專利名稱：一種用于敏化太陽電池的復(fù)合結(jié)構(gòu)光陽極及制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于太陽能技術(shù)領(lǐng)域，更具體涉及一種以復(fù)合結(jié)構(gòu)材料作為電極的敏化太陽能電池
背景技術(shù)：
近年來能源短缺造成國(guó)際石油價(jià)格逐年瘋長(zhǎng)，太陽能作為一種來源豐富且干凈環(huán)保的新能源備受矚目。染料敏化太陽能電池(DSSCs)是近年來新研發(fā)的一種低成本且高光電轉(zhuǎn)換效率的太陽能電池。DSSCs是由瑞士科學(xué)家Micheal GrStzel的團(tuán)隊(duì)于1991年提出， 興起了各界對(duì) DSSC 電池的研究熱潮(0，Regan, B.，Gratzel, M.，Nature, 1991，353，737)。 DSSCs是將吸附了染料的寬禁帶半導(dǎo)體納米晶薄膜作為正極，表面鍍有一層鉬的導(dǎo)電玻璃作為對(duì)電極，正極和對(duì)電極之間加入氧化-還原電解質(zhì)形成的。染料分子吸收太陽光能， 電子從基態(tài)躍遷到激發(fā)態(tài)，激發(fā)態(tài)上面的電子快速注入緊鄰的TiO2導(dǎo)帶，染料中失去的電子很快從電解質(zhì)中得到補(bǔ)償，進(jìn)入T^2導(dǎo)帶中的電子最終進(jìn)入導(dǎo)電膜，然后通過外電路到對(duì)電極產(chǎn)生光電流。然而，染料的穩(wěn)定性還有待進(jìn)一步的提高，而且價(jià)格也相對(duì)較高，所以采用價(jià)格便宜的窄禁帶無機(jī)半導(dǎo)體量子點(diǎn)作為敏化劑，可以降低電池的成本，提高穩(wěn)定性， 這種電池成為量子點(diǎn)敏化太陽能電池(QDSSCs)。一般染料吸收一個(gè)光子最多產(chǎn)生一個(gè)電子，量子點(diǎn)可以由一個(gè)高能光子產(chǎn)生多個(gè)電子，大大提高量子產(chǎn)率(Nozik，A. J. ,PhysicaE, 2002，14，115)。敏化太陽能電池的光陽極通常是采用多孔TiO2納米晶顆粒薄膜，然而TiO2的電子擴(kuò)散常數(shù)為hlO_5cm2/S，相比寬禁帶的ZnO納米棒來說要低，但是由于ZnO納米棒的比表面積相比TW2納米晶顆粒來說要低的多，造成吸附的染料與量子點(diǎn)的數(shù)量相對(duì)要少，也造成 ZnO作為光陽極的敏化類太陽能電池的效率低下，印度學(xué)者在ZnO納米棒上組裝CdS量子點(diǎn)后其光電轉(zhuǎn)換效率達(dá)到 0. 69% (M. Thambidurai，J. Nanopart. Res. 2011，10，1007)。

發(fā)明內(nèi)容
為了克服上述的缺陷，本發(fā)明提供了一種用于敏化太陽能電池的復(fù)合結(jié)構(gòu)光陽極材料，以此來提高敏化太陽能電池的開路電壓、短路電流與光電轉(zhuǎn)換效率。本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實(shí)施的
一種用于敏化太陽電池的復(fù)合結(jié)構(gòu)光陽極及制備方法，該方法是在生長(zhǎng)ZnO納米棒之前先生長(zhǎng)一層致密的TW2納米晶顆粒，形成Ti02/Zn0復(fù)合結(jié)構(gòu)作為敏化太陽能電池的光陽極材料。所述方法的具體步驟為
1)配備0. 01M-0. 05M 的 TiCl4 溶液；
2)將導(dǎo)電基底浸入步驟1)的溶液中，放入恒溫箱中20-120min后取出，恒溫箱的溫度為 30-100°C ；
3)將步驟2)所得的基底放入高溫爐中燒結(jié)20-60min，退火后取出，及得到TW2納米顆粒層，高溫爐的溫度為300-600°C ；
