染料敏化太阳能电池用掺杂纳米金的电极及其制备方法技术

本发明专利技术涉及染料敏化太阳能电池用掺杂纳米金的电极及其制备方法，电极包括基板、基板上附着均匀掺杂纳米金粒子的二氧化钛薄膜，下层为平板结构，上层具有周期状间隙，将包覆二氧化硅的纳米金粒子的二氧化钛浆料均匀涂覆在导电玻璃上，并烧结得到电极，在该电极上均匀沉积聚苯乙烯小球，形成周期性结构，注入混合纳米金溶液的二氧化钛前驱体，烧结去除聚苯乙烯，得到周期性结构的二氧化钛薄膜，形成了双层电极，最后将电极先后浸泡于两种不同的染料中敏化，得到染料太阳能电池的双染料敏化、纳米金掺杂的双层结构电极。本发明专利技术用于染料敏化太阳能电池中，可大幅增加电池对可见光的吸收率，提高电池的光电转换效率。

Electrode for doping nano gold for dye sensitized solar cell and preparation method thereof

Using electrode and its preparation method of gold nanoparticles doped the invention relates to a dye-sensitized solar cell electrode, including uniform TiO2 thin film doped with nano gold particles on the substrate, the substrate, the lower plate structure, the upper cycle has shaped gap, the titanium dioxide slurry of gold nanoparticles coated with silicon dioxide uniformly coated on the conductive glass, and sintering get the electrode, uniform deposition of polystyrene beads on the electrode, the formation of a periodic structure, into the TiO2 precursor mixed nano gold solution, sintering removal of polystyrene, obtained TiO2 thin film structure period, forming a bilayer electrode, the electrode has soaked in two kinds of different sensitizing dyes, dye bilayer electrode solar cell, double dye-sensitized nano gold doped. The invention is applied to dye sensitized solar cells, which can greatly increase the absorptivity of the battery to visible light, and improve the photoelectric conversion efficiency of the battery.

