CN104021942A - 一种提高氧化锌基染料敏化太阳能电池光电性能的方法 - Google Patents

一种提高氧化锌基染料敏化太阳能电池光电性能的方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种提高氧化锌基染料敏化太阳能电池光电性能的方法。该方法首先以金属有机框架材料MOF-5为前驱体，制备呈平行六面体状的ZnO聚集体，并将其作为ZnO光阳极的散射层，然后在该双层结构的光阳极表面生长金属有机框架材料ZIF-8作为界面调控层，从而可显著提高氧化锌基染料敏化太阳能电池的光电性能。该方法简单易行，易于实施。

Description

一种提高氧化锌基染料敏化太阳能电池光电性能的方法
技术领域
本发明属于太阳能电池领域，更具体涉及一种提高氧化锌基染料敏化太阳能电池光电性能的方法。
背景技术
染料敏化太阳能电池具有价格低廉、环境友好、制作简单、转换效率高等优点，成为第三代太阳能电池的代表。在染料敏化太阳能电池的光阳极材料中，ZnO因为具有高的电子迁移率，容易调控的形貌，合适的能带结构等诸多特点，得到了广泛的研究。为了能够吸附足够多的染料，光阳极材料通常采用纳米ZnO，从而使得电极材料具有一定的透光度，降低了对入射光的利用和电池的整体性能。为了改善电极材料的光收集效率，可在其表面制备一层光散射层，但是以呈平行六面体状的ZnO聚集体充当光散射层的研究还未见报道。同时，以金属有机框架材料充当界面调控层，可增强ZnO对酸碱的抗腐蚀性，进一步改善电池的整体性能。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种提高氧化锌基染料敏化太阳能电池光电性能的方法。该方法以呈平行六面体状的ZnO聚集体作为光散射层，并利用金属有机框架材料ZIF-8作为界面调控剂，显著地提高了ZnO基染料敏化太阳能电池的光电性能。
为实现本发明目的，本发明是通过如下技术方案实施的：
一种提高氧化锌基染料敏化太阳能电池光电性能的方法，以金属有机框架材料MOF-5为前驱体制备出呈平行六面体状的氧化锌聚集体，并将其印刷在ZnO光阳极表面充当散射层；然后在含有散射层的ZnO光阳极表面生长金属有机框架材料ZIF-8，充当界面调控层，能显著提高氧化锌基染料敏化太阳能电池的光电性能。
所述的提高氧化锌基染料敏化太阳能电池光电性能的方法，具体步骤为：
1）将ZnO纳米晶加入到乙基纤维素的乙醇溶液中，充分搅拌制得浆料，用丝网印刷将其印在导电玻璃上并于525℃焙烧2h得到待处理的ZnO电极材料；
2）将硝酸锌和对苯二甲酸加入到N，N’-二甲基甲酰胺中，充分搅拌至完全溶解，在搅拌的同时，向该澄清溶液中加入三乙胺，继续搅拌；反应结束后产物利用N，N’-二甲基甲酰胺洗涤并干燥，得到金属有机框架材料MOF-5；
3）将MOF-5的粉体材料加入到含乙基纤维素和松油醇的乙醇溶液中，充分搅拌制得MOF-5前驱体浆料，并丝网印刷在ZnO电极材料表面后，于空气中进行煅烧，得到散射层，该散射层由平行六面体状的ZnO聚集体组成，所述的平行六面体状的ZnO聚集体，其a、b轴的夹角为60度，由80-200 nm大小的ZnO颗粒组成；
4） 将含有散射层的ZnO电极浸泡于金属有机框架材料ZIF-8的生长母液中，在其表面生长ZIF-8充当界面调控层；
5）将最终得到的电极材料、Pt对电极和注入的液态电解质溶液组装在一起，形成三明治结构的染料敏化的纳米晶薄膜太阳能电池。
步骤3）所述的含乙基纤维素和松油醇的乙醇溶液中，乙基纤维素的质量分数为1-25wt%，松油醇的质量分数为1-12wt%。
步骤3）所述的煅烧温度为350-550℃，煅烧时间为1-6 h。
步骤3）所述的散射层的膜厚为0.5-8 μm。
步骤4）所述的生长母液中溶有硝酸锌和2-甲基咪唑，其浓度均为0.1-50 mmol/L。
步骤4）所述的金属有机框架材料ZIF-8的生长时间为2-60分钟。
本发明的优点在于：
该方法以金属有机框架材料MOF-5为前驱体制备呈平行六面体状的ZnO聚集体充当光散射层，并以金属有机框架材料ZIF-8作为界面调控剂，可将染料敏化ZnO太阳能电池的光电转换效率从3.15%显著提高到3.67%，性能增强了16%以上。
附图说明
图1为呈平行六面体状的ZnO聚集体的扫描电镜图；
图2为较高分辨率下的平行六面体状的氧化锌聚集体的扫描电镜图；
