一种染料敏化太阳能电池光阳极及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种染料敏化太阳能电池光阳极及其制备方法。所述光阳极材料为二氧化钛包裹三氧化二铝的核壳结构纳晶薄膜，记为Al

【技术实现步骤摘要】
一种染料敏化太阳能电池光阳极及其制备方法
本专利技术涉及一种染料敏化太阳能电池光阳极及其制备方法。
技术介绍
太阳能广义上是地球上许多能量如风能、水能、海洋能、生物质能及部分潮汐能的来源；从根本上来说，化石燃料(如煤、石油、天然气等)也是远古以来贮存的太阳能。但在化石燃料日趋减少的情况下，太阳能主要通过太阳能电池的方式利用光电效应将太阳能辐射能直接利用。迄今为止，传统的硅系太阳能电池原料成本高、生产工艺复杂、效率提高潜力有限，因此其民用化受到技术性限制，急需开发低成本的太阳能电池。能源是世界经济发展的首要问题。染料敏化太阳能电池(DSCs)价格相对低廉，制作工艺简单，拥有潜在的高光电转换效率，目前，DSCs主要由染料敏化的TiO2纳晶薄膜光阳极，电解质(I-/I3-)和铂电极或者炭制备的对电极三个部分组成。宽带隙半导体TiO2紧密层对可见光具有较强的吸收及转化，较大的比表面积以及适量的染料吸附量等使得其获得高达14.3％的光电转化效率。且其制造成本仅为硅太阳能电池的1/5～1/10，因而具有广阔的应用前景，吸引着世界各国科研工作者和企业的广泛关注。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种染料敏化太阳能电池光阳极及其制备方法，具体是以Al2O3@TiO2核壳结构纳晶薄膜作为光阳极，本专利技术通过经TiCl4后处理的Al2O3纳米薄膜以制备Al2O3@TiO2核壳结构纳晶薄膜，并将其作为DSCs的光阳极，有效提高了染料敏化太阳能电池的光电转换效率。本专利技术所提供的染料敏化太阳能电池的光阳极材料，为二氧化钛包裹三氧化二铝的核壳结构纳晶薄膜，记为Al2O3@TiO2核壳结构纳晶薄膜；所述Al2O3@TiO2核壳结构纳晶薄膜由TiCl4后处理Al2O3纳米薄膜得到。上述的光阳极材料中，所述后处理包括将所述Al2O3纳米薄膜浸于TiCl4水溶液中热处理、然后进行烧结的步骤。上述的光阳极材料中，所述后处理进行3～5次，本专利技术的一个具体实施方式考察了以尺寸为20nm的Al2O3粉末制备的Al2O3@TiO2核壳结构纳晶薄膜作为光阳极得到的染料敏化太阳能电池的光电性能随所述后处理次数的影响，结果表明随着TiCl4修饰(即在TiCl4水溶液中浸渍Al2O3纳米薄膜并烧结的步骤)次数的增加，短路电流密度逐渐增大，电压出现递减的趋势，相对于进行1次和2次时的光电转换效率较低，进行3次时光电转换效率具有大幅度的提升，进行4次时获得最佳光电转换效率PCE＝3.32％，所对应的短路电流密度JSC＝7.8mA·cm-2，开路电压VOC＝0.655V，填充因子FF＝0.651，而进行5次时光电转换效率出现递减的趋势，但相对于进行1次和2次时仍具有很大的提升。因此，可进行3～5次所述后处理以提升所得到的电池的光电转化效率。上述的光阳极材料中，所述TiCl4水溶液的摩尔浓度可为40mmol/L～100mmol/L，具体可为70mmol/L；所述热处理的温度可为50℃～100℃，具体可为70℃，时间可为20min～40min，具体可为30min。上述的光阳极材料中，所述烧结的温度可为400℃～500℃，具体可为450℃，时间可为20min～60min，具体可为30min，具体在马弗炉中进行。上述的光阳极材料中，所述Al2O3纳米薄膜中掺杂聚乙二醇和/或聚苯乙烯；所述Al2O3纳米薄膜中，所述聚乙二醇的质量添加量可为0.1～0.3％，具体可为0.1％，其分子量可为4000～20000，所述聚苯乙烯的质量添加量为0.1～3％，具体可为0.3％，其分子量可为104～107。本专利技术进一步提供了所述光阳极材料的制备方法，包括如下步骤：将Al2O3胶体或掺杂所述聚乙二醇和/或所述聚苯乙烯的Al2O3胶体涂敷于基底上经烧结得到所述Al2O3纳米薄膜或掺杂所述聚乙二醇和/或所述聚苯乙烯的所述Al2O3纳米薄膜，然后经所述后处理即得到所述光阳极材料。上述的制备方法中，所述基底可为FTO导电玻璃或设有TiO2致密层的FTO导电玻璃；所述TiO2致密层可通过如下方法制备：将异丙氧醇钛溶于正丙醇中作为致密溶液备用，用旋涂的方法将致密溶液旋涂于所述基底上，再置于马弗炉中进行烧结即形成TiO2致密层，如在450℃下烧结30min。上述的制备方法中，所述烧结的温度可为400℃～500℃，时间可为20～40min，如在450℃下烧结30min。上述的制备方法中，所述Al2O3胶体由下述方法制备得到：研磨所述Al2O3粉末并加入水和乙酸得到混合液，通过磁力搅拌和超声分散使得所述混合溶液中的所述Al2O3粉末充分分散；向所述混合液中加入表面活性剂，并通过磁力搅拌和超声分散使所述表面活性剂充分分散即得到Al2O3胶体；向所述Al2O3胶体中加入所述聚乙二醇和/或所述聚苯乙烯即得到掺杂所述聚乙二醇和/或所述聚苯乙烯的Al2O3胶体；所述表面活性剂可为曲拉通X-100；所述聚乙二醇和/或所述聚苯乙烯一方面可以提高Al2O3胶体的剪切力及改善胶体粘度，有利于Al2O3纳米薄膜的制备；另一方面作为造孔剂，能够改善薄膜的微观结构，提高孔隙率，有益于改善光电效应，进一步提高染料敏化太阳能电池的光电转换效率；所述Al2O3粉末的粒径为不大于200nm，如20～200nm、20～80nm、80nm～200nm、、20nm、80nm或200nm，本专利技术的一个具体实施方式考察了Al2O3粉末制备的Al2O3@TiO2核壳结构纳晶薄膜作为光阳极得到的染料敏化太阳能电池的光电性能随Al2O3粉末尺寸(粒径)的影响，结果表明随着粒径(尺寸)的增大，尺寸为80nm时取得较好的性能，其短路电流密度为JSC＝12.66mA·cm-2，开路电压Voc＝0.745V，填充因子FF＝0.66，所对应的转换效率为6.23％，可见，随着Al2O3颗粒尺寸的增大，光生电子数增加，开路光电压及光电转换效率明显增大；但是由粒径为1000nm的Al2O3粉末制备的纳晶薄膜作为光阳极得到的电池的光性能参数可以看出，当Al2O3颗粒尺寸增大至一定程度时，其对应的短路电流密度和光电转换效率均大幅度降低，光电转换效率降低至PCE＝0.47％，因此粒径为不大于200nm的Al2O3粉末制备Al2O3@TiO2核壳结构纳晶薄膜。本专利技术经TiCl4后处理的Al2O3纳米薄膜或经TiCl4后处理的添加PEG及PS的Al2O3纳米薄膜并将其作为DSCs的光阳极，能有效提高染料敏化太阳能电池的光电转换效率。本专利技术以经TiCl4后处理的Al2O3纳米薄膜作为光阳极制备染料敏化太阳能电池，利用纳米级的Al2O3表面积大、吸附性强的特性提高了Al2O3@TiO2核壳结构纳米薄膜对染料敏化剂的吸附，进而提高了染料敏化太阳能电池的光电转换效率；此外，通过TiCl4后处理的次数不同，使Al2O3表面包覆一层高纯的TiO2小颗粒，一方面TiO2颗粒在Al2O3薄膜表面呈现连续状态，有利于提高其电子注入效率；另一方面随TiO2层厚度的增加染料吸附量也会增大，这两方面均有利于提高DSCs的光电转换效率；本专利技术以经TiCl4后处理的掺杂PEG及PS的Al2O3纳米薄膜，PEG作为一种粘结剂，取代乙基纤维素，乙基纤维素具有难溶于水，只溶于有机溶剂，价格不低，难以处理等不本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种染料敏化太阳能电池的光阳极材料，其特征在于：所述光阳极材料为二氧化钛包裹三氧化二铝的核壳结构纳晶薄膜，记为Al

