CN107039190B - 一种包含二氧化钛空心球结构的染料敏化太阳能电池 - Google Patents

一种包含二氧化钛空心球结构的染料敏化太阳能电池 Download PDF

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Abstract

本申请涉及一种包含二氧化钛空心球结构的染料敏化太阳能电池，包括光阳极、染料敏化剂、氧化还原电解质和对电极，该光阳极包括FTO基底、ZnO微球层和TiO2空心球层，其中，该ZnO微球层设于FTO基底表面，该TiO2空心球层设于ZnO微球层表面。

Description

一种包含二氧化钛空心球结构的染料敏化太阳能电池
技术领域
本申请涉及染料敏化太阳能电池领域，尤其涉及一种包含二氧化钛空心球结构的染料敏化太阳能电池。
背景技术
能源是国民经济和社会发展的重要物质基础，目前，主要依赖石油、煤炭、天然气等传统能源，但传统能源的有限性及开发过程中带来的环境问题日益严重，严重制约了经济和社会的发展。而太阳能是取之不尽、用之不竭的清洁能源，其能很好的满足人类对能源的需求，但是就目前太阳能电池高成本一直是太阳能电池推广使用的瓶颈，也是太阳能电池能否大范围推广使用的先决条件。
染料敏化太阳能电池(DSSC)，以其原材料丰富、成本低、无毒、相对简单的制作工艺等优点，吸引了学界、工业界的广泛关注，目前，所见最多的是基于TiO2薄膜的小面积染料敏化太阳能电池，影响DSSC光电转换效率的因素有很多，其中包括光阳极、对电极、染料敏化剂、氧化还原电解质、电池封装等，特别是光阳极，对电池的光电转换效率有着至关重要的影响。为了改善光阳极，人们一直在探索不同的途径，其中包括制备不同形貌的纳米材料。
发明内容
本发明旨在提供一种包含二氧化钛空心球结构的染料敏化太阳能电池，以解决上述提出问题。
本发明的实施例中提供了一种包含二氧化钛空心球结构的染料敏化太阳能电池，包括光阳极、染料敏化剂、氧化还原电解质和对电极，该光阳极包括FTO 基底、ZnO微球层和TiO2空心球层，其中，该ZnO微球层设于FTO基底表面，该TiO2空心球层设于ZnO微球层表面。
本发明的实施例提供的技术方案可以包括以下有益效果：
本发明的染料敏化太阳能电池包括光阳极、染料敏化剂、氧化还原电解质和对电极，该光阳极包括FTO基底、ZnO微球层和TiO2空心球层，其中，该 ZnO微球层设于FTO基底表面，该TiO2空心球层设于ZnO微球层表面；在上述ZnO微球、TiO2空心球的协同作用下，使得本申请的光阳极在染料吸附性能、比表面积、光散射性能、电子传输性能方面均有较大的提高，有效提高了光电转换效率。
本申请附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本申请的实践了解到。应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本申请。
附图说明
利用附图对本发明作进一步说明，但附图中的实施例不构成对本发明的任何限制，对于本领域的普通技术人员，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据以下附图获得其它的附图。
图1是本发明染料敏化太阳能电池的结构示意图。
其中，1-光阳极，3-氧化还原电解质，4-对电极，11-FTO基底，12-ZnO微球层，13-TiO2空心球层。
具体实施方式
这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本发明相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本发明的一些方面相一致的装置和方法的例子。
本申请的实施例涉及一种包含二氧化钛空心球结构的染料敏化太阳能电池，该染料敏化太阳能电池包括光阳极1、染料敏化剂、氧化还原电解质3和对电极 4，其中，该光阳极1包含二氧化钛空心球结构。