图3为平行六面体状的氧化锌聚集体的粉末衍射图。
图4为呈平行六面体状的ZnO聚集体作为光散射层时的紫外漫反射图；
图5为处理前后染料敏化ZnO太阳能电池的电流电压曲线图。
具体实施例
本发明用下列实施例来进一步说明本发明，但本发明的保护范围并不限于下列实施例。
实施例1
1）将ZnO的纳米晶加入到乙基纤维素的乙醇溶液中，充分搅拌制得浆料，用丝网印刷将其印在导电玻璃上并于525℃焙烧2h得到待处理的ZnO电极材料；
2）将硝酸锌和对苯二甲酸加入到N,N’-二甲基甲酰胺中，充分搅拌至完全溶解，在搅拌的同时，向该澄清溶液中加入三乙胺，继续搅拌；反应结束后产物利用N,N’-二甲基甲酰胺洗涤并干燥，得到金属有机框架材料MOF-5；
3）将MOF-5的粉体材料加入到含25wt%乙基纤维素和12wt%松油醇的乙醇溶液中，充分搅拌制得MOF-5前驱体浆料，并丝网印刷在ZnO电极材料表面后，于空气中350℃煅烧6 h，得到膜厚为8 μm的散射层，该散射层由呈平行六面体状的ZnO聚集体组成；
4） 将含有散射层的ZnO电极浸泡于浓度为10 mM的硝酸锌、2-甲基咪唑的乙醇溶液中，浸泡时间为20分钟，在其表面生长ZIF-8充当界面调控层；
5）将最终得到的电极材料、Pt对电极和注入的液态电解质溶液组装在一起，形成三明治结构的染料敏化的纳米晶薄膜太阳能电池。
实施例2
1）将ZnO的纳米晶加入到乙基纤维素的乙醇溶液中，充分搅拌制得浆料，用丝网印刷将其印在导电玻璃上并于525℃焙烧2h得到待处理的ZnO电极材料；
2）将硝酸锌和对苯二甲酸加入到N,N’-二甲基甲酰胺中，充分搅拌至完全溶解，在搅拌的同时，向该澄清溶液中加入三乙胺，继续搅拌；反应结束后产物利用N,N’-二甲基甲酰胺洗涤并干燥，得到金属有机框架材料MOF-5；
3）将MOF-5的粉体材料加入到含12wt%乙基纤维素和8wt%松油醇的乙醇溶液中，充分搅拌制得MOF-5前驱体浆料，并丝网印刷在ZnO电极材料表面后，于空气中450℃煅烧2 h，得到膜厚为4 μm的散射层，该散射层由呈平行六面体状的ZnO聚集体组成；
4） 将含有散射层的ZnO电极浸泡于浓度为0.1 mM的硝酸锌、2-甲基咪唑的乙醇溶液中，浸泡时间为60分钟，在其表面生长ZIF-8充当界面调控层；
5）将最终得到的电极材料、Pt对电极和注入的液态电解质溶液组装在一起，形成三明治结构的染料敏化的纳米晶薄膜太阳能电池。
实施例3
1）将ZnO的纳米晶加入到乙基纤维素的乙醇溶液中，充分搅拌制得浆料，用丝网印刷将其印在导电玻璃上并于525℃焙烧2h得到待处理的ZnO电极材料；
2）将硝酸锌和对苯二甲酸加入到N,N’-二甲基甲酰胺中，充分搅拌至完全溶解，在搅拌的同时，向该澄清溶液中加入三乙胺，继续搅拌；反应结束后产物利用N,N’-二甲基甲酰胺洗涤并干燥，得到金属有机框架材料MOF-5；
3）将MOF-5的粉体材料加入到含1wt%乙基纤维素和1wt%松油醇的乙醇溶液中，充分搅拌制得MOF-5前驱体浆料，并丝网印刷在ZnO电极材料表面后，于空气中550℃煅烧1 h，得到膜厚为0.5 μm的散射层，该散射层由呈平行六面体状的ZnO聚集体组成；
4） 将含有散射层的ZnO电极浸泡于浓度为50 mM的硝酸锌、2-甲基咪唑的乙醇溶液中，浸泡时间为2分钟，在其表面生长ZIF-8充当界面调控层；
5）将最终得到的电极材料、Pt对电极和注入的液态电解质溶液组装在一起，形成三明治结构的染料敏化的纳米晶薄膜太阳能电池。
图1为呈平行六面体状的ZnO聚集体的扫描电镜图；图2为较高分辨率下的平行六面体状的氧化锌聚集体的扫描电镜图；图3为平行六面体状的氧化锌聚集体的粉末衍射图；图4为呈平行六面体状的ZnO聚集体作为光散射层时的紫外漫反射图；图5为处理前后染料敏化ZnO太阳能电池的电流电压曲线图。从图1的标示可以看出，该氧化锌聚集体的正面俯视图接近完美的平行四边形；从图2可以看出，该平行六面体的a、b轴的夹角非常接近60度，由80-200 nm大小的ZnO颗粒组成；从图4可知，当利用呈平行六面体状的ZnO聚集体作为光散射层时，ZnO薄膜能更好的散射入射光；从图5可以看出，具有散射层及界面调控层的ZnO电池的开路电压、短路电流和光电转换效率都有了明显的提高。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。 