【技术实现步骤摘要】
染料敏化太阳能电池用掺杂纳米金的电极及其制备方法
本专利技术涉及一种电极及其制备方法，尤其是涉及一种染料敏化太阳能电池用掺杂纳米金的电极及其制备方法。
技术介绍
在环境危机及能源危机的背景下，太阳能作为一种富有前景的能源，已经在国际上得到了广泛的推广，并极有希望，取代当今大量应用的化石能源。单晶硅、多晶硅、薄膜太阳能电池等已经开始大规模生产。而由M.教授的研究小组率先研发出的染料敏化太阳能电池(DyeSensitizedSolarCells，DSSC)，因其原料丰富且廉价，制作方式简易，而独树一帜。在染料敏化电池中，工作电极通常由二氧化钛微晶制备而成，联吡啶配合物等染料起着吸光和激发电子的功能，吸附于工作电极上，并在二氧化钛-电解液的界面上完成电子-空穴对的分离，产生电流，目前染料敏化太阳能电池的最高转换效率可带11％。染料敏化太阳能电池由二氧化钛电极，电解液以及对电极组成，提高电池电极的光吸收效率，增强电子空穴分离的效率均能够提升染料敏化太阳能电池的光电转换性能，其中，使用双染料共同敏化太阳能电池的方法是一种有效的提升光吸收效率的方法。我们在JournalofMaterialsChemistry《材料化学期刊》上发表的Au@SiO2nanoparticlescouplingco-sensitizersforsynergicefficiencyenhancementofdyesensitizedsolarcells《使用包裹二氧化硅的纳米金与染料对协同作用提升染料敏化太阳能电池的效率》一文(J.Mater.Chem.,2012,22,24734)系统得介绍了使用双染料共敏化二氧化钛电池电极的方法以及采取这些方法制备出电池的效率。然而，在二氧化钛表面吸附双层染料虽然可以提高光吸收率，但却因界面电阻增大，电子难以有效注入到二氧化钛中，故只有在合适的染料搭配下，才能够提高电池的光电转换效率，难以大规模推广应用。
技术实现思路
本专利技术的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种具有共振效果、大幅提升了染料电池的光吸收效率，以及光电转换效率的染料敏化太阳能电池用掺杂纳米金的电极及其制备方法。本专利技术的目的可以通过以下技术方案来实现：染料敏化太阳能电池用掺杂纳米金的电极包括基板、基板上附着的二氧化钛薄膜，所述的二氧化钛薄膜中均匀掺杂纳米金粒子，该二氧化钛薄膜为经两种不同染料先后敏化的双层结构的薄膜，下层为平板结构的二氧化钛膜层，上层为具有周期状间隙的二氧化钛膜层，使用双层染料敏化，周期性结构可与纳米金产生强烈的共振效果，大幅提升了染料电池的光吸收效率，以及光电转换效率。所述的纳米金粒子的直径为10～100nm，平板结构的二氧化钛膜层厚度为5～10μm，具有周期状间隙的二氧化钛膜层的厚度为3～10μm。采用钌的配合物染料N3，N749，N719中的两种染料先后敏化太阳能电池电极双层结构的薄膜。所述的基板为掺杂氟的氧化锡导电玻璃基板(FTO导电玻璃)或掺铟氧化锡导电玻璃(ITO导电玻璃)。染料敏化太阳能电池用掺杂纳米金的电极的制备方法，该方法采用以下步骤：(1)制备二氧化硅包覆的纳米金颗粒溶液，具体来说，将浓度为0.01wt％的氯金酸水溶液在磁力搅拌加热下煮沸，并迅速加入浓度1wt％的柠檬酸钠水溶液反应1～20min后脱离热源制得纳米金溶液，溶液冷却后中滴加浓度为1.7-2μM的三乙氧基硅烷水溶液，剧烈搅拌40min后加入浓度为0.5-0.8wt％硅酸钠水溶液，氯金继续搅拌12分钟，并静置三天，获得二氧化硅包覆的纳米金颗粒溶液，在使用前硅酸钠水溶液的pH值需调至10～11，其中的酸水溶液、柠檬酸钠水溶液、三乙氧基硅烷水溶液、硅酸钠水溶液体积比为1000︰10～100︰20︰40；(2)将二氧化硅包覆的纳米金颗粒及二氧化钛浆料分散于乙醇并混合均匀，再将乙醇蒸发，得到掺杂纳米金的二氧化钛浆料；(3)将掺杂纳米金的二氧化钛浆料均匀涂覆在基板上，膜厚通过胶带控制在5～10μm，室温下干燥后进行高温烧结得到电极基体；(4)采用乳液聚合法，在隔绝空气的条件下，将反应单体苯乙烯与表面活性剂均匀混合，在60℃-100℃下注入引发剂进行反应，制备得到粒径为150nm～300nm的聚苯乙烯小球，其中，所述的表面活性剂为甲基丙烯酸，所述引发剂为过硫化钾；(5)将电极基体垂直浸入到第四步制备的聚苯乙烯小球的水溶液中，在恒湿恒温条件下放置3～15天，其中湿度控制在50％～80％之间的任一恒定值，温度控制在30℃～65℃之间的任一恒定值，待溶液中的水分彻底挥发，电极基体上留下了一层均匀的薄膜，该薄膜由聚苯乙烯小球均匀堆叠而成，形成了周期性晶格为面心立方的结构，薄膜厚度为3～10μm；(6)将第五步中形成的表面覆盖有聚苯乙烯小球的电极基体反复浸入到掺杂纳米金的二氧化钛前驱体中，掺杂纳米金的二氧化钛前驱体将聚苯乙烯小球的间隙完全填满，再进行高温烧结去除聚苯乙烯小球，得到了具有双层结构的二氧化钛电极基板，二氧化钛多孔周期性结构的孔径同烧结之前聚苯乙烯小球的粒径相似，为150nm～300nm；(7)将得到的具有双层结构的二氧化钛电极基板浸泡于第一种染料溶液中进行敏化，用无水乙醇冲洗基板表面，去掉物理吸附的染料分子，再浸泡于第二种染料之中进行敏化，取出后用无水乙醇冲洗并烘干，即为染料敏化太阳能电池用掺杂纳米金的电极。步骤(2)中所述的二氧化钛浆料以松油醇为溶剂，含有粒径为8～20nm的二氧化钛纳米颗粒。步骤(3)所述的高温烧结是控制升温速率为2℃/min升温至450℃，并于450℃下保温30～45min，再随炉冷却。步骤(6)所述的掺杂纳米金的二氧化钛前驱体为钛酸四异丙酯、醋酸、硝酸以及包覆了二氧化硅的纳米金水溶液的混合物，其中醋酸、钛酸四异丙酯以及二氧化硅包覆的纳米金颗粒溶液的体积比例为1:5～10:100～200，硝酸在体系中的浓度为0.1mM～1mM。步骤(7)采用的两种染料为N3溶液(cis-bis(isothiocyanato)bis(2,2'-bipyridyl-4,4'-dicarboxylato)-ruthenium(II)，2～5×10-4mol/L无水乙醇溶液)，及N719溶液(cis-bis(isothiocyanato)bis(2,2'-bipyridyl-4,4'-dicarboxylato)-ruthenium(II)bis-tetrabutylammonium，2～5×10-4mol/L无水乙醇溶液)，或者是N749溶液(triisothiocyanato-(2,2_:6_,6”-terpyridyl-4,4_,4”-tricarboxylato)ruthenium(II)tris(tetra-butylammonium)，2～5×10-4mol/L无水乙醇溶液)及N3溶液，或者是N749溶液及N719溶液。步骤(7)所述的敏化是将具有双层结构的二氧化钛电极基板浸泡于染料溶液中，于40℃恒温下避光静置24h。制备得到的染料敏化太阳能电池用掺杂纳米金的电极采用热封装膜后与对电极在100℃下封装，并滴加电解液，得到染料敏化太阳能电池。所述的电解液以乙腈或3-甲氧基丙腈为溶剂，含有碘，碘化锂或DMPII离子液体。与现有技本文档来自技高网...

