CN102637532B - 含有纳米电缆的染料敏化太阳电池光阳极及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于太阳电池技术领域，具体涉及一种将金属引入TiO2纳米棒阵列的染料敏化太阳电池光阳极及其制备方法。其中含有纳米电缆的染料敏化太阳电池光阳极，包括掺氟氧化锡玻璃以及附着在掺氟氧化锡玻璃表面的纳米TiO2颗粒层，纳米TiO2颗粒层中包含有Ag/TiO2纳米电缆。本发明的电子传输速率高，能够更有效地将电子传递到外电路的同时，不减少染料的吸附量，大大提高了光电转换效率，本发明的制备方法操作简单，成本低廉，副产物少。

Description

含有纳米电缆的染料敏化太阳电池光阳极及其制备方法
技术领域
本发明属于太阳电池技术领域，具体涉及一种将金属引入TiO2纳米棒阵列的染料敏化太阳电池光阳极及其制备方法。
背景技术
染料敏化太阳电池作为一种新型的低碳环保装置，在开发新能源领域已经得到了越来越多研究者的重视，光阳极是整个电池的核心部件，负责捕获光子、产生电子、注入电子、传输电子的重要作用，直接影响了电池性能的好坏。
目前集中在光阳极部分一个很突出的问题就是较低的电子传输速率。传统的光阳极使用的是纳晶颗粒膜，虽然纳晶颗粒膜有很大的比表面积能增加染料的吸附量，但是颗粒膜内晶界数目众多、高温煅烧过程中颗粒与颗粒之间极易形成无定形层，并且各个颗粒所处的化学环境不同，使它不能为电子的传递提供有效的直接的通道。在此基础上，也有人通过二氧化钛纳米线、纳米棒、纳米管等组成阵列膜对传统颗粒膜进行了改进，虽然利用阵列膜能为电子的传递提供直接的路径，但是由于阵列膜的比表面积不大，这就造成阵列膜的染料负载量少，那么在光照下产生的光生电荷总量就不多，因此传输电子的速率就大大受限。
发明内容
为了解决现有技术中的染料敏化太阳电池的光阳极所存在的不足，本发明提供了一种电子传输速率较高、染料吸附量多的染料敏化太阳电池光阳极。
同时，本发明解决的另一个技术问题是提供了一种能够有效加快电子传输速率的含有纳米电缆的染料敏化太阳电池光阳极的制备方法。
解决上述技术问题所采用的技术方案是：其包括掺氟氧化锡玻璃以及附着在掺氟氧化锡玻璃表面的纳米TiO2颗粒层，纳米TiO2颗粒层中包含有Ag/TiO2纳米电缆。
上述Ag/TiO2纳米电缆的直径为150～200nm，长度为3～8μm。
上述Ag/TiO2纳米电缆占纳米TiO2颗粒层的质量百分比为0.5％～20％。
上述Ag/TiO2纳米电缆占纳米TiO2颗粒层的质量百分比为1～5％。
上述Ag/TiO2纳米电缆的一端与掺氟氧化锡玻璃联接。
上述Ag/TiO2纳米电缆在纳米TiO2颗粒层中呈纳米阵列分布。
上述的含有纳米电缆的染料敏化太阳电池光阳极的制备方法，包含以下步骤：
1)合成Ag/TiO2纳米电缆
将硝酸银、乙二醇混匀后加入钛酸丁脂，硝酸银、乙二醇和钛酸丁脂的质量比为0.5～1∶79∶2～4，在避光条件下充分搅拌后转移到聚四氟乙烯为内衬的高温高压反应釜中，245℃保温14小时，冷却至室温，将得到的产物经过蒸馏水洗涤，乙醇洗涤，在80℃的烘箱内干燥，得到Ag/TiO2纳米电缆；
2)制备含有纳米电缆的染料敏化太阳电池光阳极
