染料敏化太阳能电池光阳极及其制备方法技术

本发明专利技术涉及染料敏化太阳能电池光阳极及其制备方法，所述制备方法包括：将预先制备的包括钛源的前驱体溶液附着在透明导电玻璃的导电面上，蒸发使形成介孔结构二氧化钛薄膜层；将形成有所述介孔结构二氧化钛薄膜层的透明导电玻璃低温焙烧，得到亚稳定状态的介孔结构二氧化钛薄膜层；重复前述2个步骤得到具有多层的亚稳定状态的介孔结构二氧化钛薄膜层的透明导电玻璃；将具有多层的亚稳定状态的介孔结构二氧化钛薄膜层的透明导电玻璃进行高温焙烧，制得稳定状态的介孔结构二氧化钛薄膜光阳极。

【技术实现步骤摘要】
染料敏化太阳能电池光阳极及其制备方法
本专利技术属于染料敏化太阳能电池领域，特别涉及染料敏化太阳能电池的一种光阳极制备方法、由所述方法制得的染料敏化太阳能电池的光阳极以及包含该光阳极的染料敏化太阳能电池。
技术介绍
以太阳能光伏技术为支撑的太阳能利用正在给人类的能源消费结构带来革命性的变化。与传统的硅基太阳能电池相比较，染料敏化太阳电池(Dye-SensitizedSolarCell，简称DSSC)具有廉价的成本、丰富的资源、稳定的性能、生产过程简单、无毒、无污染且适合大规模生产等优势。同时染料敏化太阳能电池相对其他太阳能电池具有巨大的价格优势，据估计，DSSC的成本仅为硅太阳能电池的1/5～1/10，DSSC将成为一种具有竞争力的商业化产品。染料敏化太阳电池是一种光电化学太阳电池，它主要由纳米晶半导体光阳极、染料敏化剂、电解质和对电极四部分构成。其中光阳极是DSSC电池的核心部件，其结构和组成强烈影响着电池的光伏性能，特别是转换效率。染料敏化太阳能电池(DSSC)已经在1991年被开发出来。它们是使用低成本材料制造，并且它们的制造不需要复杂的设备。它们将由硅提供的两种功能分离：半导体的主体用于电荷输送和光电子由分离的光敏染料产生。染料敏化太阳能电池为图1中所示的夹心结构，并且典型地通过如下步骤制备：提供由掺氟的二氧化锡透明导电膜(FTO)玻璃板；在FTO侧向该经涂覆的玻璃板涂布金属氧化物(通常为二氧化钛)的浆料；将所述板加热至约450-500℃的温度至少1小时的时间；将上述涂覆板在染料溶液中浸渍约24小时的时间以使所述染料共价结合至二氧化钛的表面；提供另一涂覆有铂对电极玻璃板；将这两块玻璃板密封并且在所述板之间引入电解质溶液，以将染色(dye)的金属氧化物和电解质包在两导电板之间和防止电解质泄漏。在这样的染料敏化电池中，光子撞击染料，使染料转变到能够将电子注入到二氧化钛光阳极导带中的激发态，所述电子从所述二氧化钛的导带扩散至阳极。从染料/TiO2体系失去的电子通过在对电极处将碘化物氧化成三碘化物而归还，该反应足够快以使光化学循环能够继续。DSSC产生约0.8V的能与硅太阳能电池的最高电压相比的最高电压。DSSC相比于硅太阳能电池的一个重要优点是染料分子将电子注入到二氧化钛导带中，产生激发态染料分子而不是在邻近固体中产生电子空位，从而降低电子/空穴的快速复合。因此，它们能够这样的低的光条件下运行：在所述低的光条件下，在硅太阳能电池中电子/空穴复合变为支配性机理。DSSC的主要缺点在于使二氧化钛纳米颗粒染色所必需的长时间：使对于太阳能电池应用所必需的二氧化钛层染色花费12-24小时。因此，需要一种染料敏化太阳能电池的高效快捷的光阳极制备方法，使之能够快速的吸附尽量多的染料。
