一种多波段吸收近红外太阳光染料敏化太阳能电池光阳极材料的制备方法技术

一种多波段吸收近红外太阳光染料敏化太阳能电池光阳极材料的制备方法，本发明专利技术涉及染料敏化太阳能电池光阳极材料的制备方法。本发明专利技术是要解决现有的上转换材料增强染料敏化电池的方法的红外波段太阳光利用低的技术问题。本方法：先用氯化钇、氯化镱和氯化铒和氟化铵制备作为晶核的纳米晶，再将纳米晶分散到氯化镱、氟化铵原料液中反应，得到第一层核壳结构纳米晶体，再将第一层核壳结构纳米晶体分散到氯化钇、氯化钬和氟化铵的原料液中反应，得到二层核壳结构纳米晶；将二层核壳结构纳米晶分散到含有钛酸四丁酯的原料液中，水热反应后，得到光阳极材料。可用于提高太阳能电池的光电转换效率。

【技术实现步骤摘要】
一种多波段吸收近红外太阳光染料敏化太阳能电池光阳极材料的制备方法
本专利技术涉及染料敏化太阳能电池光阳极材料的制备方法。
技术介绍
光伏太阳能电池作为可再生无污染能源，能很好地解决能源和环境两大难题，具有很广阔的发展前景。虽然光伏行业在近几十年已经取得巨大发展，但光伏太阳能电池的低效率和高成本使太阳能电池千瓦时的费用与常规能源相比偏高，限制其普及化和实用化。因此，为了进一步实现低成本和高效率，达到实用化的目的，人们开发出具有代表性的第三代太阳能电池，即染料敏化太阳能电池，已受到国际科研工作者的广发关注和研究。科学家通过多种技术手段提高其光电转换效率，已使其效率提高到10％以上，但是继续提高这类电池的光电转换效率，是目前的一个巨大挑战。这是因为染料电极材料不能对全波段太阳发射光谱进行吸收，严重限制其电池效率的提高。通常染料敏化电池光阳极与染料N-719对太阳光的吸收波段主要在290nm～700nm，但对占太阳光全部能量高达43％的红外波段太阳光利用甚微。红外光子上转换过程能够将红外波段太阳光进行有效叠加，并发射出一个具有高能量的可见波段光子，在太阳能电池中具有重大的潜在应用价值。目前已有关于应用上转换材料增强染料敏化电池效率的研究，但受限于稀土离子对红外光子的窄带和弱吸收特性，仅975nm和1157nm处的红外太阳光课转换为可吸收的能量，而且其量子产率仅为0.1％，也是非常低的，仍未达到大幅度提高太阳能电池效率并使其商业化的目的。
技术实现思路
本专利技术是要解决现有的上转换材料增强染料敏化电池的方法的红外波段太阳光利用低的技术问题，而提供一种多波段吸收近红外太阳光染料敏化太阳能电池光阳极材料的制备方法。本专利技术的多波段吸收近红外太阳光染料敏化太阳能电池光阳极材料的制备方法，按以下步骤进行：步骤一：按油酸和十八烯的体积比为1：2～5，将油酸和十八烯混合均匀得到混合液，再按氯化钇(YCl3)、氯化镱(YbCl3)和氯化铒(ErCl3)的摩尔比为(80+m+n)：(10-m)：(10-n)，将氯化钇、氯化镱和氯化铒加入到混合液中，搅拌均匀后，加热到120～150℃并保持30～60min，之后自然冷却至室温，得到原料液A；其中0≤m＜10,0≤n＜10；步骤二：称取氟化铵(NH4F)和氢氧化钠(NaOH)溶解于甲醇中，得到原料液B；其中NH4F与NaOH的摩尔比为1：(0.5～2)；步骤三：在氮气保护下，将步骤二中得到的原料液B加入到步骤一中的原料液A中，搅拌均匀后，升温至300～320℃，反应1～2小时，冷却至室温后，将反应产物加入离心管中离心分离出纳米晶，并将纳米晶用无水乙醇离心洗涤数次，将干净的纳米晶分散到环己烷溶液中，得到作为晶核的纳米晶分散液；步骤四：按油酸和十八烯的体积比为1：2～5，将油酸和十八烯混合均匀得到混合液，再将氯化镱(YbCl3)溶解于混合液中，在搅拌条件下加热到120～150℃保持30～60min，自然冷却至60～80℃，得到原料液C；步骤五：将步骤三得到的纳米晶分散液加入到步骤四所得的原料液C中，搅拌