4)配備0. 01M-0. IM的可溶性鋅鹽和六亞甲基四胺的混合溶液中，放入恒溫箱中2-4 后取出，及得到TW2納米顆粒/ZnO納米棒復(fù)合結(jié)構(gòu)，恒溫箱溫度為50-100°C。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于在生長(zhǎng)ZnO納米棒之前生長(zhǎng)一層TW2致密的納米晶顆粒，降低了光陽極材料的導(dǎo)帶，有利于敏化劑產(chǎn)生的電子更加有效的注入到光陽極材料中，提高了太陽能電池的開路電壓，短路電流和光電轉(zhuǎn)換效率。此方法簡(jiǎn)單，價(jià)格便宜，易于操作， 并且適宜大面積制作。在lOOmW/cm2的光強(qiáng)條件下，組裝成染料敏化太陽能電池可達(dá)到 0.778%的光電轉(zhuǎn)換效率。組裝成量子點(diǎn)敏化太陽能電池，其光電轉(zhuǎn)化效率為1.75%，開路電壓達(dá)到0. 768V，短路電流為5. 12mA/cm2，填充因子44%，比TW2納米晶顆粒作為光陽極的電池轉(zhuǎn)換效率高出94%，比ZnO納米棒作為光陽極的電池轉(zhuǎn)換效率高出247%。本發(fā)明將通過下面實(shí)例來進(jìn)行舉例說明，但是，本發(fā)明并不限于這里所描述的實(shí)施方案，本發(fā)明的實(shí)施例僅用于進(jìn)一步闡述本發(fā)明。對(duì)于本領(lǐng)域的技術(shù)人員對(duì)本發(fā)明的內(nèi)容所進(jìn)行的替代、改動(dòng)或變更，這些等價(jià)形式同樣落入本申請(qǐng)所限定的范圍內(nèi)。


圖1為FTO表面形貌SEM圖2為FTO上生長(zhǎng)TW2致密納米晶顆粒的SEM圖； 圖3為FTO上生長(zhǎng)TW2致密納米晶顆粒的剖面SEM圖； 圖4為TW2納米晶顆粒之上生長(zhǎng)了 ZnO納米棒的SEM圖； 圖5為TiO2-ZnO復(fù)合結(jié)構(gòu)作為光陽極的染料敏化太陽能電池的I-V曲線。 圖6為TW2作為光陽極、ZnO作為光陽極與Ti02/Zn0復(fù)合結(jié)構(gòu)作為光陽極的CdS量子點(diǎn)敏化太陽能電池的I-V曲線。
圖7為TW2作為光陽極、ZnO作為光陽極與Ti02/Zn0復(fù)合結(jié)構(gòu)作為光陽極的CdS量子點(diǎn)敏化太陽能電池的性能參數(shù)。
具體實(shí)施例方式一種用于敏化太陽電池的復(fù)合結(jié)構(gòu)光陽極及制備方法，該方法是在生長(zhǎng)ZnO納米棒之前先生長(zhǎng)一層致密的TW2納米晶顆粒，形成Ti02/Zn0復(fù)合結(jié)構(gòu)作為量子點(diǎn)敏化太陽能電池的光陽極材料。所述方法的具體步驟為
1)配備0. OIM-0. 05M 的 TiCl4 溶液；
2)將導(dǎo)電基底浸入步驟1)的溶液中，放入恒溫箱中20-120min后取出，恒溫箱的溫度為 30-100°C ；
3)將步驟2)所得的基底放入高溫爐中燒結(jié)20-60min，退火后取出，及得到TW2納米顆粒層，高溫爐的溫度為300-600°C ；
4)配備0.01M-0. IM的可溶性鋅鹽和六亞甲基四胺的混合溶液中，放入恒溫箱中2-4 后取出，及得到TW2納米顆粒/ZnO納米棒復(fù)合結(jié)構(gòu)，恒溫箱溫度為50-100°C。實(shí)施例1
一種用于敏化太陽電池的復(fù)合結(jié)構(gòu)光陽極及制備方法的具體步驟為1)配備0.02M的TiCl4溶液；
2)將導(dǎo)電基底浸入步驟1)的溶液中，放入恒溫箱中30min后取出，恒溫箱的溫度為 70 0C ；
3)將步驟2)所得的基底放入高溫爐中燒結(jié)30min，退火后取出，及得到TW2納米顆粒層，高溫爐的溫度為450°C ；
4)配備0.OlM的可溶性鋅鹽和六亞甲基四胺的混合溶液中，放入恒溫箱中20h后取出， 及得到TW2納米顆粒/ZnO納米棒復(fù)合結(jié)構(gòu)，恒溫箱溫度為95°C。
將制備的復(fù)合結(jié)構(gòu)光陽極材料浸泡入N719染料當(dāng)中，組裝成染料敏化太陽能電池，對(duì)電極采用傳統(tǒng)的熱分解法制備Pt對(duì)電極。
實(shí)施例2
一種用于敏化太陽電池的復(fù)合結(jié)構(gòu)光陽極及制備方法的具體步驟為
1)配備0.02M的TiCl4溶液；
2)將導(dǎo)電基底浸入步驟1)的溶液中，放入恒溫箱中30min后取出，恒溫箱的溫度為 70 0C ；
3)將步驟2)所得的基底放入高溫爐中燒結(jié)30min，退火后取出，及得到TW2納米顆粒層，高溫爐的溫度為450°C ；
4)配備0.03M的可溶性鋅鹽和六亞甲基四胺的混合溶液中，放入恒溫箱中20h后取出， 及得到TW2納米顆粒/ZnO納米棒復(fù)合結(jié)構(gòu)，恒溫箱溫度為95°C。