技术实现思路
针对现有技术的以上缺陷，本专利技术的目的在于提供一种染料敏化太阳能电池的高效快捷的光阳极制备方法。在此，本专利技术提供一种染料敏化太阳能电池光阳极制备方法，所述制备方法包括：将预先制备的包括钛源的前驱体溶液附着在透明导电玻璃的导电面上，蒸发使形成介孔结构二氧化钛薄膜层；将形成有所述介孔结构二氧化钛薄膜层的透明导电玻璃低温焙烧，得到亚稳定状态的介孔结构二氧化钛薄膜层；重复前述2个步骤得到具有多层(也就是至少2层以上)的亚稳定状态的介孔结构二氧化钛薄膜层的透明导电玻璃；将具有多层的亚稳定状态的介孔结构二氧化钛薄膜层的透明导电玻璃进行高温焙烧，制得稳定状态的介孔结构二氧化钛薄膜光阳极。本专利技术采用提拉制膜方法在FTO玻璃的基底上制备单层二氧化钛薄膜；蒸发使二氧化钛薄膜形成介孔结构；加热使介孔结构二氧化钛薄膜趋于亚稳定状态；反复以制作多层介孔结构二氧化钛薄膜；最后高温烧结生成稳定态的介孔结构二氧化钛薄膜光阳极。这种方法制成的厚度为10μm的光阳极具有高达18.62*10-8mol/cm2的染料吸附率，这源自介孔结构二氧化钛的比表面积(129m2g-1左右，图1为测试曲线)约为现有商用染料敏化太阳能电池光阳极材料P25比表面积(50m2g-1左右)的2.5倍，而后者对应光阳极的染料吸附率在11.54*10-8mol/cm2左右，还具有不错的光电转换效率(优选的5层结构光电转换效率为3.8-5.0％)，同时制作方法又简单易行，利于调控各项参数，特别适用于染料敏化太阳能电池的制作。较佳地，所述钛源为钛酸异丙酯、钛酸正丁脂、四氯化钛、三氯化钛中的至少一种。较佳地，所述前驱体溶液中钛元素质量百分比为1％～1.5％。所述造孔剂优选为三嵌段共聚物F127和/或P123。本专利技术中，所述前驱体溶液的制备过程可以按下述方法制备，包括：将造孔剂和无水乙醇均匀混合得到溶液A；将盐酸溶液与水按质量比2～2.5的比例混合得到溶液B，其中，盐酸溶液中盐酸的摩尔浓度为10mol/L～12mol/L；将溶液A与溶液B按照质量比为4.5～5均匀混合得到溶液C；将钛源缓慢滴入溶液C并持续搅拌，搅拌时间1～2小时。本专利技术介孔结构二氧化钛薄膜层的制作可以使用提拉法制作。较佳地，所述提拉法制膜的工艺条件是：以下降速度200～400毫米/分钟将透明导电玻璃浸入前驱体溶液，静置50～300秒，以上升速度50～100毫米/分钟将透明导电玻璃提拉出前驱体溶液。较佳地，所述蒸发包括：将附着了前驱体溶液的透明导电玻璃置于饱和硝酸镁、饱和溴化钠或饱和碘化钾溶液营造的湿度为50～70％的环境中蒸发6～12小时。较佳地，所述低温焙烧的焙烧温度为80～150℃，焙烧时间为20～60分钟。较佳地，所述稳定状态的介孔结构二氧化钛薄膜的厚度为0.45～0.55微米。较佳地，高温焙烧的焙烧温度为300～400℃，焙烧时间为150～200分钟，升温速率0.8～1.2℃/分钟。本专利技术的目的还在于提供一种光阳极，所述光阳极由上述制备方法制备得到。本专利技术的另一目的还在于提供一种高光电转换效率的染料敏化太阳能电池，所述染料敏化太阳能电池包括上述光阳极，例如由掺氟的二氧化锡透明导电膜(FTO)玻璃、光阳极、光敏染料、传导电解质、镀铂导电玻璃组成的染料敏化太阳能电池。