CN105390292A - 一种H-TiO2染料敏化太阳能电池光阳极的制备方法 - Google Patents

一种H-TiO2染料敏化太阳能电池光阳极的制备方法 Download PDF

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Abstract

一种H-TiO2染料敏化太阳能电池光阳极的制备方法。本发明涉及一种H-TiO2染料敏化太阳能电池光阳极的制备方法。本发明是为了解决氢化二氧化钛材料作为染料敏化太阳能电池光阳极材料严重的界面复合造成的电池性能下降和现有技术制备的染料敏化太阳能电池对近红外光区能量利用少，电池效率低的问题。方法：一、制备H-TiO2；二、制备H-TiO2光阳极浆料；三、制备光阳极。本发明是将H-TiO2粉体做光阳极材料用于制备染料敏化太阳能电池。

Description

一种H-TiO2染料敏化太阳能电池光阳极的制备方法
技术领域
本发明涉及一种H-TiO2染料敏化太阳能电池光阳极的制备方法。
背景技术
近年来兴起的有机-无机杂化钙钛矿(简称钙钛矿)太阳能电池因具有光电能量转换效率高、制备工艺简单等优点,引起了学术界和产业界的广泛关注,具有广阔的发展前景.其中平面异质结钙钛矿太阳电池因具有结构简单,可低温制备等诸多优点,成为目前研究的一个重要方向.钙钛矿太阳能电池对近红外光区的能量利用少，使得电池的吸收光谱与太阳光谱不匹配，限制了电池效率的提升。
氢化二氧化钛能够利用可见及近红外光，并且禁带宽度变窄，具有较高的施主密度，这使得其有适用于钙钛矿太阳能电池的可能。通过对二氧化钛高压加热的处理制备氢化二氧化钛，这种简单高效的方法具有广泛应用性。将这种制备的氢化二氧化钛用于钙钛矿太阳能电池得到了较高的光电转换效率和短路电流密度。但是，氢化二氧化钛的制备过程总需要适度氢化还原，过度氢化的二氧化钛导电性差、电子容易复合，光电流会急剧减小，使电池的光电转换效率明显降低。
发明内容
本发明是为了解决氢化二氧化钛材料作为染料敏化太阳能电池光阳极材料严重的界面复合造成的电池性能下降和现有技术制备的染料敏化太阳能电池对近红外光区能量利用少，电池效率低的问题，而提供了一种H-TiO2染料敏化太阳能电池光阳极的制备方法。
一种H-TiO2染料敏化太阳能电池光阳极的制备方法具体是按以下步骤进行的：
一、将二氧化钛纳米粉末放置于石英舟内，将盛有二氧化钛纳米粉末的石英舟放置在充满氢气的高压釜中进行反应，然后以1℃/min的升温速率将反应温度从室温升温至300℃～600℃，在300℃～600℃保温3h～8h后，再转移至真空干燥箱中静置1h～5h后，冷却至室温，得到H-TiO2粉体；所述二氧化钛纳米粉末是采用溶胶水热法制备而成的；
二、将H-TiO2粉体、乙基纤维素、松油醇和乙醇混合，搅拌均匀得到浆料，以250目丝网作为基体材料，在基体材料上印刷6次浆料，得到六层的H-TiO2薄膜，然后对六层的H-TiO2薄膜以1℃/min的升温速率从室温升温至200℃～600℃进行加热，在温度为200℃～600℃的条件下保温0.1h～1h，得到H-TiO2染料敏化太阳能电池光阳极；所述H-TiO2粉体与乙基纤维素的质量比为1:(0.1～0.5)；所述H-TiO2粉体与松油醇的质量比为1:(2～7)；所述H-TiO2粉体与乙醇的质量比为1:(2～5)。
一种H-TiO2染料敏化太阳能电池光阳极的应用是将H-TiO2染料敏化太阳能电池光阳极作为阳极用于制备染料敏化太阳能电池。
本发明的有益效果：
采用本发明的H-TiO2染料敏化太阳能电池光阳极制备的染料敏化太阳能电池，与传统的染料敏化光阳极组成的染料敏化太阳能电池相比，这种光阳极组成的染料敏化太阳能电池具有以下优势：
