CN101419867B - 一种染料敏化太阳能电池的纳米复合电极的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种染料敏化太阳能电池的纳米复合电极的制备方法，该方法包括：利用阳极氧化的方法首先在透明导电基底上制备TiO2纳米管阵列；然后在TiO2纳米管阵列表面涂布一层TiO2纳米颗粒的分散溶液；最后通过加热的方式使TiO2纳米颗粒与TiO2纳米管结合在一起，并且使分散溶液的溶剂挥发，得到染料敏化太阳能电池的半导体复合电极结构。由于在制备有序纳米管阵列结构的基础上，将TiO2纳米颗粒与TiO2纳米管结合，使相对于单一的纳米管阵列电极的表面积增加，可以吸附更多的染料，从而增加太阳能电池的光电效率；同时，纳米颗粒层可以作为透射过纳米管阵列光线的漫反射层，使得光线在管中传播时间更长，增大了激发染料的概率。

Description

一种染料敏化太阳能电池的纳米复合电极的制备方法
技术领域
本发明是关于太阳能光电利用领域中的染料敏化太阳能电池技术，具体涉及一种染料敏化太阳能电池的纳米复合电极的制备方法。
背景技术
法国科学家Henri Becquerel于1839年首次观察到光电转化现象，但是直到1954年第一个可实用性的半导体太阳能电池的问世，将“太阳能转化成电能”的想法真正变成现实。太阳能电池有多种类型。如果所使用的材料是在可见区有一定吸收的窄带隙半导体材料，则这类太阳能电池称为半导体太阳能电池。由于宽带隙半导体本身捕获太阳光的能力非常差，但如果将适当的染料吸附到半导体表面上，借助于染料对可见光的强吸收，则可以将太阳能转化为电能，从而提高太阳能电池的转化效率，这类电池称为染料敏化太阳能电池。1991年，瑞士科学家Gr
Figure G2008102239064D0001172105QIETU
tzel等人将纳米技术应用到染料敏化太阳能电池中，使得其转化效率提高到7％，由此染料敏化纳米晶太阳能电池(即Gr
Figure 2008102239064100002G2008102239064D0001172105QIETU
tzel电池)随之诞生并得以快速发展。
染料敏化纳米晶太阳能电池的电极是用纳米颗粒烧结在一起形成的，因而具有极大的比表面积。由于直接与电极接触的染料才能将激发的电子注入至电极中，更大的比表面积能吸附更多有效吸附的染料，从而提高电池的效率。然而纳米颗粒烧结形成的网状结构电极也有其问题：纳米颗粒的间界处由于颗粒形状以及晶格结构的不同往往存在着大量的位错和缺陷，降低了光生电子在电极之中的迁移率，从而大大增加光生电子与空穴复合的几率；纳米颗粒结合形成的网状结构是无序的，这使得电子从激发到收集至导电基底的路径加长，从而也增大了光生电子与空穴符合的几率，造成光生电子的损失；纳米晶颗粒与导电基底的接触并不完全，这样就有一部分导电基底表面与电解质直接接触，电子与电解质中的氧化剂发生反应，从而造成了光生电子的损失。
针对上面提到的各种问题世界各地的科学家们尝试采用有序的半导体纳米结构代替纳米颗粒网状结构作为染料敏化电池的电极，并且获得了一些有意义的结果。2001年，美国科学家Grimes等报道了以Ti为基体，利用电化学阳极氧化的方法在HF电解液中制备出均匀有序的TiO2纳米管阵列，随后在不同含氟溶液研究实验证明，纳米管阵列作为电极相对于纳米晶薄膜电极更完整，存在更少的缺陷和位错，因而可以提高光生电子传输到导电基底的概率，从而提高制备的太阳能电池的效率；同时，注入TiO2电极中的电子到达导电基底的路径也大为缩短，降低了光生电子在输运过程中复合的几率。然而，目前使用纳米管阵列作为电极制备的染料敏化电池，但其实际的转化效率还远比不上传统的纳米晶染料电池，这主要是由于前者的有序电极结构在比表面积上损失较多，从而影响了电池的效率。
发明内容
本发明克服了现有技术中的不足，提供了一种染料敏化太阳能电池的纳米复合电极的制备方法，该方法有效提高了电池的转化效率。
本发明的技术方案是：
一种染料敏化太阳能电池的半导体复合电极结构的制备方法，其步骤包括：利用阳极氧化方法首先在透明导电基底上制备TiO2纳米管阵列；然后在TiO2纳米管表面涂布一层TiO2纳米颗粒的分散溶液；最后通过加热的方式使TiO2纳米颗粒与TiO2米管结合在一起，并且使分散溶液的溶剂挥发，得到染料敏化电池的半导体复合电极结构。
在阳极氧化制备工艺中，需通过磁控溅射方式在导电基底上制备一致密性好的Ti薄膜，然后放入腐蚀溶液进行阳极氧化，腐蚀溶液可使用NH4F或NaF的有机溶液。
由于阳极氧化法制备TiO2纳米管阵列是通过对磁控溅射形成的Ti薄膜做腐蚀，经过控制电压在15V至20V之间，可以在TiO2纳米管阵列和透明导电基底之间保留一层厚度为10nm—100nm的Ti薄膜，这层Ti薄膜经过后续的加热可以氧化为TiO2。