均匀后，升温去除环己烷，得到原料液D；步骤六：称取氟化铵(NH4F)和氢氧化钠(NaOH)溶解于甲醇中，得到原料液E；其中NH4F与NaOH的摩尔比为1：(0.5～2)；步骤七：在氮气保护下，将步骤六得到的原料液E加入到步骤五得到的原料液D中，搅拌均匀后，升温至300～320℃，反应1～2h，冷却至室温，将反应产物加入离心管中离心分离出一层核壳结构纳米晶体，将第一层核壳结构纳米晶体用无水乙醇离心洗涤数次后，分散到环己烷中，得到一层核壳结构纳米晶NaYF4:Yb/Er@NaYbF4分散液；步骤八：按油酸和十八烯的体积比为1：2～5，将油酸和十八烯混合均匀得到混合液，再按氯化钇(YCl3)与氯化钬(HoCl3)的摩尔比为(90+s)：(10-s)，将氯化钇和氯化钬加入到混合液中，搅拌均匀后，加热到120～150℃并保持30～60min，之后自然冷却至室温，得到得到原料液F；其中0≤s＜10；步骤九：称取氟化铵(NH4F)和氢氧化钠(NaOH)溶解于甲醇中，得到原料液G；其中NH4F与NaOH的摩尔比为1：(0.5～2)；步骤十：在氮气保护下，将步骤九得到的原料液G加入到步骤八得到的原料液F中，搅拌均匀后，加入步骤七制备的一层核壳结构纳米晶NaYF4:Yb/Er@NaYbF4分散液，升温至300～320℃，反应1～2h，冷却至室温，将反应产物加入离心管中离心分离出固相物，将固相物用无水乙醇离心洗涤数次后，干燥，得到二层核壳结构纳米晶NaYF4:Yb/Er@NaYbF4@NaYF4:Ho；步骤十一：称取3～5ml油酸、6～25ml油胺、0.3～0.5g二层核壳结构纳米晶NaYF4:Yb/Er@NaYbF4@NaYF4:Ho、5～10ml乙醇、0.3～1ml去离子水和0.15～0.16g钛酸四丁酯，先将油酸与油胺混合均匀，再依次加入二层核壳结构纳米晶NaYF4:Yb/Er@NaYbF4@NaYF4:Ho、乙醇、去离子水和钛酸四丁酯，搅拌均匀后转移到高压反应釜之中，在温度为160～200℃条件下反应8～12h，将反应产物放入离心管中，并加入乙醇，先超声振荡，再离心分离，重复超声处理、离心洗涤操作数次，再得到固相物干燥，得到多波段吸收近红外太阳光染料敏化太阳能电池光阳极材料NaYF4:Yb/Er@NaYbF4@NaYF4:Ho@TiO2纳米晶。本专利技术开发的基于多层核壳结构上转换纳米晶染料敏化太阳能电池的光阳极材料，提高了光阳极对红外太阳光能量的吸收，具有高效红外光转换特性，具有以下优势：(1)分别在NaYF4:Yb/Er@NaYbF4@NaYF4:Ho，三层核壳结构中每一层壳层中分别掺杂不同的激活剂离子在空间上进行分离，能够分别增强红外波段980nm、1157nm和1532nm太阳光的吸收效果，同时避免激活剂离子之间的淬灭影响。(2)通过多层核壳结构的设计，减少了表面的缺陷，以及核壳纳米晶具有非常小的尺寸具有大的比表面积，有效提高染料分子在光阳极表面进行吸附，既能增加多波段红外太阳光的吸收，又能使染料分子在TiO2表面进行有效的吸附。本专利技术所得的产品为白色粉末并用于染料敏化太阳能电池的制备，六方相NaYF4:Yb/Er纳米晶体尺寸约为15～25nm左右，六方相NaYF4:Yb/Er@NaYbF4纳米晶体尺寸约为20～30nm左右，NaYF4:Yb/Er@NaYbF4@NaYF4:Ho纳米晶体尺寸大约为25～30nm左右，最终的NaYF4:Yb/Er@NaYbF4@NaYF4:Ho@TiO2纳米晶体尺寸大约为38～33nm左右，在合成步骤中，多层核壳结构的制备是关键步骤，影响激活剂离子在多层核壳结构中的分布和隔离。光阳极浆料混合和光阳极的制备也是关键步骤，直接影响上转换纳米粒子在染料电池中的分别以及染料在TiO2纳米粒子表面的吸附，对太阳能电池的发光效率具有较大的影响。