CN102623190A - 一种提高染料敏化太阳能电池光电转换效率的方法 - Google Patents

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赵兴中
梁亮亮
刘钰旻
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Abstract

本发明公开了一种提高染料敏化太阳能电池光电转换效率的方法，该方法以含+2或+3价金属元素的无机盐为P型掺杂源对二氧化钛纳米多孔薄膜光阳极进行掺杂，可以提高二氧化钛多孔薄膜中载流子浓度和电导率，将经过微量P型掺杂的二氧化钛多孔薄膜用于染料敏化太阳能电池的光阳极，可有效提高染料敏化太阳能电池的短路电流，进而提高染料敏化太阳能电池的光电转化效率。

Description

一种提高染料敏化太阳能电池光电转换效率的方法
技术领域
本发明属于染料敏化太阳能电池光阳极研究领域，涉及一种提高染料敏化太阳能电池光电转换效率的方法。
背景技术
染料敏化太阳能电池主要是模仿光合作用原理，研制出来的一种新型太阳能电池，其主要优势是：原材料丰富、成本低、工艺技术相对简单，在大面积工业化生产中具有较大的优势，同时所用原材料和生产工艺过程都是无毒、无污染的，并且部分原材料可以得到充分的回收，对保护人类环境具有重要的意义。染料敏化太阳能电池的光电转换效率主要取决于电池的短路电流、开路电压和填充因子。目前已经报道在实验室中得到的染料敏化太阳能电池最高光电转换效率约为12.3％，距离产业化应用还有较大差距。
为了提高染料敏化太阳能电池的光电转换效率，在电池的光阳极方面，主要采用纳米管、纳米棒、核壳结构等多种新型结构的材料作为电池的光阳极，从而提高光生电子的传输、减小光生电子的复合、提高染料吸附率。也有通过用作电池光阳极的TiO2进行掺杂来调整TiO2价带或导带的位置，从而调整TiO2对可见光的吸收区域和改变TiO2费米能级，既而实现对电池开路电压等方面的调整。目前对用作电池光阳极的TiO2的掺杂研究中，一般按原子比在0.1％～10％范围内加入金属或非金属元素，通过微量掺杂来调整TiO2载流子数目和光阳极电导率方面的研究几乎还没有人进行探索。
发明内容
本发明的目的是提供一种提高染料敏化太阳能电池光电转换效率的方法，该方法通过对染料敏化太阳能电池的二氧化钛阳极进行P型微量掺杂，以增加二氧化钛的载流子浓度和电导率，从而显著提高染料敏化太阳能电池的短路电流和光电转化效率。
为达到上述目的，本发明采用如下的技术方案：
一种提高染料敏化太阳能电池光电转换效率的方法，该方法是以含+2或+3价金属元素的无机盐为P型掺杂源对二氧化钛纳米多孔薄膜光阳极进行掺杂。具体方法为：以含+2或+3价金属元素的无机盐为P型掺杂源，采用水热法制备P型掺杂二氧化钛浆料，并用涂膜法制备P型掺杂二氧化钛纳米多孔薄膜光阳极。
上述掺杂源的加入量为：掺杂源中金属元素的原子数为钛源中钛元素的百万分之十至百万分之九十。采用水热法制备P型掺杂二氧化钛浆料中的钛源为异丙醇态。
上述含+2或+3价金属元素的无机盐为硝酸盐，所述的硝酸盐为硝酸钇或硝酸镁。
染料敏化太阳能电池的光阳极由透明FTO导电玻璃和二氧化钛多孔薄膜两部分组成，采用本发明方法对其中的二氧化钛多孔薄膜电极进行微量P型掺杂，以提高二氧化钛多孔薄膜中载流子浓度和电导率，将经过微量P型掺杂的二氧化钛多孔薄膜用于染料敏化太阳能电池的光阳极，可有效提高染料敏化太阳能电池的短路电流，进而提高染料敏化太阳能电池的光电转化效率。
