專利名稱：染料敏化太陽能電池納米復(fù)合光陽極的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及新能源的開發(fā)與利用研究領(lǐng)域，具體涉及一種染料敏化太陽能電池納米復(fù)合光陽極的制備方法。
背景技術(shù)：
經(jīng)過十年的研究，染料敏化太陽能電池(Dye-sensitized solar cell，簡稱DSSC) 中光生電子的產(chǎn)生和復(fù)合間的競爭是進(jìn)一步提高其光電轉(zhuǎn)換效率的主要瓶頸。因此，攻克此難題的方向有兩個一、產(chǎn)生更多的光生電子；二、減少電子的反向復(fù)合。近年來，科學(xué)家從理論和實(shí)驗(yàn)上證明一種可增加光生電子的有效途徑是在光陽極引入光散射媒質(zhì)，利用光增強(qiáng)效應(yīng)來提高陽極的電子產(chǎn)出能力。而減少電子反向復(fù)合的最有效的解決辦法就是將一維納米結(jié)構(gòu)引入到陽電極中，縮短電子傳輸路徑、增加電子擴(kuò)散自由程。氧化鋅具有優(yōu)異的光學(xué)性能和電子傳輸能力，在導(dǎo)電基片上生長ZnO納米線作為 DSSC的陽電極，可以促進(jìn)電荷分離，加快電子傳輸并減少電子復(fù)合。自從2005年P(guān)eidong Yang提出這一概念以來，在導(dǎo)電基片上大面積、低成本制備SiO陣列膜成為了科學(xué)界的研究熱點(diǎn)。而目前報(bào)道的這種電極結(jié)構(gòu)DSSC的光電轉(zhuǎn)換效率都很不理想，主要原因是此類電極的比表面積較小，吸附的染料有限，抑制了電池效率的提高。TiO2納米晶多孔膜作為傳統(tǒng)的DSSC的光陽極為電池提供了大的比表面積，并且這種納米晶孔狀結(jié)構(gòu)可以充當(dāng)光散射層，增加光的傳播路徑，更有效的利用太陽光激發(fā)染料產(chǎn)生光生電子。本發(fā)明在ZnO納米線陣列表面印刷TW2納米晶多孔膜，可將兩種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)結(jié)合起來，從而有效提高染料敏化太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種染料敏化太陽能電池納米復(fù)合光陽極的制備方法。該復(fù)合電極可以加快注入電子的傳輸、減少電子的反向復(fù)合，同時(shí)可以提高電極的比表面積，有利于吸附更多的染料，是一種可以提高染料敏化太陽能電池光電轉(zhuǎn)換效率的理想電極。本發(fā)明提供一種染料敏化太陽能電池納米復(fù)合光陽極的制備方法，包括以下幾個步驟步驟1:取一導(dǎo)電基片；步驟2 在導(dǎo)電基片上沉積SiO晶種層，有利于ZnO納米線的外延生長；步驟3 采用水熱化學(xué)反應(yīng)法，在SiO晶種層上外延生長ZnO納米線陣列，有利于光生電子的直線傳輸；步驟4 采用絲網(wǎng)印刷技術(shù)在ZnO納米線陣列的表面印刷TiA漿料；步驟5 加熱，使TiA漿料中的有機(jī)溶劑揮發(fā)，得到TiA納米晶多孔膜，完成TiA 納米晶多孔膜和ZnO納米線陣列納米復(fù)合光陽極的制備。其中在導(dǎo)電基片上沉積aio晶種層是采用磁控濺射、蒸鍍或溶膠-凝膠的方法。其中SiO晶種層的厚度為200-300nm。
其中外延生長ZnO納米線陣列3時(shí)，采用的方法是水熱化學(xué)反應(yīng)法，采用的鋅源為硝酸鋅或醋酸鋅溶液，該硝酸鋅或醋酸鋅溶液的濃度為50mM-100mM，該水熱反應(yīng)溶液的pH 值為9. 8-10. 3，反應(yīng)溫度為90-120°C，反應(yīng)時(shí)間為5-12小時(shí)。其中絲網(wǎng)印刷TiO2漿料的次數(shù)為1-5次，TiO2漿料每印刷一次，在溫度為120°C時(shí)干燥5分鐘。其中對復(fù)合電極進(jìn)行加熱時(shí)，是采取分步升溫的方式，從室溫至150°C，升溫速度為1-3°C /min，之后以5°C /min升溫至500°C，在500°C時(shí)保持20-40分鐘。其中導(dǎo)電基片是導(dǎo)電玻璃或?qū)щ娝芰?。本發(fā)明的有益效果在于本發(fā)明提出了一種染料敏化太陽能電池納米復(fù)合光陽極的制備方法，將TiO2納米晶多孔膜4和ZnO納米線陣列3復(fù)合電極結(jié)構(gòu)作為DSSC的光陽極，把ZnO納米線陣列3較高的光利用率和良好的電子傳輸特性的優(yōu)點(diǎn)同TW2納米晶多孔膜4具有更大的比表面積的優(yōu)點(diǎn)結(jié)合起來，優(yōu)化了光陽極的微結(jié)構(gòu)，復(fù)合光陽極不僅有利于提高光敏染料的吸附量， 保障電極具有較高的光捕獲效率，而且有助于提高光生電子的產(chǎn)生率和傳輸能力，減少光生電子的反向復(fù)合，從而有望大幅度提高染料敏化太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率。進(jìn)一步，TiA納米晶多孔膜4可作為透射過ZnO納米線陣列3光線的漫反射層，使得光線在納米線陣列中傳播時(shí)間增長，增大了激發(fā)染料的機(jī)會。