在本专利中采用响应红外太阳光谱的多层核壳结构上转换纳米材料，仅使用功率为5W的980激光光源对制作的上转换基染料敏化电池进行照射，电池的光电流密度从0增加到0.25mA/cm2。而采用980nm、1157nm和1532nm激光光源同时照本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种多波段吸收近红外太阳光染料敏化太阳能电池光阳极材料的制备方法，其特征在于该方法按以下步骤进行：步骤一：按油酸和十八烯的体积比为1：2～5，将油酸和十八烯混合均匀得到混合液，再按氯化钇、氯化镱和氯化铒的摩尔比为(80+m+n)：(10‑m)：(10‑n)，将氯化钇、氯化镱和氯化铒加入到混合液中，搅拌均匀后，加热到120～150℃并保持30～60min，之后自然冷却至室温，得到原料液A；其中0≤m＜10,0≤n＜10；步骤二：称取氟化铵和氢氧化钠溶解于甲醇中，得到原料液B；其中NH4F与NaOH的摩尔比为1：(0.5～2)；步骤三：在氮气保护下，将步骤二中得到的原料液B加入到步骤一中的原料液A中，搅拌均匀后，升温至300～320℃，反应1～2小时，冷却至室温后，将反应产物加入离心管中离心分离出纳米晶，并将纳米晶用无水乙醇离心洗涤数次，将干净的纳米晶分散到环己烷溶液中，得到作为晶核的纳米晶分散液；步骤四：按油酸和十八烯的体积比为1：2～5，将油酸和十八烯混合均匀得到混合液，再将氯化镱溶解于混合液中，在搅拌条件下加热到120～150℃保持30～60min，自然冷却至60～80℃，得到原料液C；步骤五：将步骤三得到的纳米晶分散液加入到步骤四所得的原料液C中，搅拌均匀后，升温去除环己烷，得到原料液D；步骤六：称取氟化铵和氢氧化钠溶解于甲醇中，得到原料液E；其中NH4F与NaOH的摩尔比为1：(0.5～2)；步骤七：在氮气保护下，将步骤六得到的原料液E加入到步骤五得到的原料液D中，搅拌均匀后，升温至300～320℃，反应1～2h，冷却至室温，将反应产物加入离心管中离心分离出第一层核壳结构纳米晶体，将第一层核壳结构纳米晶体用无水乙醇离心洗涤数次后，分散到环己烷中，得到一层核壳结构纳米晶NaYF4:Yb/Er@NaYbF4分散液；步骤八：按油酸和十八烯的体积比为1：2～5，将油酸和十八烯混合均匀得到混合液，再按氯化钇与氯化钬的摩尔比为(90+s)：(10‑s)，将氯化钇和氯化钬加入到混合液中，搅拌均匀后，加热到120～150℃并保持30～60min，之后自然冷却至室温，得到得到原料液F；其中0≤s＜10；步骤九：称取氟化铵和氢氧化钠溶解于甲醇中，得到原料液G；其中NH4F与NaOH的摩尔比为1：(0.5～2)；步骤十：在氮气保护下，将步骤九得到的原料液G加入到步骤八得到的原料液F中，搅拌均匀后，升温至300～320℃，反应1～2h，冷却至室温，将反应产物加入离心管中离心分离出固相物，将固相物用无水乙醇离心洗涤数次后，干燥，得到二层核壳结构纳米晶NaYF4:Yb/Er@NaYbF4@NaYF4:Ho；步骤十一：称取3～5ml油酸、15～20ml油胺、0.3～0.5g二层核壳结构纳米晶NaYF4:Yb/Er@NaYbF4@NaYF4:Ho、5～10ml乙醇、0.3～1ml去离子水和0.15～0.16g钛酸四丁酯，先将油酸与油胺混合均匀，再依次加入二层核壳结构纳米晶NaYF4:Yb/Er@NaYbF4@NaYF4:Ho、乙醇、去离子水和钛酸四丁酯，搅拌均匀后转移到高压反应釜之中，在温度为160～200℃条件下反应8～12h，将反应产物放入离心管中，并加入乙醇，先超声振荡，再离心分离，重复超声处理、离心洗涤操作数次，再得到固相物干燥，得到多波段收割近红外太阳光染料敏化太阳能电池光阳极材料NaYF4:Yb/Er@NaYbF4@NaYF4:Ho@TiO2纳米晶。...