对电极4是在FTO基底的上表面印刷有铂；染料敏化剂为N719钌染料；氧化还原电解质3的组份为0.6mol/l的1-丁基-3-甲基咪唑碘盐、0.03mol/l的碘、 0.5mol/l的叔丁基吡啶、0.1mol/l的硫氰酸胍、0.05mol/l的碘化锂的乙腈溶液。
该光阳极1包括FTO基底11、ZnO微球层12和TiO2空心球层13，其中，该ZnO微球层12设于FTO基底11表面，该TiO2空心球层13设于ZnO微球层 12表面，具体结构如图1所示。
在该光阳极1中，包括TiO2空心球层13，其中，该TiO2空心球层13厚度为30μm，TiO2空心球直径为10μm，该TiO2空心球是以花粉为模板制备的，该 TiO2空心球的球壳层是由TiO2纳米晶团聚而成。
本申请的光阳极中，不同于一般情况下的TiO2颗粒，而采用TiO2空心球结构，在该TiO2空心球中，其以花粉为模板制备，因此，其球壳层表面表现为类似花粉的开放的孔网状结构，并且该球壳层是由TiO2纳米晶团聚而成，在该种结构下，其除了具有较大的比表面积能够吸附较多的染料外，还能够有效提高光的散射性能。
在该光阳极1中，在FTO基底11和TiO2空心球层13之间还设有ZnO微球层12，该ZnO微球层12厚度为30μm，该ZnO微球的直径为2μm，上述的 ZnO微球是由ZnO纳米颗粒团聚而成的，该ZnO纳米颗粒直径为30nm。
本申请的光阳极中，不同于一般情况下的TiO2颗粒，在FTO基底和TiO2空心球层之间设有ZnO微球层，氧化锌是一种具有多种功能的半导体材料，其在气体传感器、场致电子发射等领域具有广泛应用，将氧化锌材料与二氧化钛材料结合作为光阳极材料的技术方案不多，本申请中，由于氧化锌与二氧化钛具有相似的禁带宽度和电子亲和性，TiO2空心球与ZnO微球结合，使得染料的吸附大大增加。
在上述ZnO微球、TiO2空心球的协同作用下，使得本申请的光阳极在染料吸附性能、比表面积、光散射性能、电子传输性能方面均有较大的提高，有效提高了光电转换效率。
本申请所述染料敏化太阳能电池的制备过程如下：
a、制备ZnO微球层
a1、将500ml的甲醇溶液和8g的二水乙酸锌在磁力搅拌下搅拌均匀；
a2、然后将清洗干净的FTO基底放入该甲醇溶液中，导电面朝上，恒温60℃反应24h，然后将FTO基底取出，清洗、干燥；
a3、将该FTO基底在350℃下煅烧70min，升温速率为6℃/min，煅烧后自然降温，在FTO基底上得到ZnO微球层；
b、制备TiO2空心球
b1、首先，筛选出直径10μm的油菜花花粉，取6g用酒精漂洗、干燥；
b2、然后，向150ml的去离子 水中加入3g的Ti(SO4)2，搅拌20min，再向上述去离子水中加入0.42g的氟化铵和1.2g的尿素，搅拌30min，再向上述去离子水中加入6g花粉，搅拌10min，然后将上述去离子水转移到水热釜中，将其在180℃水热反应15h，反应结束后，收集水热釜中白色沉淀，并将其清洗干净，在干燥箱中80℃下干燥10h后得到TiO2空心球；
c、制备光阳极
c1、取上述得到的TiO2空心球2g，松油醇7g，10％的乙基纤维素乙醇溶液9g，将上述物质放入30ml的无水乙醇溶液中，不断磁力搅拌，直至乙醇挥发变为粘性浆料，得到TiO2空心球浆料；
c2、取少量TiO2空心球浆料涂覆在a3中得到的FTO基底表面，晾干，然后将该FTO基底在马弗炉中退火1h，退火温度为440℃，然后再在480℃退火 1h，其中升温速率均为1℃/min，退火结束后，得到本申请的光阳极；
d、吸附染料
将制备好的上述光阳极放入50mmol/L N719钌染料的无水乙醇溶液中浸泡 24h，取出后用无水乙醇洗去表面残留的染料敏化剂，吹干后避光保存；
e、制备对电极
在事先打过一个小孔并清洗干净的FTO基底上印刷一层铂浆料，在马弗炉中420℃下烧结30min，得到负载有铂电极的对电极；
f、封装
将上述得到的吸附有染料的光阳极与对电极对叠，封装，注入电解液，封住小孔，组装成染料敏化太阳能电池。