【技术特征摘要】
1.一种染料敏化太阳能电池的光阳极材料，其特征在于：所述光阳极材料为二氧化钛包裹三氧化二铝的核壳结构纳晶薄膜，记为Al2O3@TiO2核壳结构纳晶薄膜；所述Al2O3@TiO2核壳结构纳晶薄膜由TiCl4后处理Al2O3纳米薄膜得到。2.根据权利要求1所述的光阳极材料，其特征在于：所述后处理包括将所述Al2O3纳米薄膜浸于TiCl4水溶液中热处理、然后进行烧结的步骤。3.根据权利要求1或2所述的光阳极材料，其特征在于：所述后处理进行3～5次。4.根据权利要求2或3所述的光阳极材料，其特征在于：所述TiCl4水溶液的摩尔浓度为40mmol/L～100mmol/L；所述热处理的温度为50℃～100℃，时间为20min～40min。5.根据权利要求2-4中任一项所述的光阳极材料，其特征在于：所述烧结的温度为400℃～500℃，时间为20min～60min。6.根据权利要求1-5中任一项所述的光阳极材料，其特征在于：所述Al2O3纳米薄膜中掺杂聚乙二醇和/或聚苯乙烯；所述Al2O3纳米薄膜...

【专利技术属性】
技术研发人员：唐小文，解东梅，林原，周晓文，
申请(专利权)人：中国科学院化学研究所，
类型：发明
国别省市：北京,11