使用旋涂法在纳米管表面涂布TiO2纳米颗粒的分散溶液时，旋涂速度控制在1200转/秒——1600转/秒之间，时间为200秒—300秒。保证纳米颗粒的分散溶液层均匀分布于基片表面。为了保证TiO2电极的电子传输性能，要求TiO2纳米颗粒相对均匀的分布于纳米管管壁，并且颗粒层数足够少，在TiO2纳米颗粒的分散溶液中，TiO2纳米颗粒:去离子水：曲拉通X-100的质量百分比为30:1000:8。
进行加热时，要采取分步升温的方式，即在70℃—90℃时需要保持10分钟—60分钟，然后快速升温到440℃—500℃，保持60分钟—90分钟。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
由于本发明在制备有序纳米管阵列结构的基础上，将TiO2纳米颗粒与TiO2纳米管结合，使相对于单一的纳米管阵列电极的表面积增加，可以吸附更多的染料，从而增加太阳能电池的光电效率；同时，纳米颗粒层可以作为透射过纳米管阵列光线的漫反射层，使得光线在管中传播时间更长，增大了激发染料的概率。
进一步，阳极氧化工艺后在纳米管阵列与透明导电基底残存的Ti薄膜经过高温退火形成一层TiO2薄膜，它避免了透明导电基底直接与染料敏化电池的电解质接触，从而避免了基底的电子与电解质中的氧化剂反应而产生电荷损失。
附图说明
图1所示阳极氧化法在导电基底表面制备TiO2纳米管阵列；其中，(a)为制备的TiO2纳米管阵列截面图；(b)为TiO2纳米管阵列的俯视图。
图2所示在制备好纳米管阵列的基片表面旋涂TiO2纳米颗粒分散溶液；
图3所示一定温度下退火后纳米颗粒与纳米管结合，且纳米管阵列与基底之间的Ti金属薄膜氧化为TiO2薄膜。
图中，1—纳米管；2—Ti薄层；3—FTO导电玻璃；4—TiO2纳米颗粒；5—TiO2纳米颗粒的分散溶液。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细描述：
透明导电基片采用日本Nippon Sheet Glass公司的FTO(掺F的氧化锡)导电玻璃。导电玻璃经过超声水浴清洗后烘干放入磁控溅射腔中。溅射在Ar气气氛中进行，溅射功率1000W，衬底温度为室温，溅射的沉积速率为10nm/min。最终在导电玻璃表面沉积了厚度为2um的致密Ti金属薄膜。
接着对样品进行阳极氧化工艺制备TiO2纳米管阵列。将样品接恒压源正电极，Pt片接负电极，放入腐蚀溶液中进行阳极氧化操作。腐蚀溶液为0.5wt％的NH4F乙二醇溶液，正负电极间电压为20V，加电压时间为100min。实验结束了取出样品，放入无水乙醇中清洗。经过扫描电子显微镜观测，纳米管内径约100nm，长度约2um，且在纳米管阵列与导电基底之间存在约50nm厚的Ti薄层。图1为阳极氧化工艺制备的TiO2纳米管阵列的示意图。
将德国Degussa公司生产的商业TiO2的P25颗粒0.3g放入10ml去离子水中，并将0.1ml曲拉通X-100溶液中充分搅拌至溶液呈现半透明状态。
将基片从无水乙醇中取出，烘干后使用匀胶机进行旋涂操作。将基片放置于匀胶机载台上，滴上若干滴TiO2纳米颗粒分散溶液，匀胶机转速设定为1500转/秒，时间设定为200秒。TiO2纳米管阵列上旋涂了TiO2纳米颗粒分散溶液后如图2所示。
旋涂操作后取下基片，80℃下烘烤10min去除水分，再将基片置于马弗炉中450℃下烘烤一个小时。烘烤后的电极的TiO2纳米颗粒吸附于纳米管管壁上，并且纳米管阵列与基底之间的Ti薄层也氧化为TiO2薄膜。通过扫描电子显微镜对TiO2电极截面的观测，纳米颗粒分布较为均匀，几乎不存在颗粒团聚现象。
将上面制备的电极样品(如图3所示)组装成染料敏化太阳能电池，测试性能发现，相对于没有涂覆TiO2纳米颗粒的纳米管阵列工作电极的染料敏化太阳能电池，本方法可以将电池效率平均提高35％。
上述实施例提供了一种优化了染料敏化太阳能电池的半导体复合电极结构的制备方案，本发明不仅局限于此实施例，可以根据实际需要和设计要求做出相应的修改，例如：
实施例中提供了用阳极氧化工艺制备TiO2纳米管阵列的具体实现，其中，相应的纳米管阵列与基底之间的Ti薄层结构可通过调整电压和加压时间等参数控制其厚度。
另外，旋涂TiO2纳米颗粒的分散溶液工艺中，旋涂速度可控制在1200转/秒——1600转/秒之间，时间为200秒—300秒。
此外，采取分步升温的方式为，在70℃—90℃时可保持10分钟—60分钟，然后快速升温到440℃—500℃，保持60分钟—90分钟。
以上通过详细实施例描述了本发明所提供了染料敏化太阳能电池的半导体复合电极结构的制备方法，本领域的技术人员应当理解，在不脱离本发明实质的范围内，可以对本发明做一定的变形或修改；其制备方法也不限于实施例中所公开的内容。

