一种铒铕稀土掺杂的染料敏化太阳能电池及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种铒铕稀土掺杂的染料敏化太阳能电池及其制备方法，电池结构主要包括三部分，底层是由致密的二氧化钛（TiO2）纳米颗粒组成，这也是染料敏化电池的主要激活层；中间层是由铕掺杂的二氧化钛（Eu3+:TiO2）纳米棒组成，这层可以把太阳光中的紫外光转化为能被染料吸收的可见光；顶层中间层是由铒掺杂的二氧化钛（Er3+:TiO2）纳米棒组成，这层可以把太阳光中的红外光转化为能被染料吸收的可见光；利用荧光转化机理，这种三层结构的新型染料敏化太阳能电池能够有效地吸收宽光谱的太阳光，与没有掺杂的单层TiO2染料敏化电池相比，其光电转化效率可以提高1.4倍。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于太阳能电池
，尤其涉及一种铒铕稀土掺杂的染料敏化太阳能电池及其制备方法。
技术介绍
相比于传统的p-n结太阳能电池，染料敏化太阳能电池（DSSC）尽管光电转换效率比较低，但是它的生产成本也非常低，具有广阔的商业应用前景。二氧化钛（TiO2）纳米晶粒在吸收分子染料、分离电荷和载流子输运等方面起到了重要的作用。为了进一步提高DSSC的效率，人们对TiO2纳米多孔结构进行多方位的改良。在DSSC中常用的敏化染料，如典型的N-719或N-749染料，通常仅吸收太阳光谱中的可见光，对紫外光和红外光的吸收能力差，如果增加这些波段的吸收，这是提升DSSC效率的有效方法。对于一种染料而言，通过延长光线在染料敏化纳米多孔层的有效路径长度，从而达到增加电池的效率，但这种增加是有限的。另一种增加电池效率的可能途径是，敏化剂有复合染料（如红和黑染料）组成，然而实验证明电池效率提高也不大。为了拓宽DSSC的光谱吸收范围，叠层结构的DSSC设计是一种很好的设计，这通常要求顶层电极对低能光子是透明的，这就会加大叠层电池的产业化成本。
技术实现思路
为了解决上述问题，本专利技术的第一个目的是提供一种铒铕稀土掺杂的染料敏化太阳能电池，可以有效地拓宽DSSC的吸收光谱，从而电池的光电性能得到提升；本专利技术的第二个目的是提供该太阳能电池的制备方法。为解决第一目的，本专利技术提供技术方案如下：一种铒铕稀土掺杂的染料敏化太阳能电池，所述太阳能电池包括底层、中间层和顶层；其特征在于：所述底层由致密互连的二氧化钛纳米晶薄膜组成，是电池的主要激活层；所述中间层由掺铕的二氧化钛纳米棒组成，能够把太阳光中的紫外光转换成可见光；所述顶层由掺铒的二氧化钛纳米棒组成，能够把太阳光中的红外光转换成可见光。为解决第二目的，本专利技术提供技术方案如下：一种铒铕稀土掺杂的染料敏化太阳能电池制备方法，包括以下步骤：1）制备含有铕掺杂和铒掺杂的二氧化钛胶体溶液：把163mg的Eu2O3粉末放入0.23ml（摩尔浓度为1.5~2.5mol/L）的硝酸溶液中，反应生成的Eu(NO3)3溶液通过添加适量的去离子水，把溶液的pH值调整到2.5~3.5；持续搅拌1小时以后，加入7.2ml钛酸四异丙酯，在80℃的水浴锅中，在超声振荡的环境下用磁力搅拌75分钟；冷却到室温以后，用去离子水稀释到45~50ml，然后移至高压釜中，在230℃下加热24小时；将所得含悬浮液的沉淀用无水乙醇稀释至100ml，在大气条件和超声振动下彻底使之分散，直到出现均匀分散和稳定的胶体；最后，通过旋转蒸发器浓缩和离心分离，得到在乙醇中含有铕掺杂的重量百分比为40％TiO2胶体溶液；将上述中的163mg的