一种染料敏化太阳能电池光阳极及其制备方法技术

本发明专利技术属于太阳能电池用材料制备领域，特别是一种染料敏化太阳能电池光阳极及其制备方法。该光阳极为透明导电玻璃基板及导电玻璃基板上的一层经过物理掺杂的纳米TiO2薄膜构成，所掺物质为Nb掺杂SrTiO3，薄膜厚度为1～7μm。本发明专利技术利用Nb掺杂SrTiO3高电导率和热电效应在光阳极中帮助电子空穴分离，提高了光阳极的电子传输效率，使光阳极具备高电流密度，高光电转化效率的性能。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于太阳能电池用材料制备领域，特别是一种染料敏化太阳能电池光阳极及其制备方法。技术背景染料敏化太阳能电池是近二十年来基于纳米技术发展起来的一种新型的太阳电池,因成本低廉，而被誉为最有商业应用前景的太阳电池之一。在染料敏化太阳能电池中，染料敏化剂受到入射光子激发，产生电子－空穴对，电子快速注入到光阳极导带，并经光阳极输运到导电基板；同时光子激发产生的正电荷经氧化还原电解质的传递到对电极，构成电池。其中光阳极既要接受电子的快速注入，将电子与空穴尽快的分离，还要将接收到的电子传导至透明导电薄膜电极，这两个环节对电池的短路电流密度以及填充因子都有着非常重要的影响。染料敏化太阳能电池光阳极由透明导电玻璃基板及基板上的光阳极材料构成，截至目前光阳极材料普遍采用的是纳米多孔TiO2，但是TiO2的本征电导率低，限制了电子在导带中的传递速度，导致光阳极中电子与空穴不能快速分离因而产生复合，使得染料敏化太阳能电池的短路电流密度偏低，光电转化效率低。因此采用纳米多孔TiO2做光阳极材料的染料敏化太阳能电池存在电流密度低，光电转化效率低的弊病。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是，提供一种具有高电流密度，高光电转化效率的染料敏化太阳能电池光阳极及其制备方法。为解决上述技术问题，本专利技术所提供技术方案是一种染料敏化太阳能电池光阳极，该光阳极为透明导电玻璃基板及导电玻璃基板上的一层经过物理掺杂的纳米TiO2薄膜构成，所掺物质为Nb掺杂SrTiO3，薄膜厚度为1μm～7μm。上述染料敏化太阳能电池光阳极的制备方法包括以下步骤：步骤1、将硝酸锶和氢氧化钠按照摩尔比1：10～13溶解于去离子水中搅拌至混合均匀得到溶液A；步骤2、将钛酸四丁酯和乙醇铌加到无水丁醇中，钛酸四丁酯和乙醇铌的摩尔总量与步骤1中硝酸锶摩尔量相等，钛酸四丁酯摩尔量占摩尔总量的80％～95％，乙醇铌摩尔量占摩尔总量的20％～5％，搅拌至混合均匀得到溶液B；步骤3、加入油酸至无水丁醇中，所加油酸与步骤1中硝酸锶的摩尔比为1：7～10，搅拌至混合均匀得到溶液C；步骤4、将步骤1制得的溶液A、步骤2制得的溶液B和步骤3制得的溶液C混合后搅拌至溶液混合均匀，转移到水热反应容器中，在150～250℃条件下保温20～24小时后自然冷却到室温，将产物用去离子水离心洗涤3～5次后在60～120℃下烘1～3天，得到Nb掺杂SrTiO3粉体；步骤5、取步骤4制得的Nb掺杂SrTiO3粉体与粒径为5～10nm的二氧化钛粉末混合得到混合粉末D，Nb掺杂SrTiO3粉体质量占混合粉末总质量的0.1％～10％；将混合粉末D、松油醇、乙基纤维素和无水乙醇按质量比1：4～5:0.5～0.75:90～110置于容器中，搅拌至混合均匀后得到悬浊液，对悬浊液进行旋转蒸发，得到浆料全部附着于旋蒸瓶内壁；其中乙基纤维素需配为溶液使用；步骤6：将步骤5制得的浆料涂覆于导电玻璃基板上，形成光阳极薄膜，薄膜厚度为1μm～7μm，然后将涂覆好的导电玻璃基板放入加热设备中进行烧结处理，以1～7℃/min的升温速率升温到500～600℃后保持30～120min，得到目标电极。步骤6中将制得的浆料涂覆于导电玻璃基板上，所采用的涂覆技术为刮涂或丝网印刷。实验验证得到，步骤5中称取Nb掺杂SrTiO3粉体与粒径为5～10nm的二氧化钛粉末混合得到混合粉末D，Nb掺杂SrTiO3粉体质量占总质量的1％时制备出的光阳极光电转化效率最高。本专利技术提供的染料敏化太阳能电池光阳极应用于染料敏化太阳能电池中，利用Nb掺杂SrTiO3高电导率和热电效应帮助电子空穴分离，提高了光阳极的电子传输效率，因此用本专利技术提供的光阳极具备高电流密度，高光电转化效率的性能。附图说明图1为水热制备的Nb掺杂SrTiO3的XRD图；图2为水热制备的Nb掺杂SrTiO3的SEM图；图3为实施例1、2、3的光阳极与TiO2光阳极组装的染料敏化太阳能电池的光电流电压对比曲线图。具体实施方式本专利技术利用热电和光电材料的复合，在光阳极中发挥各自的特性优势，帮助电子空穴对的分离和传输，进而提高光电转化效率，下面将更详细地描述本公开的示例性实施例:实施例1：1.水热法制备20％Nb掺杂的SrTiO3纳米粉体：将1mmolSr(NO3)2和12.5mmol的NaOH溶解于10ml去离子水中得到溶液A，将0.8mmol钛酸四丁酯和0.2mmol乙醇铌溶解于5ml无水丁醇中得到溶液B，将2.5ml的油酸溶解于5ml的无水丁醇中得到溶液C，将溶液A，溶液B，溶液C混合后搅拌至溶液混合均匀，将混合溶液转移到50ml反应水热釜中，密闭后在200℃反应24小时，反应完毕后自然冷却到室温，用去离子水离心洗涤4次，最后在80℃下烘48小时后得到Nb掺杂的SrTiO3纳米粉体。2.复合浆料的制备：称取0.002g步骤1制备的Nb掺杂的SrTiO3纳米粉体，和0.398g的二氧化钛将二者混合，Nb掺杂的SrTiO3纳米粉体占混合粉体总质量的0.5％，再称取5g质量分数为4％的乙基纤维素和1.6g松油醇，全部加入烧杯中，最后加无水乙醇至50ml，搅拌半小时后超声分散半小时，如此重复5次，使两种纳米粉体完全均匀分散得到悬浊液，完成以上步骤后，旋转蒸发悬浊液后得到复合浆料全部附着于旋蒸瓶内壁。3.导电玻璃基片的清洗：先将导电玻璃基片用洗涤剂刷洗至冲洗后水能够在玻璃表面均匀摊开，接着将刷洗好的导电玻璃基片分别依次泡入洗涤剂溶液、去离子水、乙醇、丙酮、异丙醇中各超声清洗20分钟，最后将上述处理的导电玻璃基片放入异丙醇中静置待用。4.选取4μm厚的胶带，用直径5mm的打孔器在其上较为居中的位置打孔，将打孔后胶带粘在玻璃导电面上，用刀片蘸取浆料在胶带上刮涂，得到平整表面，撕去胶带后，便能得到一定厚度一定面积的圆形平整薄膜，这样刮涂出的薄膜制备方便，面积固定，方便后期进行性能测试比较。5.将刮涂好浆料的导电玻璃基板放入马弗炉中以3℃/min的升温速率升温到500℃后保温45min，去除有机物，即得到所述光阳极。而后将光阳极泡入配置好的N719染料溶液敏化12小时，敏化完成后用酒精冲洗干净，将光阳极与对电极组装在一起并滴加电解液进行光电测试，测试得到：开路电压：0.717V，短路电流密度：19.12mA/cm2，填充因子：0.51，光电转化效率：6.992％。实施例2：本实施例公开了一种复合光阳极的制备方法，其中的制备过程与实施例1相同，其区别仅在于：步骤2复合浆料制备中，称取Nb掺杂的SrTiO3纳米粉体质量为0.004g，二氧化钛质量为0.398g，二者混合后Nb掺杂的SrTiO3纳米粉体占混合粉体总质量的1％，二氧化钛占99％；对该光阳极进行光电测试，测试得到：开路电压：0.709V，短路电流密度：20.90mA/cm2，填充因子：0.53，光电转化效率：7.855％。实施例3：本实施例公开了一种复合光阳极的制备方法，其中的制备过程与实施例1相同，其区别仅在于：步骤2复合浆料制备中，称取Nb掺杂的SrTiO3纳米粉体质量为0.02g，二氧化钛质量为0.38g，二者混合后Nb掺杂的SrTiO3纳米粉体占混合粉体总质量的5％，二氧化钛占95％；对该光阳极进行光电测试，测试得到：本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种染料敏化太阳能电池光阳极，其特征在于：该光阳极由透明导电玻璃基板及导电玻璃基板上的一层经过物理掺杂的纳米TiO2薄膜构成，所掺物质为Nb掺杂SrTiO3，薄膜厚度为1μm～7μm。