TiO2纳米粉体经高压氢气处理后形成H-TiO2纳米粉体，通过适度引入纳米材料表面的氧空位浓度，增加了纳米粉体的施主密度，降低了粉体的禁带宽度；同时这种纳米粉体延长了光生电子的寿命，有利于电池性能的提高。H-TiO2纳米粉体的染料敏化太阳能电池光阳极增强了对入射光的利用，提高了电池对太阳光的捕获效率。H-TiO2纳米粉体的光阳极电池能够抑制光生载流子的复合反应，延长电池中载流子寿命，减小暗电流，有利于提高电池效率。H-TiO2纳米粉体的光阳极电池能够延长电子的复合时间，加快电子的传输，提高电池的光电转换效率。基于以上特性，基于H-TiO2纳米粉体的光阳极染料敏化太阳能电池的电池效率由6.0％提高到7.6％，光电流提高了26.7％。
附图说明
图1为实施例一步骤一得到的H-TiO2粉体的扫描电镜照片；
图2为实施例二所述的二氧化钛纳米粉末和实施例一步骤一得到的H-TiO2粉体的紫外可见吸收谱图，其中1为实施例二所述的二氧化钛纳米粉末，2为实施例一步骤一得到的H-TiO2粉体；
图3为实施例二所述的二氧化钛纳米粉末和实施例一步骤一得到的H-TiO2粉体的莫特-肖脱基曲线，其中1为实施例二所述的二氧化钛纳米粉末，2为实施例一步骤一得到的H-TiO2粉体；
图4为以实施例二得到的TiO2染料敏化太阳能电池光阳极制备的光阳极电池和以实施例一得到的H-TiO2染料敏化太阳能电池光阳极制备的光阳极电池在模拟1.5G太阳光下的短路电流与开路电压曲线，其中1为以实施例二得到的TiO2染料敏化太阳能电池光阳极制备的光阳极电池，2为以实施例一得到的H-TiO2染料敏化太阳能电池光阳极制备的光阳极电池；
图5为以实施例二得到的TiO2染料敏化太阳能电池光阳极制备的光阳极电池和以实施例一得到的H-TiO2染料敏化太阳能电池光阳极制备的光阳极电池在光照条件下的交流阻抗谱图，其中1为以实施例二得到的TiO2染料敏化太阳能电池光阳极制备的光阳极电池，2为以实施例一得到的H-TiO2染料敏化太阳能电池光阳极制备的光阳极电池；
图6为以实施例二得到的TiO2染料敏化太阳能电池光阳极制备的光阳极电池和以实施例一得到的H-TiO2染料敏化太阳能电池光阳极制备的光阳极电池的开路电压衰减曲线，其中1为以实施例二得到的TiO2染料敏化太阳能电池光阳极制备的光阳极电池，2为以实施例一得到的H-TiO2染料敏化太阳能电池光阳极制备的光阳极电池；
图7为以实施例二得到的TiO2染料敏化太阳能电池光阳极制备的光阳极电池和以实施例一得到的H-TiO2染料敏化太阳能电池光阳极制备的光阳极电池在模拟1.5G太阳光下的光电转化效率，其中1为以实施例二得到的TiO2染料敏化太阳能电池光阳极制备的光阳极电池，2为以实施例一得到的H-TiO2染料敏化太阳能电池光阳极制备的光阳极电池。
具体实施方式
具体实施方式一：本实施方式的一种H-TiO2染料敏化太阳能电池光阳极的制备方法具体是按以下步骤进行的：
一、将二氧化钛纳米粉末放置于石英舟内，将盛有二氧化钛纳米粉末的石英舟放置在充满氢气的高压釜中进行反应，然后以1℃/min的升温速率将反应温度从室温升温至300℃～600℃，在300℃～600℃保温3h～8h后，再转移至真空干燥箱中静置1h～5h后，冷却至室温，得到H-TiO2粉体；所述二氧化钛纳米粉末是采用溶胶水热法制备而成的；
二、将H-TiO2粉体、乙基纤维素、松油醇和乙醇混合，搅拌均匀得到浆料，以250目丝网作为基体材料，在基体材料上印刷6次浆料，得到六层的H-TiO2薄膜，然后对六层的H-TiO2薄膜以1℃/min的升温速率从室温升温至200℃～600℃进行加热，在温度为200℃～600℃的条件下保温0.1h～1h，得到H-TiO2染料敏化太阳能电池光阳极；所述H-TiO2粉体与乙基纤维素的质量比为1:(0.1～0.5)；所述H-TiO2粉体与松油醇的质量比为1:(2～7)；所述H-TiO2粉体与乙醇的质量比为1:(2～5)。
