本發(fā)明屬于太陽能電池用材料制備領(lǐng)域，特別是一種染料敏化太陽能電池光陽極及其制備方法。

技術(shù)背景

染料敏化太陽能電池是近二十年來基于納米技術(shù)發(fā)展起來的一種新型的太陽電池,因成本低廉，而被譽為最有商業(yè)應(yīng)用前景的太陽電池之一。在染料敏化太陽能電池中，染料敏化劑受到入射光子激發(fā)，產(chǎn)生電子－空穴對，電子快速注入到光陽極導(dǎo)帶，并經(jīng)光陽極輸運到導(dǎo)電基板；同時光子激發(fā)產(chǎn)生的正電荷經(jīng)氧化還原電解質(zhì)的傳遞到對電極，構(gòu)成電池。其中光陽極既要接受電子的快速注入，將電子與空穴盡快的分離，還要將接收到的電子傳導(dǎo)至透明導(dǎo)電薄膜電極，這兩個環(huán)節(jié)對電池的短路電流密度以及填充因子都有著非常重要的影響。

染料敏化太陽能電池光陽極由透明導(dǎo)電玻璃基板及基板上的光陽極材料構(gòu)成，截至目前光陽極材料普遍采用的是納米多孔TiO₂，但是TiO₂的本征電導(dǎo)率低，限制了電子在導(dǎo)帶中的傳遞速度，導(dǎo)致光陽極中電子與空穴不能快速分離因而產(chǎn)生復(fù)合，使得染料敏化太陽能電池的短路電流密度偏低，光電轉(zhuǎn)化效率低。

因此采用納米多孔TiO₂做光陽極材料的染料敏化太陽能電池存在電流密度低，光電轉(zhuǎn)化效率低的弊病。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是，提供一種具有高電流密度，高光電轉(zhuǎn)化效率的染料敏化太陽能電池光陽極及其制備方法。

為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明所提供技術(shù)方案是一種染料敏化太陽能電池光陽極，該光陽極為透明導(dǎo)電玻璃基板及導(dǎo)電玻璃基板上的一層經(jīng)過物理摻雜的納米TiO₂薄膜構(gòu)成，所摻物質(zhì)為Nb摻雜SrTiO₃，薄膜厚度為1μm～7μm。

上述染料敏化太陽能電池光陽極的制備方法包括以下步驟：

步驟1、將硝酸鍶和氫氧化鈉按照摩爾比1：10～13溶解于去離子水中攪拌至混合均勻得到溶液A；

步驟2、將鈦酸四丁酯和乙醇鈮加到無水丁醇中，鈦酸四丁酯和乙醇鈮的摩爾總量與步驟1中硝酸鍶摩爾量相等，鈦酸四丁酯摩爾量占摩爾總量的80％～95％，乙醇鈮摩爾量占摩爾總量的20％～5％，攪拌至混合均勻得到溶液B；

步驟3、加入油酸至無水丁醇中，所加油酸與步驟1中硝酸鍶的摩爾比為1：7～10，攪拌至混合均勻得到溶液C；

步驟4、將步驟1制得的溶液A、步驟2制得的溶液B和步驟3制得的溶液C混合后攪拌至溶液混合均勻，轉(zhuǎn)移到水熱反應(yīng)容器中，在150～250℃條件下保溫20～24小時后自然冷卻到室溫，將產(chǎn)物用去離子水離心洗滌3～5次后在60～120℃下烘1～3天，得到Nb摻雜SrTiO₃粉體；

步驟5、取步驟4制得的Nb摻雜SrTiO₃粉體與粒徑為5～10nm的二氧化鈦粉末混合得到混合粉末D，Nb摻雜SrTiO₃粉體質(zhì)量占混合粉末總質(zhì)量的0.1％～10％；將混合粉末D、松油醇、乙基纖維素和無水乙醇按質(zhì)量比1：4～5:0.5～0.75:90～110置于容器中，攪拌至混合均勻后得到懸濁液，對懸濁液進行旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)，得到漿料全部附著于旋蒸瓶內(nèi)壁；其中乙基纖維素需配為溶液使用；

步驟6：將步驟5制得的漿料涂覆于導(dǎo)電玻璃基板上，形成光陽極薄膜，薄膜厚度為1μm～7μm，然后將涂覆好的導(dǎo)電玻璃基板放入加熱設(shè)備中進行燒結(jié)處理，以1～7℃/min的升溫速率升溫到500～600℃后保持30～120min，得到目標(biāo)電極。

步驟6中將制得的漿料涂覆于導(dǎo)電玻璃基板上，所采用的涂覆技術(shù)為刮涂或絲網(wǎng)印刷。

實驗驗證得到，步驟5中稱取Nb摻雜SrTiO₃粉體與粒徑為5～10nm的二氧化鈦粉末混合得到混合粉末D，Nb摻雜SrTiO₃粉體質(zhì)量占總質(zhì)量的1％時制備出的光陽極光電轉(zhuǎn)化效率最高。

本發(fā)明提供的染料敏化太陽能電池光陽極應(yīng)用于染料敏化太陽能電池中，利用Nb摻雜SrTiO₃高電導(dǎo)率和熱電效應(yīng)幫助電子空穴分離，提高了光陽極的電子傳輸效率，因此用本發(fā)明提供的光陽極具備高電流密度，高光電轉(zhuǎn)化效率的性能。