Eu2O3粉末换成177mg的Er2O3粉末，相同方法得到含有铒掺杂的重量百分比为40％TiO2胶体溶液；2）制备多孔的TiO2、Eu3+:TiO2和Er3+:TiO2浆料：把0.55g乙基纤维素（溶剂为重量百分比为8~12%的乙醇溶液）和7.1g松油醇（溶剂为重量百分比为8~12%的乙醇溶液）加入5gTiO2胶体溶液（溶剂为重量百分比为40%的乙醇溶液），然后添加乙醇溶液，在超声震荡下持续搅拌2小时，获得总量为25ml的混合液；把混合液放入80℃的恒温箱进行干燥处理，以去除乙醇和水，最终获得TiO2浆料；同样方法，分别将5g步骤1）所得的Eu3+:TiO2胶体溶液和Er3+:TiO2胶体溶液作为原料，分别制得Eu3+:TiO2浆料和Er3+:TiO2浆料；3）铒铕稀土掺杂的染料敏化太阳能电池的组装：3.1）导电玻璃的预处理：依次用去污粉、去离子水、异丙醇、0.05~0.15mol/L乙醇盐酸溶液和丙酮超声清洗15分钟，除去作为电池衬底用的FTO导电玻璃表面的各种有机及无机杂质，把清洗干净的导电玻璃放入80℃的0.3~0.5mol/L的TiCl4溶液浸泡30分钟，再用去离子水清洗，最后在400℃马弗炉中处理30分钟，进一步去除玻璃表面的有机杂质；对于制备铂对电极的导电玻璃，在用上述方法清洗之前，需要在玻璃中间开一个小孔，用于电解质注入，其他的处理步骤完全相同；3.2）Er3+:TiO2/Eu3+:TiO2/TiO2/FTO三层薄膜电极的制备：将6-μm厚的TiO2浆料作为底层，将3-μm厚的Er3+掺杂的TiO2浆料作为中间层，将3-μm厚的Eu3+掺杂的TiO2浆料作为底层，使用依次丝网印刷技术涂覆在FTO导电玻璃上，然后在115℃温度下烘烤6分钟，再放入450℃的马弗炉中烧结30分钟；称取65mgN-719染料，溶解在100~150ml无水乙醇中，在40℃下搅拌12小时，即得到N-719染料敏化剂溶液；将烧结后的电极，在80℃将烧结后的电极在无光照的条件下浸入染料溶液24小时，取出后用无水乙醇润洗后晾干；自然冷却以后放入N-719染料敏化剂中浸渍24小时，这样总厚度为12μm厚的铒铕稀土掺杂的三层染料敏化电极就制备完成；3.3）电池组装：吸附染料的Er3+:TiO2/Eu3+:TiO2/TiO2/FTO三层薄膜电极与镀铂的对电极，采用厚度为30μm热封装膜粘合成为三明治结构；封装的温度为120℃，Er3+:TiO2/Eu3+:TiO2/TiO2/FTO三层薄膜的面积为4.0cm2，长宽各2.0cm；热封膜中空部分与薄膜的两边各留1mm空隙；组装具体方法为将电池放入密闭容器中，然后利用机械泵抽真空，在对电极小孔处滴加电解质后，将密闭容器恢复到大气压，由于电池内外压力差，电解质将被吸入到电池内部，然后用热封膜把电极上的小孔密封。应用荧光上转换或下转换机制，太阳光中的红外光和紫外光能够转换成容易被染料吸收的可见光，这样就可以拓宽DSSC的吸收光谱，从而增加电池的转换效率。稀土离子的掺杂被证明是改善二氧化钛光活性的有效方法。二氧化钛纳米晶体可以扮演三价铕或铒离子发光的敏化中心，多孔的二氧化钛薄膜是铕或铒离子的优异母体。当掺有三价铕离子的二氧化钛粉末被紫外光照射，可以发射能够DSSC中染料吸收的波长为580-640nm的红光。当掺有三价铒离子的二氧化钛粉末被近红外光照射，可以发射能够DSSC中染料吸收的波长为510-570nm的绿光和610-700nm的红光。利用荧光转化机理，这种三层结构的新型染料敏化太阳能电池能够有效地吸收宽光谱的太阳光，与没有掺杂的单层TiO2染料敏化电池相比，其光电转化效率可以提高1.4倍。