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：步骤一中所述在400℃保温5h。其他步骤及参数与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二不同的是：步骤一中所述在500℃保温4h。其他步骤及参数与具体实施方式一或二相同。
具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是：步骤一中在温度为90℃的条件下加热溶解20min。其他步骤及参数与具体实施方式一至三之一相同。
具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同的是：步骤二中在温度为500℃的条件下保温0.5h。其他步骤及参数与具体实施方式一至四之一相同。
具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一至五之一不同的是：步骤二中所述H-TiO2粉体与乙基纤维素的质量比为1:0.3。其他步骤及参数与具体实施方式一至五之一相同。
具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式一至六之一不同的是：步骤二中所述H-TiO2粉体与松油醇的质量比为1:5。其他步骤及参数与具体实施方式一至六之一相同。
具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式一至七之一不同的是：步骤二中所述H-TiO2粉体与乙醇的质量比为1:4。其他步骤及参数与具体实施方式一至七之一相同。
通过以下实施例验证本发明的有益效果：
实施例一：本实施例的一种H-TiO2染料敏化太阳能电池光阳极的制备方法具体是按以下步骤进行的：
一、将二氧化钛纳米粉末放置于石英舟内，将盛有二氧化钛纳米粉末的石英舟放置在充满氢气的高压釜中进行反应，然后以1℃/min的升温速率将反应温度从室温升温至300℃，在300℃保温5h后，再转移至真空干燥箱中静置1h后，冷却至室温，得到H-TiO2粉体；所述二氧化钛纳米粉末是采用溶胶水热法制备而成的；
二、将H-TiO2粉体、乙基纤维素、松油醇和乙醇混合，搅拌均匀得到浆料，以250目丝网作为基体材料，在基体材料上印刷6次浆料，得到六层的H-TiO2薄膜，然后对六层的H-TiO2薄膜以1℃/min的升温速率从室温升温至500℃进行加热，在温度为500℃的条件下保温0.5h，得到H-TiO2染料敏化太阳能电池光阳极；所述H-TiO2粉体与乙基纤维素的质量比为1:0.27；所述H-TiO2粉体与松油醇的质量比为1:4.68；所述H-TiO2粉体与乙醇的质量比为1:2.98。
本实施方式所述二氧化钛纳米粉末是通过溶胶水热法制备得到的，具体操作步骤如下：
将0.3mL～0.6mLHNO3和0.1g～3gF127加入到50mL～100mL去离子水中混合并搅拌均匀，得到混合溶液，在搅拌的条件下以60滴/min的速度将0.02mol/L～0.05mol/L钛酸四丁酯滴加到混合溶液中；滴加结束后，将混合溶液在温度为80℃～100℃的水浴条件下加热4h～8h，得到溶胶状的混合物；将溶胶状的混合物转移到密封的水热釜内，然后在温度为160℃～200℃的烘箱中反应12h～30h，反应结束后将产物先采用去离子水洗涤3～5次，再采用绝对乙醇洗涤3～5次，自然冷却至室温，然后以3000rpm～15000rpm的离心速度对产物进行离心分离，得到固体，固体先采用去离子水洗涤2～5次，再采用无水乙醇洗涤2～5次，然后置于100℃的真空干燥箱中干燥1h～5h，最后放于马弗炉中，在温度为300℃～600℃的条件下煅烧0.5h～6h，冷却至室温，得到二氧化钛纳米粉末。