【技术保护点】
染料敏化太阳能电池用掺杂纳米金的电极，包括基板、基板上附着二氧化钛薄膜，其特征在于，所述的二氧化钛薄膜中均匀掺杂纳米金粒子，该二氧化钛薄膜为经两种不同染料先后敏化的双层结构的薄膜，下层为平板结构的二氧化钛膜层，上层为具有周期状间隙的二氧化钛膜层；染料敏化太阳能电池用掺杂纳米金的电极采用以下方法制备得到：(1)制备二氧化硅包覆的纳米金颗粒溶液；(2)将二氧化硅包覆的纳米金颗粒及二氧化钛浆料分散于乙醇并混合均匀，再将乙醇蒸发，得到掺杂纳米金的二氧化钛浆料；(3)将掺杂纳米金的二氧化钛浆料均匀涂覆在基板上，膜厚通过胶带控制在5～10μm，室温下干燥后进行高温烧结得到电极基体；(4)采用乳液聚合法，在隔绝空气的条件下，将反应单体苯乙烯与表面活性剂甲基丙烯酸均匀混合，在60℃‑100℃下注入引发剂过硫化钾进行反应，制备得到粒径为150nm～300nm的聚苯乙烯小球；(5)将电极基体垂直浸入到第四步制备的聚苯乙烯小球的水溶液中，在恒湿恒温条件下放置3～15天，待溶液中的水分彻底挥发，电极基体上留下了一层均匀的薄膜，该薄膜由聚苯乙烯小球均匀堆叠而成，形成了周期性晶格为面心立方的结构，薄膜厚度为3～10μm；(6)将第五步中形成的表面覆盖有聚苯乙烯小球的电极基体反复浸入到掺杂纳米金的二氧化钛前驱体中，掺杂纳米金的二氧化钛前驱体将聚苯乙烯小球的间隙完全填满，再进行高温烧结去除聚苯乙烯小球，得到了具有双层结构的二氧化钛电极基板，所述的掺杂纳米金的二氧化钛前驱体为钛酸四异丙酯、醋酸、硝酸以及包覆了二氧化硅的纳米金水溶液的混合物，其中醋酸、钛酸四异丙酯以及二氧化硅包覆的纳米金颗粒溶液的体积比例为1:5～10:100～200，硝酸在体系中的浓度为0.1mM～1mM；(7)将得到的具有双层结构的二氧化钛电极基板浸泡于第一种染料溶液中进行敏化，用无水乙醇冲洗基板表面，去掉物理吸附的染料分子，再浸泡于第二种染料之中进行敏化，取出后用无水乙醇冲洗并烘干，即为染料敏化太阳能电池用掺杂纳米金的电极。...

