池的光電轉(zhuǎn)化效率。
文檔編號H01M14/00GK102290248SQ201110154688
公開日2011年12月21日 申請日期2011年6月10日 優(yōu)先權(quán)日2011年6月10日
發(fā)明者夏建白, 李京波, 李凱, 李慶躍, 池旭明, 王美麗 申請人:浙江東晶電子股份有限公司