【技术特征摘要】
1.一种多波段吸收近红外太阳光染料敏化太阳能电池光阳极材料的制备方法，其特征在于该方法按以下步骤进行：步骤一：按油酸和十八烯的体积比为1：2～5，将油酸和十八烯混合均匀得到混合液，再按氯化钇、氯化镱和氯化铒的摩尔比为(80+m+n)：(10-m)：(10-n)，将氯化钇、氯化镱和氯化铒加入到混合液中，搅拌均匀后，加热到120～150℃并保持30～60min，之后自然冷却至室温，得到原料液A；其中0≤m＜10,0≤n＜10；步骤二：称取氟化铵和氢氧化钠溶解于甲醇中，得到原料液B；其中NH4F与NaOH的摩尔比为1：(0.5～2)；步骤三：在氮气保护下，将步骤二中得到的原料液B加入到步骤一中的原料液A中，搅拌均匀后，升温至300～320℃，反应1～2小时，冷却至室温后，将反应产物加入离心管中离心分离出纳米晶，并将纳米晶用无水乙醇离心洗涤数次，将干净的纳米晶分散到环己烷溶液中，得到作为晶核的纳米晶分散液；步骤四：按油酸和十八烯的体积比为1：2～5，将油酸和十八烯混合均匀得到混合液，再将氯化镱溶解于混合液中，在搅拌条件下加热到120～150℃保持30～60min，自然冷却至60～80℃，得到原料液C；步骤五：将步骤三得到的纳米晶分散液加入到步骤四所得的原料液C中，搅拌均匀后，升温去除环己烷，得到原料液D；步骤六：称取氟化铵和氢氧化钠溶解于甲醇中，得到原料液E；其中NH4F与NaOH的摩尔比为1：(0.5～2)；步骤七：在氮气保护下，将步骤六得到的原料液E加入到步骤五得到的原料液D中，搅拌均匀后，升温至300～320℃，反应1～2h，冷却至室温，将反应产物加入离心管中离心分离出第一层核壳结构纳米晶体，将第一层核壳结构纳米晶体用无水乙醇离心洗涤数次后，分散到环己烷中，得到一层核壳结构纳米晶NaYF4:Yb/Er@NaYbF4分散液；步骤八：按油酸和十八烯的体积比为1：2～5，将油酸和十八烯混合均匀得到混合液，再按氯化钇与氯化钬的摩尔比为(90+s)：(10-s)，将氯化钇和氯化钬加入到混合液中，搅拌均匀后，加热到120～150℃并保持30～60min，之后自然冷却至室温，得到得到原料液F；其中0≤s＜10；步骤九：称取氟化铵和氢氧化钠溶解于甲醇中，得到原料液G；其中NH4F与NaOH的摩尔比为1：(0.5～2)；步骤十：在氮气保护下，将步骤九得到的原料液G加入到步骤八得到的原料液F中，搅拌均匀后，加入步骤七制备的一层核壳结构纳米晶NaYF4:Yb/Er@NaYbF4分散液，升温至300～320℃，反应1～2h，冷却至室温，将反应产物加入离心管中离心分离出固相物，将固相物用无水乙醇离心洗涤数次后，干燥，得到二层核壳结构纳米晶NaYF4:Yb/Er@NaYbF4@NaYF4:Ho；步骤十一：称取3～5ml油酸、15～20ml油胺、0.3～0.5g二层核壳结构纳米晶NaYF4:Yb/Er@NaYbF4@NaYF4:Ho、5～10ml乙醇、0.3～1ml去离子水和0.15～0.16g钛酸四丁酯，先将油酸与油胺混合均匀，再依次加入二层核壳结构纳米晶NaYF4:Yb/Er@NaYbF4@NaYF4:Ho、乙醇、去离子水和钛酸四丁酯，搅拌均匀后转移到高压反应釜之中，在温度为160～200℃条件下反应8～12h，将反应产物放入离心管中，并加入乙醇，先超声振荡，再离心分离，重复超声处理、离心洗涤操作数次，再得到固相物干燥，得到多波段收割近红外太阳光染料敏化太阳能电池光阳极材料NaYF4:Yb/Er@...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨春晖，郝树伟，尚云飞，陈冠英，
申请(专利权)人：哈尔滨汇工科技有限公司，
类型：发明
国别省市：黑龙江;23