称取Ag/TiO2纳米电缆与研磨好的TiO2粉末混合，加入蒸馏水，Ag/TiO2纳米电缆与TiO2粉末的质量比为0.5～20∶100，Ag/TiO2纳米电缆与TiO2粉末的固含量为0.4％，经过磁力搅拌、超声分散，浓缩，形成Ag/TiO2纳米电缆和TiO2粉末的固含量为13％的浆料，用刀片将浆料刮涂在掺氟氧化锡玻璃上形成厚度为8～12μm的薄膜，将薄膜在空气中自然晾干后，置于升温马弗炉内在450～500℃下保温30～50分钟，随炉降至室温，得含有纳米电缆的染料敏化太阳电池光阳极。
上述步骤2)中，在形成的浆料中添加聚乙二醇，聚乙二醇与TiO2粉末的质量比为3～4∶10。
上述步骤1)中Ag/TiO2纳米电缆与TiO2粉末的质量比为1～5∶100。
本发明利用乙二醇、硝酸银和钛酸丁脂为原料，采用水热法在TiO2颗粒层的TiO2阵列中引入了银核，合成共轴银核二氧化钛壳纳米电缆结构，并利用TiO2纳米颗粒将合成的Ag/TiO2纳米电缆支在光阳极膜内，形成一个快速的电子传输通道，能够更有效地将电子传递到外电路的同时，不减少染料的吸附量，大大提高了光电转换效率，本发明的制备方法操作简单，成本低廉，副产物少。
附图说明
图1为实施例1的含有纳米电缆的染料敏化太阳电池光阳极的结构示意图。
图2为本发明的光阳极与现有技术中的光阳极组装成同一系列的电池的I-V曲线图。
图3为本发明的光阳极与现有技术中的光阳极组装成同一系列的电池所吸附的染料对光的吸收曲线图。
图4为本发明的光阳极与现有技术中的光阳极组装成同一系列的电池的电化学阻抗测试曲线图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步详细说明，但本发明不限于这些实施例。
实施例1
参见图1，本实施例的含有纳米电缆的染料敏化太阳电池光阳极是由氟氧化锡玻璃3、纳米TiO2颗粒层2组成，纳米TiO2颗粒层2附着在氟氧化锡玻璃3上，在纳米TiO2颗粒层2中包埋有质量百分比为1％的Ag/TiO2纳米电缆1，Ag/TiO2纳米电缆1的直径为175nm，长度为5μm，Ag/TiO2纳米电缆1在纳米TiO2颗粒层2与掺氟氧化锡玻璃3临近的一侧呈纳米阵列分布，且Ag/TiO2纳米电缆1的一端与掺氟氧化锡玻璃3联接。
上述含有纳米电缆的染料敏化太阳电池光阳极的制备方法是由以下步骤组成：
步骤1：合成Ag/TiO2纳米电缆
称量0.127g的硝酸银，量取浓度为1.115g/ml的12ml乙二醇，用磁力搅拌器避光搅拌，量取浓度为0.997g/ml的钛酸丁酯溶液0.34ml，硝酸银、乙二醇以及钛酸丁酯的质量比为0.75∶79∶2，在搅拌过程中滴加到硝酸银和乙二醇的混合液中，继续搅拌2小时，搅拌完成后的溶液为透明微黄状态；将上述的溶液转移到45ml的高温高压聚四氟乙烯内衬中，245℃保温14小时，待冷却后得到土黄色的沉淀物；将沉淀物中加入蒸馏水进行离心分离，转速4500r/min，去掉上层清液之后再加蒸馏水，将分散后的样品经离心机沉淀，反复洗涤4次，用乙醇溶液超声洗涤1次，保证反应物中过量的乙二醇以及反应过程中产生的酸和醇类等有机物被除去，最后将获得的土黄色样品放在80℃的烘箱中干燥，得Ag/TiO2纳米电缆。
步骤2：制备含有Ag/TiO2纳米电缆的染料敏化太阳电池光阳极
