CN102157265B - 一种染料敏化太阳能电池复合电极的制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种染料敏化太阳能电池复合电极及其制备方法，包括以下几个步骤：取普通玻璃的衬底；在衬底上制备掺F的SnO2透明导电膜，得到FTO玻璃衬底；在掺F的SnO2透明导电膜上制备TiO2纳米线阵列，TiO2纳米线阵列的优点在于能提供直接电子通路，减少电子复合；采用丝网印刷在制备好的TiO2纳米线阵列的表面印刷TiO2纳米晶多孔薄膜，TiO2纳米晶多孔薄膜的优点在于具有较高的比表面积，利于染料的吸附；退火，使TiO2纳晶多孔薄膜的TiO2浆料中的有机溶剂挥发，得到TiO2纳米线阵列/TiO2纳米晶多孔复合薄膜；将TiO2纳米线阵列/TiO2纳米晶多孔复合薄膜在染料溶液中浸泡，取出后洗去表面残留的染料溶液，晾干，得到TiO2纳米线阵列/纳晶多孔薄膜复合电极。
Description
技术领域
本发明涉及太阳能电池领域，具体涉及一种TiO2纳米线阵列和纳米晶多孔薄膜复合电极的制备方法。
背景技术
染料敏化太阳能电池因其结构相对简单、成本低廉，作为新一代太阳能电池而受到全世界的关注，被认为是能取代硅太阳能电池的新型太阳能电池。染料敏化太阳能电池主要有以下几个部分组成：光阳极、电解质和阴极。将光阳极和阴极制成密封的腔体，电解质被灌入该腔体中，这样就形成了染料敏化太阳能电池单元。传统的染料敏化太阳能电池光阳极普遍采用单纯的TiO2纳米晶多孔薄膜，多孔薄膜虽然能充分吸附染料，但存在大量晶界，使得电子扩散系数小，复合率高，制约了染料敏化太阳能电池光电转换效率的提高。而一维纳结构如纳米线、纳米管等虽能提供直接的电子通路，提高电子的扩散长度，减少电子复合，增加电子寿命，但其对染料的吸附量有限，这是制约通过单纯使用纳米线阵列做光阳极宋提高电池的光电转换效率的主要瓶颈。将TiO2纳米线阵列与纳晶多孔薄膜组成复合结构可在保证电子寿命的同时提高电极对染料的吸附性。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种TiO2纳米线阵列及TiO2纳米晶多孔薄膜复合结构电极的制备方法，该电极在保证能够充分吸附染料、具有较高的光捕获效率的同时提高了光生载流子的输运能力，减少光生载流子的复合率，从而提高染料敏化太阳能电池的光电转化效率。
本发明提供一种染料敏化太阳能电池复合电极的制备方法，包括以下几个步骤：
步骤1：取普通玻璃的衬底；
步骤2：在衬底上制备掺F的SnO2透明导电膜，得到FtO玻璃衬底；
步骤3：在掺F的SnO2透明导电膜上制备TiO2纳米线阵列，TiO2纳米线阵列的优点在于能提供直接电子通路，减少电子复合；
步骤4：采用丝网印刷在制备好的TiO2纳米线阵列的表面印刷TiO2纳米晶多孔薄膜，TiO2纳米晶多孔薄膜的优点在于具有较高的比表面积，利于染料的吸附：
步骤5：退火，使TiO2纳晶多孔薄膜的TiO2浆料中的有机溶剂挥发，得到TiO2纳米线阵列/TiO2纳米晶多孔复合薄膜，所述复合电极进行退火时，采取分步升温的方式，室温至150℃，升温速率为1-3℃/min，150℃-500℃升温速率为5℃/min，在500℃时保持20-40分钟，之后让其自然降温；
步骤6：将TiO2纳米线阵列/TiO2纳米晶多孔复合薄膜在染料溶液中浸泡，取出后洗去表面残留的染料溶液，晾干，得到TiO2纳米线阵列/纳晶多孔薄膜复合电极。
其中在SnO2透明导电膜上制备TiO2纳米线阵列采用的是水热法。
其中水热法采用钛酸四丁酯或四氯化钛作钛源、与盐酸和去离子水进行反应，钛源、盐酸与去离子水的体积比为1∶10∶30-1∶10∶10，水热反应的温度为120℃-180℃，水热反应的时间为6-24小时。