Claims (8)

1.一种提高氧化锌基染料敏化太阳能电池光电性能的方法，其特征在于：以金属有机框架材料MOF-5为前驱体制备出呈平行六面体状的氧化锌聚集体，并将其印刷在ZnO光阳极表面充当散射层；然后在含有散射层的ZnO光阳极表面生长金属有机框架材料ZIF-8，充当界面调控层，能显著提高氧化锌基染料敏化太阳能电池的光电性能。
2.根据权利要求1所述的提高氧化锌基染料敏化太阳能电池光电性能的方法，其特征在于：具体步骤为：
1）将ZnO纳米晶加入到乙基纤维素的乙醇溶液中，充分搅拌制得浆料，用丝网印刷将其印在导电玻璃上并于525℃焙烧2h得到待处理的ZnO电极材料；
2）将硝酸锌和对苯二甲酸加入到N，N’-二甲基甲酰胺中，充分搅拌至完全溶解，在搅拌的同时，向该澄清溶液中加入三乙胺，继续搅拌；反应结束后产物利用N，N’-二甲基甲酰胺洗涤并干燥，得到金属有机框架材料MOF-5；
3）将MOF-5的粉体材料加入到含乙基纤维素和松油醇的乙醇溶液中，充分搅拌制得MOF-5前驱体浆料，并丝网印刷在ZnO电极材料表面后，于空气中进行煅烧，得到散射层，该散射层由平行六面体状的ZnO聚集体组成；
4） 将含有散射层的ZnO电极浸泡于金属有机框架材料ZIF-8的生长母液中，在其表面生长ZIF-8充当界面调控层；
5）将最终得到的电极材料、Pt对电极和注入的液态电解质溶液组装在一起，形成三明治结构的染料敏化的纳米晶薄膜太阳能电池。
3.根据权利要求2所述的一种提高氧化锌基染料敏化太阳能电池光电性能的方法，其特征在于：步骤3）所述的含乙基纤维素和松油醇的乙醇溶液中，乙基纤维素的质量分数为1-25wt%，松油醇的质量分数为1-12wt%。
4.根据权利要求2所述的一种提高氧化锌基染料敏化太阳能电池光电性能的方法，其特征在于：步骤3）所述的煅烧温度为350-550℃，煅烧时间为1-6 h。
5.根据权利要求2所述的一种提高氧化锌基染料敏化太阳能电池光电性能的方法，其特征在于：步骤3）所述的平行六面体状的ZnO聚集体，其a、b轴的夹角为60度，由80-200 nm大小的ZnO颗粒组成。
6.根据权利要求2所述的一种提高氧化锌基染料敏化太阳能电池光电性能的方法，其特征在于：步骤3）所述的散射层的膜厚为0.5-8 μm。
7.根据权利要求2所述的一种提高氧化锌基染料敏化太阳能电池光电性能的方法，其特征在于：步骤4）所述的生长母液中溶有硝酸锌和2-甲基咪唑，其浓度均为0.1-50 mmol/L。
8.根据权利要求2所述的一种提高氧化锌基染料敏化太阳能电池光电性能的方法，其特征在于：步骤4）所述的金属有机框架材料ZIF-8的生长时间为2-60分钟。
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