实施例二：本实施例的一种TiO2染料敏化太阳能电池光阳极的制备方法具体是按以下步骤进行的：
将二氧化钛纳米粉末、乙基纤维素、松油醇和乙醇混合，搅拌均匀得到浆料，使用250目丝网对浆料进行丝网印刷，丝网的有效面积为16cm2,在竖直方向上印刷六次，得到六层的TiO2薄膜，然后对六层的TiO2薄膜以1℃/min的升温速率从室温升温至500℃进行加热，在温度为500℃的条件下保温0.5h，得到TiO2染料敏化太阳能电池光阳极；所述二氧化钛纳米粉末与乙基纤维素的质量比为1:0.27；所述二氧化钛纳米粉末与松油醇的质量比为1:4.68；所述二氧化钛纳米粉末与乙醇的质量比为1:2.98。
本实施方式所述二氧化钛纳米粉末是通过溶胶水热法制备得到的，具体操作步骤如下：
将0.3mL～0.6mLHNO3和0.1g～3gF127加入到50mL～100mL去离子水中混合并搅拌均匀，得到混合溶液，在搅拌的条件下以60滴/min的速度将0.02mol/L～0.05mol/L钛酸四丁酯滴加到混合溶液中；滴加结束后，将混合溶液在温度为80℃～100℃的水浴条件下加热4h～8h，得到溶胶状的混合物；将溶胶状的混合物转移到密封的水热釜内，然后在温度为160℃～200℃的烘箱中反应12h～30h，反应结束后将产物先采用去离子水洗涤3～5次，再采用绝对乙醇洗涤3～5次，自然冷却至室温，然后以3000rpm～15000rpm的离心速度对产物进行离心分离，得到固体，固体先采用去离子水洗涤2～5次，再采用无水乙醇洗涤2～5次，然后置于100℃的真空干燥箱中干燥1h～5h，最后放于马弗炉中，在温度为300℃～600℃的条件下煅烧0.5h～6h，冷却至室温，得到二氧化钛纳米粉末。
图1为实施例一步骤一得到的H-TiO2粉体的扫描电镜照片；从图中可以看出制备的H-TiO2粉体为纳米小球及少量的V形晶体。
图2为实施例二所述的二氧化钛纳米粉末和实施例一步骤一得到的H-TiO2粉体的紫外可见吸收谱图，其中1为实施例二所述的二氧化钛纳米粉末，2为实施例一步骤一得到的H-TiO2粉体；从图中可以看出H-TiO2粉体这种粉体在可见区域有很强吸收。
图3为实施例二所述的二氧化钛纳米粉末和实施例一步骤一得到的H-TiO2粉体的莫特-肖脱基曲线，其中1为实施例二所述的二氧化钛纳米粉末，2为实施例一步骤一得到的H-TiO2粉体；从图中可以看出样品都是n型半导体，氢化处理对于半导体的类型没有影响。H-TiO2纳米颗粒的斜率小于空白TiO2样品，说明H-TiO2具有较高的施主密度。
图4为以实施例二得到的TiO2染料敏化太阳能电池光阳极制备的光阳极电池和以实施例一得到的H-TiO2染料敏化太阳能电池光阳极制备的光阳极电池在模拟1.5G太阳光下的短路电流与开路电压曲线，其中1为以实施例二得到的TiO2染料敏化太阳能电池光阳极制备的光阳极电池，2为以实施例一得到的H-TiO2染料敏化太阳能电池光阳极制备的光阳极电池；从图中可以看出H-TiO2光阳极电池能够增加短路电流和开路电压，从而提高电池的光电转化效率。
图5为以实施例二得到的TiO2染料敏化太阳能电池光阳极制备的光阳极电池和以实施例一得到的H-TiO2染料敏化太阳能电池光阳极制备的光阳极电池在光照条件下的交流阻抗谱图，其中1为以实施例二得到的TiO2染料敏化太阳能电池光阳极制备的光阳极电池，2为以实施例一得到的H-TiO2染料敏化太阳能电池光阳极制备的光阳极电池；从图中可以看出H-TiO2光阳极电池能够抑制光生载流子的复合反应，有利于提高电池性能。