其中染料溶液为N719染料，在N719染料的有机溶液中浸泡的时间为24h。
其中丝网印刷的次数为1-5次，TiO2浆料每印刷一次，在120℃的烘箱中干燥5分钟。
其中对复合电极进行加热完毕后，在复合电极温度降到80℃时取出，放入染料溶液中进行浸泡，使复合电极对染料的吸附更加充分。
本发明的有益效果是：
在FTO玻璃衬底上用水热法合成TiO2纳米线阵列，并在其上用丝网印刷印制TiO2纳米晶多孔薄膜组成复合结构染料敏化太阳能电池光阳极，在保证电极能够充分吸附染料、具有较高的光捕获效率的同时提高了光生载流子的输运能力，减少了光生载流子的复合率，从而提高了染料敏化太阳能电池的光电转化效率。
通过改变反应前驱物中盐酸和去离子水的比例，钛酸四丁酯的浓度、反应时间和反应温度，可控制纳米线的直径和长度；通过控制印制的次数可控制TiO2纳米晶多孔薄膜的厚度，通过对这两方面的控制可实现TiO2纳米线及TiO2纳米晶多孔复合薄膜光阳极的可控制备。
附图说明
为使本发明的目的，技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明，其中：
图1是TiO2纳米线及TiO2纳米晶多孔薄膜复合光阳极的示意图。
具体实施方式
请参阅图1所示，本发明提供一种染料敏化太阳能电池纳米复合光阳极的制备方法，包括以下几个步骤：
步骤1：取普通玻璃的衬底1，将衬底1分别在丙酮、乙醇和去离子水各中超声20分钟，用氮气吹干后备用；
步骤2：在衬底1上制备掺F的SnO2透明导电膜2，得到FTO玻璃衬底；
步骤3：在掺F的SnO2透明导电膜2上制备TiO2纳米线阵列3，TiO2纳米线阵列3采用水热法制备，生长时采用钛酸四丁酯或四氯化钛作钛源、与盐酸和去离子水进行反应，其中钛源、盐酸与去离子水的体积比为1∶10∶30-1∶10∶10，将配好的溶液放入带聚四氟乙烯内衬的高压反应釜中，保持掺F的SnO2透明导电膜2面朝下倾斜放置在反应釜中，封釜；水热反应的温度为120℃-180℃，反应时间为6-24小时，反应结束后，将高压反应釜自然冷却至室温，取出沉积TiO2纳米线的FTO玻璃，用去离子水反复冲洗干净后在120℃干燥箱中干燥10小时，得到TiO2纳米线阵列3。反应后所得阵列3中纳米线的长度为1-10微米；该TiO2纳米线阵列3的优点在于能提供直接电子通路，减少电子复合；
步骤4：采用丝网印刷技术在制备好的TiO2纳米线薄膜3的表面印刷TiO2纳米晶多孔薄膜4，其中TiO2浆料的有效成分是P25(一种锐钛矿与金红石相TiO2纳米颗粒的混合物，锐钛矿与金红石相TiO2的质量比为2∶1)或纯锐钛矿相TiO2纳米颗粒，纳米颗粒采用水热法或溶胶-凝胶法制备，平均粒径是25-50nm，TiO2浆料的溶剂为松油醇等有机物质。在进行丝网印刷时，首先用乙醇对印刷板和刮板进行清洗，然后对其用吹风机吹干，最后调节好丝网印刷板上网眼与TiO2纳米线阵列3的位置。所述丝网印刷的次数为1-5次，TiO2浆料每印刷一次，在120℃的烘箱中干燥5分钟，防止多次印刷时已经印刷好的TiO2浆料层与丝网印刷板粘连。
步骤5：在马弗炉中退火，使TiO2纳晶多孔薄膜4的TiO2浆料中的有机溶剂挥发，得到TiO2纳米线阵列/TiO2纳米晶多孔复合薄膜；退火时采取分步升温的方式，室温至150℃，升温速率为1-3℃/min，150℃-500℃升温速率为5℃/min，在500℃时保持20-40分钟。所得薄膜4厚度为2-10微米。TiO2纳米晶多孔薄膜4的优点在于具有较高的比表面积，利于染料的吸附；
