磷烯修饰的染料敏化太阳能电池TiO2光阳极及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种磷烯修饰的染料敏化太阳能电池TiO2光阳极及其制备方法。该光阳极主要由磷烯与TiO2浆料混合后涂覆于导电材料上经烧结制备得到，磷烯主要由黑磷粉末、溴素和有机溶剂混合后经溴插层辅助液相超声剥离法制备得到。制备方法包括将黑磷粉末与溴素、有机溶剂混合利用溴插层辅助液相超声剥离法制备出磷烯，再将磷烯与TiO2浆料混合，涂覆在导电材料的导电面上进行烧结，得到磷烯修饰的染料敏化太阳能电池TiO2光阳极。本发明专利技术的光阳极可降低电子传输界面的电阻和电子逆向转移的概率，自身也产生光生电子，改善光阳极与染料的能级匹配效果，从而提高现有染料敏化太阳能电池的光电转化效率。

【技术实现步骤摘要】
磷烯修饰的染料敏化太阳能电池TiO2光阳极及其制备方法
本专利技术属于太阳能电池制造
，具体涉及一种磷烯修饰的染料敏化太阳能电池TiO2光阳极及其制备方法。
技术介绍
随着煤、石油、天然气等矿物能源的日益枯竭，寻找其他的可替代能源变得越来越迫切。太阳能是一种清洁能源，具有取之不尽、用之不竭、安全无污染、无地理环境制约的优点，愈来愈受到人们的重视与青睐。硅太阳能电池在目前的研究开发中发展较为成熟、应用比较多，其光电转换效率可达15%以上。但是，硅电池具有光腐蚀性和价格昂贵的缺点，限制了硅电池的广泛应用。为了改善这一问题，有研究报道采用热稳定性良好、具有光化学抗腐蚀性的氧化物半导体作电极。但是，这种氧化物半导体的禁带一般较宽，通常需要较高能量的光才能激发，大大影响了太阳光的利用率。为了进一步提高光电转换效率，采用染料敏化光阳极的方法，由染料吸收可见光从而把电子注入半导体导带产生光电流，使可见光波段的太阳光也能得到充分利用。染料敏化光电池由导电基底、光阳极、染料敏化剂、电解质和对电极等几部分组成。目前对电极、染料及电解质的配方和制备方法相对比较成熟，染料敏化太阳能电池转化效率的高低在很大程度上取决于光阳极的组成和结构。光阳极通常是将金属氧化物半导体浆料涂敷在导电玻璃上制备而成。纳米TiO2由于具有光稳定性、无毒、高比表面积等特点，而成为金属氧化物半导体材料的首选。TiO2染料敏化太阳能电池的工作原理是：首先染料分子被光激发从基态跃迁到激发态，然后处于激发态的染料分子将电子注入TiO2导带中，自己变为氧化态，而注入TiO2导带中的电子进一步传输到导电基底后流入外电路；同时氧化态的染料分子被I−还原，染料再生，得到I3−，I3−扩散至对电极上得电子变成I−。以上是光生电子的正向转移，除此以外，电子也会发生逆向转移，比如：染料分子激发态的电子回传到基态；TiO2导带中的电子与氧化态染料之间的复合；半导体中传输的电子与渗透到半导体薄膜孔道中的I3−结合等。电子逆向转移的发生，会大大降低电池的光电转换效率。因此，寻求提高染料敏化太阳能电池光电转化效率的方法成为当务之急。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题是克服现有技术的不足，特别是现有染料敏化太阳能电池TiO2光阳极光电转化效率不高的技术问题，提供一种可有效降低电子逆向转移概率、自身产生光电子、改善光阳极与染料的能级匹配效果、提高光电转化效率的磷烯修饰的染料敏化太阳能电池TiO2光阳极及其制备方法。为解决上述技术问题，本专利技术采用以下技术方案：一种磷烯修饰的染料敏化太阳能电池TiO2光阳极，所述磷烯修饰的染料敏化太阳能电池TiO2光阳极主要由磷烯与TiO2浆料混合后涂覆于导电材料上经烧结制备得到，所述磷烯主要由黑磷粉末、溴素和有机溶剂混合后通过溴插层辅助液相超声剥离法制备得到。