采用Keithley2400数字电源表和太阳光模拟器(光源500W的氙灯，AM＝1.5) 测试得到的电池1～3的I-V特征曲线，从测试结果中得到染料电池的开路电压 Voc为0.97V，短路电流密度Jsc为20.04mA/cm2，光电转换效率η为11.5％，可以看到，本申请的染料敏化太阳能电池中，表现较好的光电转换效率。
以上所述仅为本发明的较佳方式，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种包含二氧化钛空心球结构的染料敏化太阳能电池，包括光阳极、染料敏化剂、氧化还原电解质和对电极，其特征在于，该光阳极包括FTO基底、ZnO微球层和TiO2空心球层，其中，该ZnO微球层设于FTO基底表面，该TiO2空心球层设于ZnO微球层表面；所述的染料敏化太阳能电池的制备过程如下：
a、制备ZnO微球层
a1、将500ml的甲醇溶液和8g的二水乙酸锌在磁力搅拌下搅拌均匀；
a2、然后将清洗干净的FTO基底放入该甲醇溶液中，导电面朝上，恒温60℃反应24h，然后将FTO基底取出，清洗、干燥；
a3、将该FTO基底在350℃下煅烧70min，升温速率为6℃/min，煅烧后自然降温，在FTO基底上得到ZnO微球层；
b、制备TiO2空心球
b1、首先，筛选出直径10μm的油菜花花粉，取6g用酒精漂洗、干燥；
b2、然后，向150ml的去离子 水中加入3g的Ti(SO4)2，搅拌20min，再向上述去离子水中加入0.42g的氟化铵和1.2g的尿素，搅拌30min，再向上述去离子水中加入6g花粉，搅拌10min，然后将上述去离子水转移到水热釜中，将其在180℃水热反应15h，反应结束后，收集水热釜中白色沉淀，并将其清洗干净，在干燥箱中80℃下干燥10h后得到TiO2空心球；
c、制备光阳极
c1、取上述得到的TiO2空心球2g，松油醇7g，10％的乙基纤维素乙醇溶液9g，将上述物质放入30ml的无水乙醇溶液中，不断磁力搅拌，直至乙醇挥发变为粘性浆料，得到TiO2空心球浆料；
c2、取少量TiO2空心球浆料涂覆在a3中得到的FTO基底表面，晾干，然后将该FTO基底在马弗炉中退火1h，退火温度为440℃，然后再在480℃退火1h，其中升温速率均为1℃/min，退火结束后，得到本申请的光阳极；
d、吸附染料
将制备好的上述光阳极放入50mmol/L N719钌染料的无水乙醇溶液中浸泡24h，取出后用无水乙醇洗去表面残留的染料敏化剂，吹干后避光保存；
e、制备对电极
在事先打过一个小孔并清洗干净的FTO基底上印刷一层铂浆料，在马弗炉中420℃下烧结30min，得到负载有铂电极的对电极；
f、封装
将上述得到的吸附有染料的光阳极与对电极对叠，封装，注入电解液，封住小孔，组装成染料敏化太阳能电池。
2.根据权利要求1所述的染料敏化太阳能电池，其特征在于，该TiO2空心球层厚度为30μm。
3.根据权利要求2所述的染料敏化太阳能电池，其特征在于，该TiO2空心球直径为10μm，该TiO2空心球是以花粉为模板制备的，该TiO2空心球的球壳层是由TiO2纳米晶团聚而成。
4.根据权利要求1所述的染料敏化太阳能电池，其特征在于，在FTO基底和TiO2空心球层之间还设有ZnO微球层，该ZnO微球层厚度为30μm。
5.根据权利要求4所述的染料敏化太阳能电池，其特征在于，该ZnO微球的直径为2μm，ZnO微球是由ZnO纳米颗粒团聚而成的，该ZnO纳米颗粒直径为30nm。
6.根据权利要求1所述的染料敏化太阳能电池，其特征在于，对电极是在FTO基底的上表面印刷有铂；染料敏化剂为N719钌染料；氧化还原电解质的组份为0.6mol/l的1-丁基-3-甲基咪唑碘盐、0.03mol/l的碘、0.5mol/l的叔丁基吡啶、0.1mol/l的硫氰酸胍、0.05mol/l的碘化锂的乙腈溶液。
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