步骤6：退火完毕后，在温度降到80℃时取出，放入染料溶液中进行浸泡，使TiO2纳米线阵列/TiO2纳米晶多孔复合薄膜对染料的吸附更加充分。浸泡所用染料溶液的溶质为N719(分子式为C58H86O8N8S2Ru，分子量为1187.7)，溶剂为乙醇或乙腈/叔丁醇(体积比为1∶1)的混合溶液，染料溶液浓度为3×10-4mol/L。浸泡时将上述步骤中得到的TiO2纳米线阵列/TiO2纳米晶多孔复合薄膜面朝上水平放入大小合适的有盖容器中，所放染料溶液的量需没过复合薄膜表面，加盖后用保鲜膜密封，防止染料挥发，之后用锡箔纸包裹以避光。浸泡时间为24h，24h后取出，用乙醇或乙腈反复冲洗(染料溶剂为乙醇则用乙醇冲洗，染料溶剂为乙腈/叔丁醇则用乙腈冲洗)以去除表面残留的染料溶液，冲洗后用电吹风吹干或自然晾干，得到TiO2纳米线阵列/纳晶多孔薄膜复合电极。
通过改变反应前驱物中盐酸和去离子水的比例，改变钛源的浓度、反应时间和反应温度，可控制纳米线的直径和长度；通过控制丝网印刷的次数可控制TiO2纳米晶多孔薄膜的厚度，通过对以上两方面的控制可实现对TiO2纳米线/TiO2纳米晶多孔复合薄膜电极的可控制备。
在TiO2纳米线/TiO2纳米晶多孔复合薄膜电极中，TiO2纳米线减少了光生载流子的复合率，提高了光生载流子的输运能力；TiO2纳米晶多孔薄膜可以保证电极能够充分吸附染料、具有较高的光捕获效率。因此，该复合电极能够提高染料敏化太阳能电池的光电转化效率。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的权利要求范围之内。
Claims (6)
1.一种染料敏化太阳能电池复合电极的制备方法，包括以下几个步骤：
步骤1：取普通玻璃的衬底；
步骤2：在衬底上制备掺F的SnO2透明导电膜，得到FTO玻璃衬底：
步骤3：在掺F的SnO2透明导电膜上制备TiO2纳米线阵列，TiO2纳米线阵列的优点在于能提供直接电子通路，减少电子复合；
步骤4：采用丝网印刷在制备好的TiO2纳米线阵列的表面印刷TiO2纳米晶多孔薄膜，TiO2纳米晶多孔薄膜的优点在于具有较高的比表面积，利于染料的吸附；
步骤5：退火，使TiO2纳晶多孔薄膜的TiO2浆料中的有机溶剂挥发，得到TiO2纳米线阵列/TiO2纳米晶多孔复合薄膜，所述复合电极进行退火时，采取分步升温的方式，室温至150℃，升温速率为1-3℃/min，150℃-500℃升温速率为5℃/min，在500℃时保持20-40分钟，之后让其自然降温；
步骤6：将TiO2纳米线阵列/TiO2纳米晶多孔复合薄膜在染料溶液中浸泡，取出后洗去表面残留的染料溶液，晾干，得到TiO2纳米线阵列/纳晶多孔薄膜复合电极。
2.根据权利要求1所述的染料敏化太阳能电池复合电极的制备方法，其中在SnO2透明导电膜上制备TiO2纳米线阵列采用的是水热法。
3.根据权利要求2所述的染料敏化太阳能电池复合电极的制备方法，其中水热法采用钛酸四丁酯或四氯化钛作钛源、与盐酸和去离子水进行反应，钛源、盐酸与去离子水的体积比为1∶10∶30-1∶10∶10，水热反应的温度为120℃-180℃，水热反应的时间为6-24小时。
4.根据权利要求1所述的染料敏化太阳能电池复合电极的制备方法，其中染料为N719染料，在N719染料的有机溶液中浸泡的时间为24h。
5.根据权利要求1所述的染料敏化太阳能电池复合电极的制备方法， 其中丝网印刷的次数为1-5次，TiO2浆料每印刷一次，在120℃的烘箱中干燥5分钟。
6.根据权利要求1所述的染料敏化太阳能电池复合电极的制备方法，其中对复合电极进行加热完毕后，在复合电极温度降到80℃时取出，放入染料溶液中进行浸泡，使复合电极对染料的吸附更加充分。
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