与现有技术相比，本发明具有以下优点和有益效果：
1、本发明方法可有效提高染料敏化太阳能电池的短路电流以及光电转化效率；
2、本发明方法采用极微量的P型掺杂源即可实现显著提高染料敏化太阳能电池的短路电流以及光电转化效率，极大的节约了成本；
3、本发明方法成本低廉，工艺简单，重复性好。
附图说明
图1为Y3+掺杂的染料敏化太阳能电池的I-V曲线图；
图2为Mg2+掺杂的染料敏化太阳能电池的I-V曲线图。
具体实施方式
下面将结合实施例进一步说明本发明。
实例1
1)取10ml异丙醇钛和2.1g冰醋酸混合，超声2min使其混合均匀；向锥形瓶中加入50mL去离子水，将异丙醇钛与冰醋酸的混合液倒入锥形瓶中，室温下搅拌进行水解和缩聚反应，1小时后向锥形瓶中加入0.68mL浓硝酸，升温至80摄氏度，进行解胶反应。
2)解胶3小时后，将溶胶进行抽滤操作，然后将滤液定容至63ml，倒入水热釜中，升温至220℃进行水热反应12小时。
3)向水热反应产物中滴加0.4ml浓硝酸，室温搅拌15分钟，放入超声仪中，设定功率为300W，超声30分钟后，旋转蒸馏至溶液体积为20ml，然后添加0.56g造孔剂聚乙二醇和0.5ml曲拉通X-100，室温搅拌12小时，得到水热浆料。
4)将水热浆料用玻璃棒涂到FTO导电玻璃上，于60℃下烘干，然后放入退火炉中，在500℃下保温30分钟，得到未掺杂的二氧化钛光阳极。
5)采用N719染料敏化二氧化钛光阳极，并滴加氧化还原电解质于该掺杂电极上，加盖铂对电极组装成染料敏化太阳能电池。本步骤中所采用的氧化还原电解质组成为：0.1L/mol 1-丙基-3-甲基咪唑碘、0.05L/mol LiI，0.1L/mol硫氰酸胍(GuNCS)，0.03L/mol I2，0.5L/mol 4-叔丁基吡啶，溶剂为碳酸丙烯脂与乙腈的混合溶液，其中，碳酸丙烯脂与乙腈的体积比为1∶1。
6)测量所得染料敏化太阳能电池的光电能量转换效率：
测试条件：采用美国的Oriel 91192型号的标准500W模拟太阳光氙灯作为光源，辐照强度为80W/cm2，电池受光照面积为0.25cm2
测量方法：采用传统电化学站电池测试法测量电池I-V曲线图，并从该曲线中读取开路电压VOC、短路电流密度JSC，并通过公式
Figure BDA0000154607540000031
计算电池的光电转换效率η，该公式中，FF为电池的填充因子，
Figure BDA0000154607540000032
Vmax为电池输出功率最大时所对应的电压，Jmax为电池输出功率最大点时所对应的电流密度，Vmax和Jmax均可从电池的I-V曲线图中读取，Pin表示入射强度。
测量结果：开路电压VOC为0.698V，短路电流密度JSC为8.462mA/cm2，光电转化效率η为5.176％。
实例2
1)取10ml异丙醇钛和2.1g冰醋酸混合，超声2min使其混合均匀。按钇原子数为钛原子数的百万分之十，向锥形瓶中加入硝酸钇水溶液，所用的硝酸钇水溶液浓度为3.275×10-4mol/L，再加入去离子水将体积调整到50mL。将异丙醇钛与冰醋酸的混合液倒入锥形瓶中，室温下搅拌进行水解和缩聚反应，1小时后向锥形瓶中加入0.68mL浓硝酸，升温至80摄氏度，进行解胶反应。