称量1.5g的TiO2粉末，放到玛瑙研钵中将粉体研磨，加入0.015g的Ag/TiO2纳米电缆；TiO2粉末与Ag/TiO2纳米电缆质量比为100∶1，量取378.75ml蒸馏水，混匀使液体呈悬浮液；将制备好的悬浮液经过超声分散后搅拌处理，使用旋转蒸发仪浓缩处理至体积为11.65ml为佳，即Ag/TiO2纳米电缆和TiO2粉末的固含量为13％的浆料，带有土黄色，密封储存；取出一小片掺氟氧化锡玻璃晾干后，使用3M胶带，标准50μm厚度，在掺氟氧化锡玻璃上面围出一个有效面积是1.0cm×1.0cm大小的正方形，使用刀片将制备的浆料刮涂在上面，形成厚度为10μm的薄膜，自然晾干后，可以观察到膜略带光泽，将晾干后的膜放进马弗炉内在450℃下煅烧50分钟，随炉降至室温，得到含有Ag/TiO2纳米电缆的染料敏化太阳电池光阳极。
实施例2
本实施例的含有纳米电缆的染料敏化太阳电池光阳极中Ag/TiO2纳米电缆1占纳米TiO2颗粒层2的质量百分比为5％，Ag/TiO2纳米电缆1的直径为150nm，长度为3μm。
上述含有纳米电缆的染料敏化太阳电池光阳极的制备方法由以下步骤组成：
在步骤2中称量1.5g的TiO2粉末，放到玛瑙研钵中将粉体研钵，加入0.075g的Ag/TiO2纳米电缆；TiO2粉末与Ag/TiO2纳米电缆质量比为100∶5，加入蒸馏水，经过磁力搅拌、超声分散，浓缩，用刀片将浆料刮涂在掺氟氧化锡玻璃上形成薄膜，将薄膜在空气中自然晾干后，置于升温马弗炉内在500℃下保温30分钟，随炉降至室温，本步骤中其他的步骤与实施例1相同。
其他的步骤与实施例1相同。
实施例3
本实施例的含有纳米电缆的染料敏化太阳电池光阳极中Ag/TiO2纳米电缆1占纳米TiO2颗粒层2的质量百分比为0.5％，Ag/TiO2纳米电缆1的直径为200nm，长度为8μm。
上述含有纳米电缆的染料敏化太阳电池光阳极的制备方法由以下步骤组成：
在步骤2中称量1.5g的TiO2粉末，放到玛瑙研钵中将粉体研钵，加入0.0075g的Ag/TiO2纳米电缆；TiO2粉末与Ag/TiO2纳米电缆质量比为100∶0.5，本步骤中其他的步骤与实施例1相同。
其他的步骤与实施例1相同。
实施例4
本实施例的含有纳米电缆的染料敏化太阳电池光阳极中Ag/TiO2纳米电缆1占纳米TiO2颗粒层2的质量百分比为20％，Ag/TiO2纳米电缆1的直径为200nm，长度为6μm。
上述含有纳米电缆的染料敏化太阳电池光阳极的制备方法由以下步骤组成：
在步骤2)中称量1.5g的TiO2粉末，放到玛瑙研钵中将粉体研钵，加入0.3g的Ag/TiO2纳米电缆；TiO2粉末与Ag/TiO2纳米电缆质量比为100∶20，本步骤中其他的步骤与实施例1相同。
其他的步骤与实施例1相同。
实施例5
上述实施例1～4的步骤1中，称量0.17g的硝酸银，再量取浓度为1.115g/ml的12ml乙二醇，搅拌均匀后加入浓度为0.997g/ml的钛酸丁酯溶液0.34ml，硝酸银、乙二醇以及钛酸丁酯的质量比为1∶79∶2，本步骤中其他的步骤与对应的实施例相同。
其他的步骤与对应的实施例相同。
实施例6
上述实施例1～4的步骤1中，称量0.085g的硝酸银，再量取浓度为1.115g/ml的12ml乙二醇，搅拌均匀后加入浓度为0.997g/ml的钛酸丁酯溶液0.68ml，硝酸银、乙二醇与钛酸丁酯的质量比为0.5∶79∶4，本步骤中其他的步骤与对应的实施例相同。
其他的步骤与对应的实施例相同。
实施例7
上述实施例1～6的步骤2中，在Ag/TiO2纳米电缆和TiO2粉末的悬浮液中加入聚乙二醇，聚乙二醇与TiO2粉末的质量比为3∶10，其溶解后，搅拌悬浮液浓缩至Ag/TiO2纳米电缆和TiO2粉末的固含量为13％的浆料，本步骤中其他的步骤与对应的实施例相同。
其他的步骤与对应实施例相同。
实施例8