图6为以实施例二得到的TiO2染料敏化太阳能电池光阳极制备的光阳极电池和以实施例一得到的H-TiO2染料敏化太阳能电池光阳极制备的光阳极电池的开路电压衰减曲线，其中1为以实施例二得到的TiO2染料敏化太阳能电池光阳极制备的光阳极电池，2为以实施例一得到的H-TiO2染料敏化太阳能电池光阳极制备的光阳极电池；从图中可以看出H-TiO2光阳极电池中载流子的寿命增加了。
图7为以实施例二得到的TiO2染料敏化太阳能电池光阳极制备的光阳极电池和以实施例一得到的H-TiO2染料敏化太阳能电池光阳极制备的光阳极电池在模拟1.5G太阳光下的光电转化效率，其中1为以实施例二得到的TiO2染料敏化太阳能电池光阳极制备的光阳极电池，2为以实施例一得到的H-TiO2染料敏化太阳能电池光阳极制备的光阳极电池；从图中可以看出H-TiO2光阳极电池具有较高的光电转化效率。

Claims (8)

1.一种H-TiO2染料敏化太阳能电池光阳极的制备方法，其特征在于H-TiO2染料敏化太阳能电池光阳极的制备方法具体是按以下步骤进行的：
一、将二氧化钛纳米粉末放置于石英舟内，将盛有二氧化钛纳米粉末的石英舟放置在充满氢气的高压釜中进行反应，然后以1℃/min的升温速率将反应温度从室温升温至300℃～600℃，在300℃～600℃保温3h～8h后，再转移至真空干燥箱中静置1h～5h后，冷却至室温，得到H-TiO2粉体；所述二氧化钛纳米粉末是采用溶胶水热法制备而成的；
二、将H-TiO2粉体、乙基纤维素、松油醇和乙醇混合，搅拌均匀得到浆料，以250目丝网作为基体材料，在基体材料上印刷6次浆料，得到六层的H-TiO2薄膜，然后对六层的H-TiO2薄膜以1℃/min的升温速率从室温升温至200℃～600℃进行加热，在温度为200℃～600℃的条件下保温0.1h～1h，得到H-TiO2染料敏化太阳能电池光阳极；所述H-TiO2粉体与乙基纤维素的质量比为1:(0.1～0.5)；所述H-TiO2粉体与松油醇的质量比为1:(2～7)；所述H-TiO2粉体与乙醇的质量比为1:(2～5)。
2.根据权利要求1所述的一种H-TiO2染料敏化太阳能电池光阳极的制备方法，其特征在于步骤一中所述在400℃保温5h。
3.根据权利要求1所述的一种H-TiO2染料敏化太阳能电池光阳极的制备方法，其特征在于步骤一中所述在500℃保温4h。
4.根据权利要求1所述的一种H-TiO2染料敏化太阳能电池光阳极的制备方法，其特征在于步骤一中在温度为90℃的条件下加热溶解20min。
5.根据权利要求1所述的一种H-TiO2染料敏化太阳能电池光阳极的制备方法，其特征在于步骤二中在温度为500℃的条件下保温0.5h。
6.根据权利要求1所述的一种H-TiO2染料敏化太阳能电池光阳极的制备方法，其特征在于步骤二中所述H-TiO2粉体与乙基纤维素的质量比为1:0.3。
7.根据权利要求1所述的一种H-TiO2染料敏化太阳能电池光阳极的制备方法，其特征在于步骤二中所述H-TiO2粉体与松油醇的质量比为1:5。
8.根据权利要求1所述的一种H-TiO2染料敏化太阳能电池光阳极的制备方法，其特征在于步骤二中所述H-TiO2粉体与乙醇的质量比为1:4。
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CN105931847B (zh) * 2016-05-26 2017-03-22 河南理工大学 一种煤基石墨烯纤维光电极的制备方法及其在低浓度瓦斯光电转化中的应用

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