2)～5)同实施例1的步骤2)～5)。
6)测量所得染料敏化太阳能电池的光电能量转换效率：
测量试条件和测量方法同实施例1。
测量结果：开路电压VOC为0.733V，短路电流密度JSC为8.772mA/cm2，光电转化效率η为5.553％。
实例3
1)取10ml异丙醇钛和2.1g冰醋酸混合，超声2min使其混合均匀。按钇原子数为钛原子数的百万分之三十，向锥形瓶中加入硝酸钇水溶液，所用的硝酸钇水溶液浓度为3.275×10-4mol/L，再加入去离子水将体积调整到50mL。将异丙醇钛与冰醋酸的混合液倒入锥形瓶中，室温下搅拌进行水解和缩聚反应，1小时后向锥形瓶中加入0.68mL浓硝酸，升温至80摄氏度，进行解胶反应。
2)～5)同实施例1的步骤2)～5)。
6)测量所得染料敏化太阳能电池的光电能量转换效率：
测量试条件和测量方法同实施例1。
测量结果：开路电压VOC为0.719V，短路电流密度JSC为8.928mA/cm2，光电转化效率η为5.648％。
实例4
1)取10ml异丙醇钛和2.1g冰醋酸混合，超声2min使其混合均匀。按钇原子数为钛原子数的百万分之六十，向锥形瓶中加入硝酸钇水溶液，所用的硝酸钇水溶液浓度为3.275×10-4mol/L，再加入去离子水将体积调整到50mL。将异丙醇钛与冰醋酸的混合液倒入锥形瓶中，室温下搅拌进行水解和缩聚反应，1小时后向锥形瓶中加入0.68mL浓硝酸，升温至80摄氏度，进行解胶反应。
2)～5)同实施例1的步骤2)～5)。
6)测量所得染料敏化太阳能电池的光电能量转换效率：
测量试条件和测量方法同实施例1。
测量结果：开路电压VOC为0.716V，短路电流密度JSC为10.662mA/cm2，光电转化效率η为6.785％。
实例5
1)取10ml异丙醇钛和2.1g冰醋酸混合，超声2min使其混合均匀。按钇原子数为钛原子数的百万分之九十，向锥形瓶中加入硝酸钇水溶液，所用的硝酸钇水溶液浓度为3.275×10-4mol/L，再加入去离子水将体积调整到50mL。将异丙醇钛与冰醋酸的混合液倒入锥形瓶中，室温下搅拌进行水解和缩聚反应，1小时后向锥形瓶中加入0.68mL浓硝酸，升温至80摄氏度，进行解胶反应。
2)～5)同实施例1的步骤2)～5)。
6)测量所得染料敏化太阳能电池的光电能量转换效率：
测量试条件和测量方法同实施例1。
测量结果：开路电压VOC为0.709V，短路电流密度JSC为9.341mA/cm2，光电转化效率η为5.786％。
实例6
1)取10ml异丙醇钛和2.1g冰醋酸混合，超声2min使其混合均匀。按镁原子数为钛原子数的百万分之十，向锥形瓶中加入硝酸镁水溶液，所用的硝酸镁水溶液浓度为3.275×10-4mol/L，再加入去离子水将体积调整到50mL。将异丙醇钛与冰醋酸的混合液倒入锥形瓶中，室温下搅拌进行水解和缩聚反应，1小时后向锥形瓶中加入0.68mL浓硝酸，升温至80摄氏度，进行解胶反应。
2)～5)同实施例1的步骤2)～5)。
6)测量所得染料敏化太阳能电池的光电能量转换效率：
测量试条件和测量方法同实施例1。
测量结果：开路电压VOC为0.704V，短路电流密度JSC为9.152mA/cm2，光电转化效率η为5.679％。
实例7