為使本發(fā)明的目的，技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合具體實(shí)施例，并參照附圖，對本發(fā)明進(jìn)一步詳細(xì)說明，其中圖1是TW2納米晶多孔膜和ZnO納米線陣列復(fù)合光陽極的示意圖。
具體實(shí)施例方式請參閱圖1所示，本發(fā)明提供一種染料敏化太陽能電池納米復(fù)合光陽極的制備方法，包括以下幾個步驟步驟1 取一導(dǎo)電基片1，該導(dǎo)電基片1是導(dǎo)電玻璃或?qū)щ娝芰?，首先對?dǎo)電基片1 進(jìn)行充分的清洗，將其分別在丙酮、乙醇和去離子水中超聲20分鐘，并用氮?dú)獯蹈?，待用；步驟2 在導(dǎo)電基片1上沉積SiO晶種層2，所述的在導(dǎo)電基片1上沉積SiO晶種層2是采用磁控濺射、蒸鍍或溶膠-凝膠的方法，該SiO晶種層2的厚度為200-300nm，該 ZnO晶種層2的作用是降低導(dǎo)電基片1與SiO納米線之間的晶格失配，有利于SiO納米線在 ZnO晶種層2的表面外延取向生長；步驟3 采用水熱化學(xué)反應(yīng)法，在ZnO晶種層2上外延生長ZnO納米線陣列3，其中外延生長SiO納米線陣列3時(shí)，采用的鋅源為硝酸鋅或醋酸鋅溶液，該硝酸鋅或醋酸鋅溶液的濃度為50mM-100mM，通過在該硝酸鋅或醋酸鋅溶液中加入氨水、碳酸氫銨、氫氧化鈉或六亞甲基四胺等堿性物質(zhì)，使水熱反應(yīng)溶液的PH值為9. 8-10. 3，將配好的溶液放入帶聚四氟乙烯內(nèi)襯的高壓反應(yīng)釜中，把SiO晶種層2保持面朝下傾斜放置在反應(yīng)釜中，封釜，采用的水熱反應(yīng)溫度為90-120°C，反應(yīng)時(shí)間為5-12小時(shí)，反應(yīng)結(jié)束后，將高壓釜自然冷卻至室溫， 取出沉積SiO晶種層2的導(dǎo)電基片1，先用去離子水反復(fù)沖洗SiO晶種層2的表面，然后將該水熱反應(yīng)后的ZnO晶種層2在80°C恒溫干燥箱中干燥12小時(shí)，得到ZnO納米線陣列3。 該ZnO納米線陣列3為光生電子提供了直線傳輸?shù)耐緩?，減少了光生電子的傳輸時(shí)間和路徑，并降低了光生電子反向復(fù)合的幾率；步驟4 采用絲網(wǎng)印刷技術(shù)，在ZnO納米線陣列3的表面印刷TiO2漿料，其中TW2 漿料的有效成分是P25 ( 一種銳鈦礦與金紅石相TiO2納米顆粒的混合物，銳鈦礦與金紅石相TiO2的質(zhì)量比為2 1)或純銳鈦礦相TiO2納米顆粒，納米顆粒采用水熱法或溶膠-凝膠法制備，TW2納米顆粒的平均粒徑是25-50nm，TiA漿料的溶劑為松油醇等有機(jī)物質(zhì)。在進(jìn)行絲網(wǎng)印刷時(shí)，首先用乙醇對印刷板和刮板進(jìn)行清洗，然后對其用吹風(fēng)機(jī)吹干，最后調(diào)節(jié)好絲網(wǎng)印刷板上網(wǎng)眼與ZnO納米線3的位置。所述的絲網(wǎng)印刷TW2漿料的次數(shù)為1-5次， TiO2漿料每印刷一次，在溫度為120°C的烘箱中干燥5分鐘，防止多次印刷時(shí)已經(jīng)印刷好的 TiO2漿料層與絲網(wǎng)印刷板粘連；步驟5 加熱，使TiA漿料中的有機(jī)溶劑揮發(fā)，得到TiA納米晶多孔膜4，完成TiA 納米晶多孔膜4和SiO納米線陣列3復(fù)合光陽極的制備，所述的對復(fù)合電極進(jìn)行加熱時(shí)，是采取分步升溫的方式，從室溫至150°c，升溫速度為l-3°c /min，開始加熱時(shí)較慢的升溫速率有利于預(yù)防T^2納米晶多孔膜4的表面由于熱應(yīng)力和表面張力的作用導(dǎo)致的破裂，之后以5°C /min升溫至500°C，在500°C時(shí)保持20-40分鐘，在500°C時(shí)加熱20-40分鐘是為了充分揮發(fā)掉TW2漿料中的有機(jī)物質(zhì)，使TW2納米顆粒之間的空間變成介孔，得到TW2納米晶多孔膜4。通過改變水熱反應(yīng)的條件如反應(yīng)時(shí)間、反應(yīng)溫度、水熱反應(yīng)溶液的濃度和PH值， 可控制aio納米線的直徑和長度；TW2納米晶多孔薄膜4的厚度可以通過調(diào)節(jié)印刷漿料的用量、印刷力度和印刷次數(shù)控制，通過對這兩方面的控制可實(shí)現(xiàn)T^2納米晶多孔薄膜4和 ZnO納米線陣列3復(fù)合光陽極的可控制備。