上述的磷烯修饰的染料敏化太阳能电池TiO2光阳极中，优选的，所述黑磷粉末、溴素、有机溶剂的比例为0.1g∶1mL～10mL∶5mL～15mL；所述黑磷粉末为黑磷微米粉末，所述黑磷微米粉末的粒径＜100微米，所述磷烯的厚度为1nm～6nm；所述有机溶剂包括N-甲基-2-吡咯烷酮、N-乙基-2-吡咯烷酮和异丙醇中的一种或多种；所述磷烯与TiO2浆料的质量比为0.01～0.2∶1，所述烧结的过程如下：在惰性气氛下以1℃/min～2℃/min的升温速率升至430℃～480℃进行烧结；和/或，所述磷烯修饰的染料敏化太阳能电池TiO2光阳极的光电转换效率η=2.40%～5%，填充因子FF=0.50～0.82，短路电流JSC=4.36mA/cm2～9.0mA/cm2，开路电压VOC=0.72V～0.9V，在340nm的光照下最大的单色光转换效率IPCE值达到10%～25%。作为一个总的专利技术构思，本专利技术还提供一种磷烯修饰的染料敏化太阳能电池TiO2光阳极的制备方法，包括以下步骤：（1）将黑磷粉末、溴素和有机溶剂混合，经溴插层辅助液相超声剥离法制备得到磷烯，所述黑磷粉末、溴素、有机溶剂的比例为0.1g∶1mL～10mL∶5mL～15mL；（2）将步骤（1）所得磷烯与TiO2浆料混合并搅拌，磷烯与TiO2浆料的质量比为0.01～0.2∶1，将所得混合浆料涂覆于导电材料的导电面上，然后在惰性气氛下升温至430℃～480℃进行烧结，烧结后冷却，得到磷烯修饰的染料敏化太阳能电池TiO2光阳极。上述的磷烯修饰的染料敏化太阳能电池TiO2光阳极的制备方法中，优选的，所述步骤（1）中，所述黑磷粉末为黑磷微米粉末，所述黑磷微米粉末的粒径＜100微米；所述有机溶剂包括N-甲基-2-吡咯烷酮、N-乙基-2-吡咯烷酮和异丙醇中的一种或多种；所述磷烯的厚度为1nm～6nm。上述的磷烯修饰的染料敏化太阳能电池TiO2光阳极的制备方法中，优选的，所述步骤（1）中，所述磷烯的制备过程如下：将黑磷粉末、溴素和有机溶剂混合并充分研磨，然后在避光和无氧条件下对所得混合物进行超声剥离，再将超声剥离得到的混合液进行一次离心，将一次离心所得上清液进行二次离心，将二次离心所得沉淀物进行洗涤和干燥后，得到磷烯。上述的磷烯修饰的染料敏化太阳能电池TiO2光阳极的制备方法中，优选的，所述磷烯的制备过程中：所述超声剥离的频率为40kHz～80kHz，所述超声剥离的功率为180W～250W，所述超声剥离的时间为6h～24h，所述超声剥离过程中保持水温恒定为25℃～30℃；所述一次离心的转速为9000rpm～13000rpm，所述一次离心的时间为15min～30min；所述二次离心的转速为14000rpm～15000rpm，所述二次离心的时间为15min～30min。上述的磷烯修饰的染料敏化太阳能电池TiO2光阳极的制备方法中，优选的，所述磷烯的制备过程中，所述避光和无氧条件采用以下方式实现：将所得混合物置于棕色容器中并通入氩气，通入氩气的气流速度为3.0L/min～5.0L/min，通入氩气的时间为15min～30min；和/或，所述洗涤采用无水乙醇进行，所述洗涤方式为离心清洗，所述洗涤的次数为3次～4次；所述干燥为真空干燥，所述真空干燥的温度为60℃～70℃，所述真空干燥的时间为5h～10h；所得磷烯产物置于无水无氧的条件下避光保存。上述的磷烯修饰的染料敏化太阳能电池TiO2光阳极的制备方法中，优选的，所述步骤（2）中，所述升温时的升温速率为1℃/min～2℃/min。