Claims (6)

1.一种染料敏化太阳能电池的半导体复合电极结构的制备方法，其步骤包括：
1)利用阳极氧化方法，在透明导电基底上制备TiO2纳米管阵列；
2)在TiO2纳米管阵列表面涂布一层TiO2纳米颗粒的分散溶液，TiO2纳米颗粒的直径小于TiO2纳米管的直径；
3)加热使TiO2纳米颗粒与TiO2纳米管结合在一起，并且使分散溶液的溶剂挥发，得到染料敏化太阳能电池的半导体复合电极结构。
2.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤1)的制备工艺中，首先在导电基底上通过磁控溅射方式制备一Ti膜，然后放入腐蚀溶液进行阳极氧化，腐蚀溶液使用NH4F或NaF的有机溶液。
3.如权利要求2所述的制备方法，其特征在于，Ti膜的厚度为1um-10um之间，阳极氧化的电压控制在15V至20V之间，阳极氧化后，在TiO2纳米管阵列和透明导电基底之间残留一厚度为10nm-100nm的Ti薄层。
4.如权利要求1、2或3所述的制备方法，其特征在于，步骤2)中，使用旋涂法在纳米管表面涂布TiO2纳米颗粒的分散溶液，旋涂速度控制在1200转/秒——1600转/秒之间，时间为200秒-300秒。
5.如权利要求4所述的制备方法，其特征在于，TiO2纳米颗粒的分散溶液中，TiO2纳米颗粒∶去离子水∶曲拉通X-100的质量百分比为30∶1000∶8。
6.如权利要求1或3所述的制备方法，其特征在于，步骤3)中，进行加热时，要采取分步升温的方式，在70℃-90℃，保持10分钟-60分钟，然后快速升温到440℃-500℃，保持60分钟-90分钟。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101572190B (zh) * 2009-06-02 2012-01-04 彩虹集团公司 一种有机载体体系的TiO2浆料的制备方法
CN101728083B (zh) * 2009-12-17 2013-04-17 大连水产学院 染料敏化太阳能电池用分级结构光阳极及其制备方法
CN102157264A (zh) * 2011-01-26 2011-08-17 浙江大学 染料敏化太阳能电池所用的复合膜制备方法
CN102280259A (zh) * 2011-03-21 2011-12-14 中国科学院半导体研究所 染料敏化太阳能电池纳米复合光阳极的制备方法
CN102899701B (zh) * 2012-09-13 2016-01-13 上海交通大学 Al2O3陶瓷基底上TiO2纳米管有序阵列的制备
CN106783188B (zh) * 2016-12-29 2018-11-06 西北工业大学 一种染料敏化太阳能电池光阳极及其制备方法

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
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