【技术特征摘要】
1.一种染料敏化太阳能电池光阳极，其特征在于：该光阳极由透明导电玻璃基板及导电玻璃基板上的一层经过物理掺杂的纳米TiO2薄膜构成，所掺物质为Nb掺杂SrTiO3，薄膜厚度为1μm～7μm。2.如权利要求1所述染料敏化太阳能电池光阳极的制备方法，包括以下步骤：步骤1、将硝酸锶和氢氧化钠按照摩尔比1：10～13溶解于去离子水中搅拌至混合均匀得到溶液A；步骤2、将钛酸四丁酯和乙醇铌加到无水丁醇中，钛酸四丁酯和乙醇铌的摩尔总量与步骤1中硝酸锶摩尔量相等，钛酸四丁酯摩尔量占摩尔总量的80％～95％，乙醇铌摩尔量占摩尔总量的20％～5％，搅拌至混合均匀得到溶液B；步骤3、加入油酸至无水丁醇中，所加油酸与步骤1中硝酸锶的摩尔比为1：7～10，搅拌至混合均匀得到溶液C；步骤4、将步骤1制得的溶液A、步骤2制得的溶液B和步骤3制得的溶液C混合后搅拌至溶液混合均匀，转移到水热反应容器中，在150～250℃条件下保温20～24小时后自然冷却到室温，将产物用去离子水离心洗涤3～5次后在60～120℃下烘1～3天，得到Nb掺杂SrTiO3粉体；步骤5、取步骤4制得的Nb掺杂S...

【专利技术属性】
技术研发人员：何泓材，刘哲廷，王宁，刘涛，
申请(专利权)人：电子科技大学，
类型：发明
国别省市：四川;51