上述的磷烯修饰的染料敏化太阳能电池TiO2光阳极的制备方法中，优选的，所述步骤（2）中，在所述涂覆之前，先对导电材料进行清洗预处理，在所述导电材料的导电面上贴透明胶带以控制后续光阳极薄膜的涂覆厚度＜0.2mm；所述清洗预处理的过程如下：（a）丙酮超声清洗10min～15min；（b）异丙醇超声清洗10min～15min；（c）去离子水超声清洗10min～15min；（d）无水乙醇超声清洗10min～15min；（e）无水乙醇浸泡10min～15min，经干燥后备用。上述的磷烯修饰的染料敏化太阳能电池TiO2光阳极的制备方法中，优选的，所述步骤（2）中，所述烧结的时间为0.5h～2h，所述惰性气氛为N2气氛，所述导电材料为FTO导电玻璃。本专利技术的主要创新点在于：用空穴迁移率较高的新型类石本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种磷烯修饰的染料敏化太阳能电池TiO2光阳极，其特征在于，所述磷烯修饰的染料敏化太阳能电池TiO2光阳极主要由磷烯与TiO2浆料混合后涂覆于导电材料上经烧结制备得到，所述磷烯主要由黑磷粉末、溴素和有机溶剂混合后通过溴插层辅助液相超声剥离法制备得到。

【技术特征摘要】
1.一种磷烯修饰的染料敏化太阳能电池TiO2光阳极，其特征在于，所述磷烯修饰的染料敏化太阳能电池TiO2光阳极主要由磷烯与TiO2浆料混合后涂覆于导电材料上经烧结制备得到，所述磷烯主要由黑磷粉末、溴素和有机溶剂混合后通过溴插层辅助液相超声剥离法制备得到。2.根据权利要求1所述的磷烯修饰的染料敏化太阳能电池TiO2光阳极，其特征在于，所述黑磷粉末、溴素、有机溶剂的比例为0.1g∶1mL～10mL∶5mL～15mL；所述黑磷粉末为黑磷微米粉末，所述黑磷微米粉末的粒径＜100微米，所述磷烯的厚度为1nm～6nm；所述有机溶剂包括N-甲基-2-吡咯烷酮、N-乙基-2-吡咯烷酮和异丙醇中的一种或多种；所述磷烯与TiO2浆料的质量比为0.01～0.2∶1，所述烧结的过程如下：在惰性气氛下以1℃/min～2℃/min的升温速率升至430℃～480℃进行烧结；和/或，所述磷烯修饰的染料敏化太阳能电池TiO2光阳极的光电转换效率η=2.40%～5%，填充因子FF=0.50～0.82，短路电流JSC=4.36mA/cm2～9.0mA/cm2，开路电压VOC=0.72V～0.9V，在340nm的光照下最大的单色光转换效率IPCE值达到10%～25%。3.一种磷烯修饰的染料敏化太阳能电池TiO2光阳极的制备方法，包括以下步骤：（1）将黑磷粉末、溴素和有机溶剂混合，经溴插层辅助液相超声剥离法制备得到磷烯，所述黑磷粉末、溴素、有机溶剂的比例为0.1g∶1mL～10mL∶5mL～15mL；（2）将步骤（1）所得磷烯与TiO2浆料混合并搅拌，磷烯与TiO2浆料的质量比为0.01～0.2∶1，将所得混合浆料涂覆于导电材料的导电面上，然后在惰性气氛下升温至430℃～480℃进行烧结，烧结后冷却，得到磷烯修饰的染料敏化太阳能电池TiO2光阳极。4.根据权利要求3所述的磷烯修饰的染料敏化太阳能电池TiO2光阳极的制备方法，其特征在于，所述步骤（1）中，所述黑磷粉末为黑磷微米粉末，所述黑磷微米粉末的粒径＜100微米；所述有机溶剂包括N-甲基-2-吡咯烷酮、N-乙基-2-吡咯烷酮和异丙醇中的一种或多种；所述磷烯的厚度为1nm～6nm。5.根据权利要求3所述的磷烯修饰的染料敏化太阳能电池TiO2光阳极的制备方法，其特征在于，所述步骤（1）中，所述磷烯的制备过程如下：将黑磷粉末、溴素和有机溶剂混合并充分研磨，然后在避光和无...

【专利技术属性】
技术研发人员：王璟，宋嘉，林潇羽，楚增勇，王清华，
申请(专利权)人：中国人民解放军国防科学技术大学，
类型：发明
国别省市：湖南,43