【技术特征摘要】
1.染料敏化太阳能电池用掺杂纳米金的电极，包括基板、基板上附着二氧化钛薄膜，其特征在于，所述的二氧化钛薄膜中均匀掺杂纳米金粒子，该二氧化钛薄膜为经两种不同染料先后敏化的双层结构的薄膜，下层为平板结构的二氧化钛膜层，上层为具有周期状间隙的二氧化钛膜层；染料敏化太阳能电池用掺杂纳米金的电极采用以下方法制备得到：(1)制备二氧化硅包覆的纳米金颗粒溶液；(2)将二氧化硅包覆的纳米金颗粒及二氧化钛浆料分散于乙醇并混合均匀，再将乙醇蒸发，得到掺杂纳米金的二氧化钛浆料；(3)将掺杂纳米金的二氧化钛浆料均匀涂覆在基板上，膜厚通过胶带控制在5～10μm，室温下干燥后进行高温烧结得到电极基体；(4)采用乳液聚合法，在隔绝空气的条件下，将反应单体苯乙烯与表面活性剂甲基丙烯酸均匀混合，在60℃-100℃下注入引发剂过硫化钾进行反应，制备得到粒径为150nm～300nm的聚苯乙烯小球；(5)将电极基体垂直浸入到第四步制备的聚苯乙烯小球的水溶液中，在恒湿恒温条件下放置3～15天，待溶液中的水分彻底挥发，电极基体上留下了一层均匀的薄膜，该薄膜由聚苯乙烯小球均匀堆叠而成，形成了周期性晶格为面心立方的结构，薄膜厚度为3～10μm；(6)将第五步中形成的表面覆盖有聚苯乙烯小球的电极基体反复浸入到掺杂纳米金的二氧化钛前驱体中，掺杂纳米金的二氧化钛前驱体将聚苯乙烯小球的间隙完全填满，再进行高温烧结去除聚苯乙烯小球，得到了具有双层结构的二氧化钛电极基板，所述的掺杂纳米金的二氧化钛前驱体为钛酸四异丙酯、醋酸、硝酸以及包覆了二氧化硅的纳米金水溶液的混合物，其中醋酸、钛酸四异丙酯以及二氧化硅包覆的纳米金颗粒溶液的体积比例为1:5～10:100～200，硝酸在体系中的浓度为0.1mM～1mM；(7)将得到的具有双层结构的二氧化钛电极基板浸泡于第一种染料溶液中进行敏化，用无水乙醇冲洗基板表面，去掉物理吸附的染料分子，再浸泡于第二种染料之中进行敏化，取出后用无水乙醇冲洗并烘干，即为染料敏化太阳能电池用掺杂纳米金的电极。2.根据权利要求1所述的染料敏化太阳能电池用掺杂纳米金的电极，其特征在于，所述的纳米金粒子的直径为10～100nm，平板结构的二氧化钛膜层厚度为5～10μm，具有周期状间隙的二氧化钛膜层的厚度为3～10μm。3.根据权利要求1所述的染料敏化太阳能电池用掺杂纳米金的电极，其特征在于，所述的基板为掺杂氟的氧化锡导电玻璃基板(FTO导电玻璃基板)或掺铟氧化锡导电玻璃(ITO导电玻璃基板)。4.如权利要求1-3中任一项所述的染料敏化太阳能电池用掺杂纳米金的电极的制备方法，其特征在于，该方法采用以下步骤：(1)制备二氧化硅包覆的纳米金颗粒溶液；(2)将二氧化硅包覆的纳米金颗粒及二氧化钛浆料分散于乙醇并混合均匀，再将乙醇蒸发，得到掺杂纳米金的二氧化钛浆料；(3)将掺杂纳米金的二氧化钛浆料均匀涂覆在基板上，膜厚通过胶带控制在5～10μm，室温下干燥后进行高温烧结得到电极基体；(4)采用乳液聚合法，在隔绝空气的条件下，将反应单体苯乙烯与表面活...

【专利技术属性】
技术研发人员：胡晓斌，李浩然，
申请(专利权)人：上海交通大学，
类型：发明
国别省市：上海,31