在該TW2納米晶多孔膜4和ZnO納米線陣列3復(fù)合光陽極中，ZnO納米線陣列3為光生電子提供了直線傳輸?shù)穆窂?，可以減少光生電子傳輸時(shí)間并降低其反向復(fù)合的幾率， TiO2納米晶多孔膜4為電極提供了較大的比表面積，有利于提高電極染料的吸附量和光生電子的產(chǎn)量，并且TW2納米晶多孔膜4可作為透射過SiO納米線陣列3光線的漫反射層， 使得光線在納米線陣列中傳播時(shí)間增長，增大了激發(fā)染料的機(jī)會。因此，該復(fù)合電極可以有效的提高染料敏化太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率。以上所述的具體實(shí)施例，對本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果進(jìn)行了進(jìn)一步詳細(xì)說明，所應(yīng)理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實(shí)施例而已，并不用于限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種染料敏化太陽能電池納米復(fù)合光陽極的制備方法，包括以下幾個步驟步驟1:取一導(dǎo)電基片；步驟2 在導(dǎo)電基片上沉積SiO晶種層，有利于ZnO納米線的外延生長；步驟3 采用水熱化學(xué)反應(yīng)法，在SiO晶種層上外延生長ZnO納米線陣列，有利于光生電子的直線傳輸；步驟4 采用絲網(wǎng)印刷技術(shù)在ZnO納米線陣列的表面印刷TW2漿料；步驟5 加熱，使TiA漿料中的有機(jī)溶劑揮發(fā)，得到TiA納米晶多孔膜，完成TiA納米晶多孔膜和ZnO納米線陣列納米復(fù)合光陽極的制備。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的染料敏化太陽能電池納米復(fù)合光陽極的制備方法，其中在導(dǎo)電基片上沉積SiO晶種層是采用磁控濺射、蒸鍍或溶膠-凝膠的方法。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的染料敏化太陽能電池納米復(fù)合光陽極的制備方法，其中ZnO 晶種層的厚度為200-300nm。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的染料敏化太陽能電池納米復(fù)合光陽極的制備方法，其中外延生長SiO納米線陣列3時(shí)，采用的方法是水熱化學(xué)反應(yīng)法，采用的鋅源為硝酸鋅或醋酸鋅溶液，該硝酸鋅或醋酸鋅溶液的濃度為50mM-100mM，該水熱反應(yīng)溶液的pH值為9. 8-10. 3，反應(yīng)溫度為90-120°C，反應(yīng)時(shí)間為5-12小時(shí)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的染料敏化太陽能電池納米復(fù)合光陽極的制備方法，其中絲網(wǎng)印刷TW2漿料的次數(shù)為1-5次，TiO2漿料每印刷一次，在溫度為120°C時(shí)干燥5分鐘。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的染料敏化太陽能電池納米復(fù)合光陽極的制備方法，其中對復(fù)合電極進(jìn)行加熱時(shí)，是采取分步升溫的方式，從室溫至150°C，升溫速度為1_3°C /min，之后以5°C /min升溫至500°C，在500°C時(shí)保持20-40分鐘。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的染料敏化太陽能電池納米復(fù)合光陽極的制備方法，其中導(dǎo)電基片是導(dǎo)電玻璃或?qū)щ娝芰稀?br> 全文摘要
一種染料敏化太陽能電池納米復(fù)合光陽極的制備方法，包括以下幾個步驟步驟1取一導(dǎo)電基片；步驟2在導(dǎo)電基片上沉積ZnO晶種層，有利于ZnO納米線的外延生長；步驟3采用水熱化學(xué)反應(yīng)法，在ZnO晶種層上外延生長ZnO納米線陣列，有利于光生電子的直線傳輸；步驟4采用絲網(wǎng)印刷技術(shù)在ZnO納米線陣列的表面印刷TiO2漿料；步驟5加熱，使TiO2漿料中的有機(jī)溶劑揮發(fā)，得到TiO2納米晶多孔膜，完成TiO2納米晶多孔膜和ZnO納米線陣列納米復(fù)合光陽極的制備。
文檔編號H01G9/04GK102280259SQ20111006772
公開日2011年12月14日 申請日期2011年3月21日 優(yōu)先權(quán)日2011年3月21日
發(fā)明者李京波, 王巖, 王美麗 申請人:中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所