附圖說明

圖1為水熱制備的Nb摻雜SrTiO₃的XRD圖；

圖2為水熱制備的Nb摻雜SrTiO₃的SEM圖；

圖3為實施例1、2、3的光陽極與TiO₂光陽極組裝的染料敏化太陽能電池的光電流電壓對比曲線圖。

具體實施方式

本發(fā)明利用熱電和光電材料的復(fù)合，在光陽極中發(fā)揮各自的特性優(yōu)勢，幫助電子空穴對的分離和傳輸，進而提高光電轉(zhuǎn)化效率，下面將更詳細(xì)地描述本公開的示例性實施例:

實施例1：

1.水熱法制備20％Nb摻雜的SrTiO₃納米粉體：

將1mmol Sr(NO₃)₂和12.5mmol的NaOH溶解于10ml去離子水中得到溶液A，將0.8mmol鈦酸四丁酯和0.2mmol乙醇鈮溶解于5ml無水丁醇中得到溶液B，將2.5ml的油酸溶解于5ml的無水丁醇中得到溶液C，將溶液A，溶液B，溶液C混合后攪拌至溶液混合均勻，將混合溶液轉(zhuǎn)移到50ml反應(yīng)水熱釜中，密閉后在200℃反應(yīng)24小時，反應(yīng)完畢后自然冷卻到室溫，用去離子水離心洗滌4次，最后在80℃下烘48小時后得到Nb摻雜的SrTiO₃納米粉體。

2.復(fù)合漿料的制備：

稱取0.002g步驟1制備的Nb摻雜的SrTiO₃納米粉體，和0.398g的二氧化鈦將二者混合，Nb摻雜的SrTiO₃納米粉體占混合粉體總質(zhì)量的0.5％，再稱取5g質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4％的乙基纖維素和1.6g松油醇，全部加入燒杯中，最后加無水乙醇至50ml，攪拌半小時后超聲分散半小時，如此重復(fù)5次，使兩種納米粉體完全均勻分散得到懸濁液，完成以上步驟后，旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)懸濁液后得到復(fù)合漿料全部附著于旋蒸瓶內(nèi)壁。

3.導(dǎo)電玻璃基片的清洗：

先將導(dǎo)電玻璃基片用洗滌劑刷洗至沖洗后水能夠在玻璃表面均勻攤開，接著將刷洗好的導(dǎo)電玻璃基片分別依次泡入洗滌劑溶液、去離子水、乙醇、丙酮、異丙醇中各超聲清洗20分鐘，最后將上述處理的導(dǎo)電玻璃基片放入異丙醇中靜置待用。

4.選取4μm厚的膠帶，用直徑5mm的打孔器在其上較為居中的位置打孔，將打孔后膠帶粘在玻璃導(dǎo)電面上，用刀片蘸取漿料在膠帶上刮涂，得到平整表面，撕去膠帶后，便能得到一定厚度一定面積的圓形平整薄膜，這樣刮涂出的薄膜制備方便，面積固定，方便后期進行性能測試比較。

5.將刮涂好漿料的導(dǎo)電玻璃基板放入馬弗爐中以3℃/min的升溫速率升溫到500℃后保溫45min，去除有機物，即得到所述光陽極。而后將光陽極泡入配置好的N719染料溶液敏化12小時，敏化完成后用酒精沖洗干凈，將光陽極與對電極組裝在一起并滴加電解液進行光電測試，測試得到：開路電壓：0.717V，短路電流密度：19.12mA/cm²，填充因子：0.51，光電轉(zhuǎn)化效率：6.992％。

實施例2：

本實施例公開了一種復(fù)合光陽極的制備方法，其中的制備過程與實施例1相同，其區(qū)別僅在于：步驟2復(fù)合漿料制備中，稱取Nb摻雜的SrTiO₃納米粉體質(zhì)量為0.004g，二氧化鈦質(zhì)量為0.398g，二者混合后Nb摻雜的SrTiO₃納米粉體占混合粉體總質(zhì)量的1％，二氧化鈦占99％；對該光陽極進行光電測試，測試得到：開路電壓：0.709V，短路電流密度：20.90mA/cm²，填充因子：0.53，光電轉(zhuǎn)化效率：7.855％。

實施例3：

本實施例公開了一種復(fù)合光陽極的制備方法，其中的制備過程與實施例1相同，其區(qū)別僅在于：步驟2復(fù)合漿料制備中，稱取Nb摻雜的SrTiO₃納米粉體質(zhì)量為0.02g，二氧化鈦質(zhì)量為0.38g，二者混合后Nb摻雜的SrTiO₃納米粉體占混合粉體總質(zhì)量的5％，二氧化鈦占95％；對該光陽極進行光電測試，測試得到：開路電壓：0.713V，短路電路密度：19.26mA/cm²，填充因子：0.55，光電轉(zhuǎn)化效率：7.523％。

由附圖3可知，本發(fā)明制備的Nb摻雜的SrTiO₃納米粉體與二氧化鈦不同占比的光陽極與傳統(tǒng)二氧化鈦光陽極對比，電流密度均優(yōu)于傳統(tǒng)二氧化鈦光陽極，本發(fā)明所提出的技術(shù)方案是實際可行的，本發(fā)明提供的染料敏化太陽能電池光陽極及其制備方法，完全可以用于染料敏化光陽極生產(chǎn)及使用。