附图说明图1是染料敏化太阳能电池的结构示意图；图2是介孔二氧化钛孔吸附曲线；图3是介孔二氧化钛孔径分布图；图4是介孔二氧化钛透射电镜图；图5是1、3、5层介孔二氧化钛薄膜光阳极I-V曲线图(实施例1)；图6是介孔二氧化钛粉末的X射线衍射图；图7是介孔二氧化钛薄膜光阳极扫描电镜截面图；图8是1、3、5层介孔二氧化钛薄膜光阳极I-V曲线图(实施例2)。具体实施方式以下结合附图和下述实施方式进一步说明本专利技术，应理解，下述实施方式仅用于说明本专利技术，而非限制本专利技术。本专利技术提供了一种制作具有多层的介孔结构二氧化钛薄膜层的染料敏化太阳能电池光阳极。其包括制作用以形成介孔结构二氧化钛薄膜层的前躯体溶液的步骤、以及在FTO玻璃上形成具有多层的介孔结构二氧化钛薄膜层的步骤。其中，对于在FTO玻璃上形成的介孔结构二氧化钛薄膜层，每形成一层均先进行低温焙烧使所述介孔结构二氧化钛薄膜层为亚稳定状态，以此反复形成多层，再将具有多层的亚稳定状态的介孔结构二氧化钛薄膜层的透明导电玻璃进行高温焙烧，以使所述介孔结构二氧化钛薄膜层由亚稳定状态转变为稳定状态，从而制得具有的本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种染料敏化太阳能电池光阳极制备方法，其特征在于，所述制备方法包括：将预先制备的包括钛源的前驱体溶液附着在透明导电玻璃的导电面上，蒸发使形成介孔结构二氧化钛薄膜层；将形成有所述介孔结构二氧化钛薄膜层的透明导电玻璃低温焙烧，得到亚稳定状态的介孔结构二氧化钛薄膜层；重复前述2个步骤得到具有多层的亚稳定状态的介孔结构二氧化钛薄膜层的透明导电玻璃；将具有多层的亚稳定状态的介孔结构二氧化钛薄膜层的透明导电玻璃进行高温焙烧，制得稳定状态的介孔结构二氧化钛薄膜光阳极。

【技术特征摘要】
1.一种染料敏化太阳能电池光阳极制备方法，其特征在于，所述制备方法包括：将预先制备的包括钛源的前驱体溶液附着在透明导电玻璃的导电面上，蒸发使形成介孔结构二氧化钛薄膜层；将形成有所述介孔结构二氧化钛薄膜层的透明导电玻璃低温焙烧，得到亚稳定状态的介孔结构二氧化钛薄膜层；重复前述2个步骤得到具有多层的亚稳定状态的介孔结构二氧化钛薄膜层的透明导电玻璃；将具有多层的亚稳定状态的介孔结构二氧化钛薄膜层的透明导电玻璃进行高温焙烧，制得稳定状态的介孔结构二氧化钛薄膜光阳极。2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述钛源为钛酸异丙酯、钛酸正丁脂、四氯化钛、三氯化钛中的至少一种。3.根据权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于，所述前驱体溶液中钛元素质量百分比为1%～1.5%。4.根据权利要求1至3中任一项所述的制备方法，其特征在于，使用提拉法制制备所述介孔结构二氧化钛薄膜层，所述提拉法制膜的工艺条件是：以下降速度200～400毫米/分钟将透明导电玻璃浸...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄富强，陈盎然，
申请(专利权)人：中国科学院上海硅酸盐研究所，
类型：发明
国别省市：上海,31