附图说明图1铒铕稀土掺杂的DSSC结构示意图。图2纯TiO2薄膜的SEM图。图3铕掺杂的TiO2薄膜的SEM图。图4铒掺杂的TiO2薄膜的SEM图。图5纯TiO2、铕掺杂的TiO2和铒掺杂的TiO2薄膜的XRD谱。图6纯TiO2、铕掺杂的TiO2和铒掺杂的TiO2薄膜的EDS谱。图7铕掺杂的TiO2和铒掺杂的TiO2薄膜的荧光激发谱。图8铕掺杂的TiO2和铒掺杂的TiO2薄膜的发射谱。图9TiO2-FTO,Eu3+-TiO2-TiO2-FTO和Er3+-TiO2-Eu3+-TiO2-TiO2-FTO染料敏化电极的光吸收谱。图10纯TiO2和铒铕掺杂TiO2的DSSC在红外光辐照（a）和紫外光照射（b）下的I-V特性。图11具有不同电极结构的DSSC在100mWcm-2本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种铒铕稀土掺杂的染料敏化太阳能电池，所述太阳能电池包括底层、中间层和顶层；其特征在于：所述底层由致密互连的二氧化钛纳米晶薄膜组成，是电池的主要激活层；所述中间层由掺铕的二氧化钛纳米棒组成，能够把太阳光中的紫外光转换成可见光；所述顶层由掺铒的二氧化钛纳米棒组成，能够把太阳光中的红外光转换成可见光。

【技术特征摘要】
1.一种铒铕稀土掺杂的染料敏化太阳能电池，所述太阳能电池包括底层、中间层和顶层；其特征在于：所述底层由致密互连的二氧化钛纳米晶薄膜组成，是电池的主要激活层；所述中间层由掺铕的二氧化钛纳米棒组成，能够把太阳光中的紫外光转换成可见光；所述顶层由掺铒的二氧化钛纳米棒组成，能够把太阳光中的红外光转换成可见光。2.一种铒铕稀土掺杂的染料敏化太阳能电池制备方法，包括以下步骤：1）制备含有铕掺杂和铒掺杂的二氧化钛胶体溶液：把163mg的Eu2O3粉末放入0.23ml（摩尔浓度为1.5~2.5mol/L）的硝酸溶液中，反应生成的Eu(NO3)3溶液通过添加适量的去离子水，把溶液的pH值调整到2.5~3.5；持续搅拌1小时以后，加入7.2ml钛酸四异丙酯，在80℃的水浴锅中，在超声振荡的环境下用磁力搅拌75分钟；冷却到室温以后，用去离子水稀释到45~50ml，然后移至高压釜中，在230℃下加热24小时；将所得含悬浮液的沉淀用无水乙醇稀释至100ml，在大气条件和超声振动下彻底使之分散，直到出现均匀分散和稳定的胶体；最后，通过旋转蒸发器浓缩和离心分离，得到在乙醇中含有铕掺杂的重量百分比为40％TiO2胶体溶液；将上述中的163mg的Eu2O3粉末换成177mg的Er2O3粉末，相同方法得到含有铒掺杂的重量百分比为40％TiO2胶体溶液；2）制备多孔的TiO2、Eu3+:TiO2和Er3+:TiO2浆料：把0.55g乙基纤维素（溶剂为重量百分比为8~12%的乙醇溶液）和7.1g松油醇（溶剂为重量百分比为8~12%的乙醇溶液）加入5gTiO2胶体溶液（溶剂为重量百分比为40%的乙醇溶液），然后添加乙醇溶液，在超声震荡下持续搅拌2小时，获得总量为25ml的混合液；把混合液放入80℃的恒温箱进行干燥处理，以去除乙醇和水，最终获得TiO2浆料；同样方法，分别将5g步骤1）所得的Eu3+:TiO2胶体溶液和Er3+:TiO2胶体溶液作为原料，分别制得Eu3+:TiO2浆料和Er3+:TiO2浆料；3）铒铕稀土掺...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄仕华，
申请(专利权)人：浙江师范大学，
类型：发明
国别省市：浙江;33