上述实施例1～6的步骤2中，在Ag/TiO2纳米电缆和TiO2粉末的悬浮液中加入聚乙二醇，聚乙二醇与TiO2粉末的质量比为4∶10，其溶解后，搅拌悬浮液浓缩至Ag/TiO2纳米电缆和TiO2粉末的固含量为13％的浆料，本步骤中其他的步骤与对应的实施例相同。
其它的步骤与对应的实施例相同。
实施例9
上述实施例1～6的步骤2中，在Ag/TiO2纳米电缆和TiO2粉末的悬浮液中加入聚乙二醇，聚乙二醇与TiO2粉末的质量比为3.5∶10，其溶解后，搅拌悬浮液浓缩至Ag/TiO2纳米电缆和TiO2粉末的固含量为13％的浆料，本步骤中其他的步骤与对应的实施例相同。
其它的步骤与对应的实施例相同。
实施例10
上述实施例1～9的步骤2中，用刀片将浆料刮涂在掺氟氧化锡玻璃上形成厚度为8μm的薄膜，本步骤中其他的步骤与对应的实施例相同。
其他的步骤与对应实施例相同。
实施例11
上述实施例1～9的步骤2中，用刀片将浆料刮涂在掺氟氧化锡玻璃上形成厚度为12μm的薄膜，本步骤中其他的步骤与对应的实施例相同。
其他的步骤与对应实施例相同。
为了证明本发明的有益效果，发明人将本发明的含有Ag/TiO2纳米电缆的染料敏化太阳电池光阳极组装成的染料敏化太阳电池进行试验，具体是将本发明的含有Ag/TiO2纳米电缆的染料敏化太阳电池光阳极与现有技术中的不含有Ag/TiO2纳米电缆的染料敏化太阳电池光阳极在相同条件下，组装成同一系列的电池进行试验，具体如下：
在实验中使用0.3mmol/ml的N719的乙醇溶液作为光阳极的敏化剂，为了增加染料的吸附量，同时避免多层吸附，将制好的光阳极膜在烘箱中80℃保温1小时，被避光浸泡在该乙醇溶液中12小时，将玻璃片捞出，用乙醇溶液冲洗干净，放置到通风橱内在空气流下干燥。实验中使用的是铂电极。将氯铂酸和异丙醇按一定比例配置成溶液，利用喷雾热解法，喷涂到带孔的掺氟氧化锡玻璃FTO上，放入马弗炉内380℃保温30分钟，然后随炉降温。将敏化好的光阳极和铂电极通过热封膜粘合在一起，经过热压机固定成三明治结构，热封膜将两个工作电极连接起来，同时也起到防止灌注到其中的电解液泄漏的问题。最后使用毛细管将电解液通过电极背面的孔引入到封装好的电池中。封装好的电池要求光阳极敏化效果良好无脱落，电解液灌注效果均匀、无泄漏。电解质溶液的含量为LiI的浓度为0.5mol/L、I2的浓度为0.05mol/L、4-叔丁基吡啶的浓度为0.3mol/L。
1、采用PROVA 200太阳电池分析仪在模拟标准太阳光下(AM1.5100mW·cm-2)，测定上述组装成的染料敏化太阳电池的I-V曲线，测试结果见图2，并根据下述公式计算其光电转化效率：
FF＝Pmax/(Isc×Voc)＝(Imax×Vmax)/(Isc×Voc)
η＝Pmax/Pin＝(FF×Isc×Voc)/Pin
式中Voc为开路电压，Isc为短路电流，Pmax为最大输出功率，Vmax为最佳工作电压，Imax为最佳工作电流，FF为填充因子，Pin为入射到太阳能电池表面的能量，η为光电转化效率，计算结果见表1。
表1两种染料敏化太阳电池光阳极组装电池的性能参数比较
Figure BDA0000155210360000071
由表1可见，本发明的光阳极组装成的染料敏化太阳电池与不含有Ag/TiO2纳米电缆的染料敏化太阳电池光阳极相比，其光电转换效率提高了39.57％。