1)取10ml异丙醇钛和2.1g冰醋酸混合，超声2min使其混合均匀。按镁原子数为钛原子数的百万分之二十，向锥形瓶中加入硝酸镁水溶液，所用的硝酸镁水溶液浓度为3.275×10-4mol/L，再加入去离子水将体积调整到50mL。将异丙醇钛与冰醋酸的混合液倒入锥形瓶中，室温下搅拌进行水解和缩聚反应，1小时后向锥形瓶中加入0.68mL浓硝酸，升温至80摄氏度，进行解胶反应。
2)～5)同实施例1的步骤2)～5)。
6)测量所得染料敏化太阳能电池的光电能量转换效率：
测量试条件和测量方法同实施例1。
测量结果：开路电压VOC为0.691V，短路电流密度JSC为10.057mA/cm2，光电转化效率η为6.165％。
实例8
1)取10ml异丙醇钛和2.1g冰醋酸混合，超声2min使其混合均匀。按镁原子数为钛原子数的百万分之三十，向锥形瓶中加入硝酸镁水溶液，所用的硝酸镁水溶液浓度为3.275×10-4mol/L，再加入去离子水将体积调整到50mL。将异丙醇钛与冰醋酸的混合液倒入锥形瓶中，室温下搅拌进行水解和缩聚反应，1小时后向锥形瓶中加入0.68mL浓硝酸，升温至80摄氏度，进行解胶反应。
2)～5)同实施例1的步骤2)～5)。
6)测量所得染料敏化太阳能电池的光电能量转换效率：
测量试条件和测量方法同实施例1。
测量结果：开路电压VOC为0.690V，短路电流密度JSC为9.003mA/cm2，光电转化效率η为5.499％。
实例9
1)取10ml异丙醇钛和2.1冰醋酸混合，超声2min使其混合均匀。按镁原子数为钛原子数的百万分之五十，向锥形瓶中加入硝酸镁水溶液，所用的硝酸镁水溶液浓度为3.275×10-4mol/L，再加入去离子水将体积调整到50mL。将异丙醇钛与冰醋酸的混合液倒入锥形瓶中，室温下搅拌进行水解和缩聚反应，1小时后向锥形瓶中加入0.68mL浓硝酸，升温至80摄氏度，进行解胶反应。
2)～5)同实施例1的步骤2)～5)。
6)测量所得染料敏化太阳能电池的光电能量转换效率：
测量试条件和测量方法同实施例1。
测量结果：开路电压VOC为0.685V，短路电流密度JSC为8.762mA/cm2，光电转化效率η为5.383％。
表1为实施例1～9的测量结果，从表中可以明显的看出，采用本发明方法是可以明显提高染料敏化太阳能电池的光电转化效率。
表1
Figure BDA0000154607540000061

Claims (5)

1.一种提高染料敏化太阳能电池光电转换效率的方法，其特征在于：
以含+2或+3价金属元素的无机盐为P型掺杂源对二氧化钛纳米多孔薄膜光阳极进行掺杂。
2.根据权利要求1所述的提高染料敏化太阳能电池光电转换效率的方法，其特征在于：所述的以含+2或+3价金属元素的无机盐为P型掺杂源对二氧化钛纳米多孔薄膜光阳极进行掺杂步骤进一步为：以含+2或+3价金属元素的无机盐为P型掺杂源，采用水热法制备P型掺杂二氧化钛浆料，并用涂膜法制备P型掺杂二氧化钛纳米多孔薄膜光阳极。
3.根据权利要求1或2所述的提高染料敏化太阳能电池光电转换效率的方法，其特征在于：所述掺杂源的加入量为：掺杂源中金属元素的原子数为钛源中钛元素的百万分之十至百万分之九十。
4.根据权利要求1或2所述的提高染料敏化太阳能电池光电转换效率的方法，其特征在于：所述的含+2或+3价金属元素的无机盐为硝酸盐。
5.根据权利要求4所述的提高染料敏化太阳能电池光电转换效率的方法，其特征在于：所述的硝酸盐为硝酸钇或硝酸镁。
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