將制備的復(fù)合結(jié)構(gòu)光陽極材料組裝成CdS量子點(diǎn)敏化太陽能電池。將此復(fù)合結(jié)構(gòu)光陽極材料交替浸入30°C的0. 3M Cd(NO3)2的乙醇與水的混合溶液中和0. 3M的Na2S的乙醇與水的混合溶液中5min，成為敏化后的光陽極材料，其中乙醇與水的體積比為1 1。對(duì)電極采用傳統(tǒng)的熱分解法制備Pt對(duì)電極。
權(quán)利要求
1.一種用于敏化太陽電池的復(fù)合結(jié)構(gòu)光陽極，其特征在于所述敏化太陽電池的復(fù)合結(jié)構(gòu)光陽極為TiA納米顆粒/ZnO納米棒復(fù)合結(jié)構(gòu)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的敏化太陽電池的復(fù)合結(jié)構(gòu)光陽極，其特征在于所述的T^2納米顆粒的大小為5-50nm。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的敏化太陽電池的復(fù)合結(jié)構(gòu)光陽極，其特征在于所述的TiA層的厚度為50-300nm。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的敏化太陽電池的復(fù)合結(jié)構(gòu)光陽極，其特征在于所述的ZnO納米棒的直徑為100-500nm。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的敏化太陽電池的復(fù)合結(jié)構(gòu)光陽極，其特征在于所述的ZnO層的厚度為10-50 μ m。
6.一種用于敏化太陽電池的復(fù)合結(jié)構(gòu)光陽極的制備方法，其特征在于所述方法的具體步驟為1)配備0. 01M-0. 05M 的 TiCl4 溶液；2)將導(dǎo)電基底浸入步驟1)的溶液中，放入恒溫箱中20-120min后取出，恒溫箱的溫度為 30-100°C ；3)將步驟2)所得的基底放入高溫爐中燒結(jié)20-60min，退火后取出，及得到TW2納米顆粒層，高溫爐的溫度為300-600°C ；4)配備0.01M-0. IM的可溶性鋅鹽和六亞甲基四胺的混合溶液中，放入恒溫箱中2-4 后取出，及得到TW2納米顆粒/ZnO納米棒復(fù)合結(jié)構(gòu)，恒溫箱溫度為50-100°C。
7.根據(jù)權(quán)利要求1、2、3、4、5、6所述的復(fù)合結(jié)構(gòu)光陽極及制備方法用于制作染料敏化太陽能電池，其特征在于將此光陽極材料浸泡入有機(jī)敏化染料中1 48h，組裝成染料敏化太陽能電池。
8.根據(jù)權(quán)利要求1、2、3、4、5、6所述的復(fù)合結(jié)構(gòu)光陽極及制備方法用于制作量子點(diǎn)敏化太陽能電池，其特征在于將此光陽極材料放入含有半導(dǎo)體量子點(diǎn)陽離子的可溶性鹽溶液中1 lOOmin，再放入含有半導(dǎo)體量子點(diǎn)陰離子的溶液中1 lOOmin，再組裝成量子點(diǎn)敏化太陽能電池。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于敏化太陽電池的復(fù)合結(jié)構(gòu)光陽極及制備方法，該方法是形成一種TiO2/ZnO復(fù)合結(jié)構(gòu)作為敏化太陽能電池的光陽極材料，其制備方法為先用TiCl4溶液處理，水解生成一層TiO2，然后再通過水熱生長(zhǎng)一層ZnO納米棒，得到TiO2/ZnO復(fù)合結(jié)構(gòu)光陽極。用此復(fù)合結(jié)構(gòu)光陽極組裝成染料敏化太陽能電池和量子點(diǎn)敏化太陽能電池，提高了這兩種太陽能電池的開路電壓，短路電流和光電轉(zhuǎn)換效率。本發(fā)明采用TiO2/ZnO復(fù)合結(jié)構(gòu)作為光陽極材料價(jià)格便宜，制備方法簡(jiǎn)單，易于操作，并且適宜大面積制作。
文檔編號(hào)H01M14/00GK102568836SQ201110389119
公開日2012年7月11日 申請(qǐng)日期2011年11月30日 優(yōu)先權(quán)日2011年11月30日
發(fā)明者孫哲, 鄒小平, 魏翠柳 申請(qǐng)人:北京信息科技大學(xué)