对实施例1制备的光阳极与不含有Ag/TiO2纳米电缆的染料敏化太阳电池光阳极进行了染料吸附量的测试。将使用N719染料敏化好的光阳极中的二氧化钛层用刀片刮下来，放入总量为30ml的0.1M的水和乙醇的氢氧化钠溶液，其中作为溶剂的水和乙醇的体积比为1∶1，室温时浸泡在其中8小时。当TiO2粉末和Ag/TiO2纳米电缆表面的染料全部解吸后，取一定量剩下的溶液转移到比色皿中进行了紫外可见吸收的测试，本实验中所使用的是日本日立公司的U-3900/3900H紫外可见分光光度计，扫描范围为320～800nm。测试的结果如图3所示。
由图3可知，制备方法相同，紫外可见吸收的测试条件也相同，但是两类光阳极上解吸下来的染料量是不同的。其中从含有纳米电缆的光阳极上解吸下来的染料量小，其对光的吸收强度比不含Ag/TiO2纳米电缆的光阳极解吸下来的染料对光的吸收要弱。由此可以推断出，Ag/TiO2纳米电缆的引入增加了光阳极内的电子传输速度，更多的电子被导入到外电路，进一步形成了含有Ag/TiO2纳米电缆的电池的短路电流要远大于不含Ag/TiO2纳米电缆的短路电流，提高了光电转换效率。
2、对两类光阳极封装成的电池进行了交流阻抗的测试，使用的仪器是上海辰华仪器有限公司的电化学工作站CHI660D，不加偏压，在100mWcm-2的模拟光源照射下，对电池加上一个10mV的扰动信号，扫面频率范围为20mHz-500KHz进行了测试，测试结果如图4，图4中可以看出，含有纳米电缆的光阳极封装成的电池左边起第二个半圆的半径要更小，由此可以看出，含有Ag-TiO2纳米电缆的样品电荷转移电阻小，电荷复合的过程中电子损失少，Ag/TiO2纳米电缆的引入更有效地加快了电子的传输。

Claims (3)

1.一种含有纳米电缆的染料敏化太阳电池光阳极的制备方法，该染料敏化太阳电池光阳极包括掺氟氧化锡玻璃（3）以及附着在掺氟氧化锡玻璃（3）表面的纳米TiO2颗粒层（2），纳米TiO2颗粒层（2）中包含有Ag/TiO2纳米电缆（1）,其特征在于它的制备方法由以下步骤组成：
1）合成Ag/TiO2纳米电缆
将硝酸银、乙二醇混匀后加入钛酸丁脂，硝酸银、乙二醇和钛酸丁脂的质量比为0.5～1：79：2～4，在避光条件下充分搅拌后转移到聚四氟乙烯为内衬的高温高压反应釜中，245℃保温14小时，冷却至室温，将得到的产物经过蒸馏水洗涤，乙醇洗涤，在80℃的烘箱内干燥，得到Ag/TiO2纳米电缆；
2）制备含有纳米电缆的染料敏化太阳电池光阳极
称取Ag/TiO2纳米电缆与研磨好的TiO2粉末混合，加入蒸馏水，Ag/TiO2纳米电缆与TiO2粉末的质量比为0.5～20：100，Ag/TiO2纳米电缆与TiO2粉末的固含量为0.4%，经过磁力搅拌、超声分散，浓缩，形成Ag/TiO2纳米电缆和TiO2粉末的固含量为13%的浆料，用刀片将浆料刮涂在掺氟氧化锡玻璃上形成厚度为8～12μm的薄膜，将薄膜在空气中自然晾干后，置于升温马弗炉内在450～500℃下保温30～50分钟，随炉降至室温，得含有纳米电缆的染料敏化太阳电池光阳极。
2.根据权利要求1所述的含有纳米电缆的染料敏化太阳电池光阳极的制备方法，其特征在于：所述步骤2）中，在形成的浆料中添加聚乙二醇，聚乙二醇与TiO2粉末的质量比为3～4：10。
3.根据权利要求1或2所述的含有纳米电缆的染料敏化太阳电池光阳极的制备方法，其特征在于：所述步骤1）中Ag/TiO2纳米电缆与TiO2粉末的质量比为1～5：100。
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