一种大面积染料敏化太阳能电池‑光电极串联结构光电催化装置制造方法及图纸

一种大面积染料敏化太阳能电池‑光电极串联结构光电催化装置，属于太阳能电池技术领域和光电催化技术领域。装置结构主要包括半导体薄膜光电极，对电极，大面积染料敏化太阳能电池，光电反应池，蓄电池，磁力搅拌系统。采用经乙酸处理并包覆TiO2超薄层的大面积氧化锌基染料敏化太阳能电池提供偏压，将光电极上光生电子驱动至外电路，促进电子空穴分离，增强光电催化性能，快速降解水体中有机污染物。装置和方法简单易操作，性能优异、稳定，可控性强。整个体系以太阳能作为唯一能量来源，充分利用太阳能，节能环保。

【技术实现步骤摘要】
一种大面积染料敏化太阳能电池-光电极串联结构光电催化装置
本专利技术属于太阳能电池
和光电催化
，具体涉及一种大面积染料敏化太阳能电池-光电极串联结构光电催化装置和应用。
技术介绍
目前，随着工业的发展，伴随而来的环境问题也日益凸显，水污染、大气污染、固体废弃物污染等现象层出不穷，如何处理当今面临的环境污染问题越发引起了人们的注意。基于半导体的光催化技术因其能耗低，工艺简单，反应条件温和等突出优点，在环境保护中日益受到人们的重视。光电催化，即电辅助光催化技术，将光催化剂制成电极形式，可借助外加偏压抑制光生空穴-电子对的复合而提高光催化效率及量子效率。与传统的基于粉体的光催化相比，这种电辅助的光催化水处理技术克服了催化剂难回收以及光生载流子易复合的缺点，显著地增加了水处理效率。具体而言，该技术是把光催化剂负载在导电基底上，同时在光电极和对电极之间施加一定的偏压，将光生电子驱赶至外电路，以阻止电子-空穴对(光生载流子)的复合。光电催化技术特点之一在于能直接利用太阳能。然而，以太阳能作为唯一的能量来源，才能实现真正意义上的节能环保。而传统光电催化技术运行过程中所施加的外加偏压所需要的电能通常并不是直接来源于太阳能，如何利用太阳能来直接提供此偏压所需的电能，实现完全由太阳能来驱动的光电催化，是一条新的研究思路，对于实际应用与节能环保具有重要的作用。通过光电极与太阳能电池组成串联结构，以太阳能电池所提供的电能来提供光电催化所需的外加偏压，实现完全由太阳能驱动的光电催化，是一种可行的方案。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种大面积染料敏化太阳能电池-光电极串联结构光电催化装置，应用于有机污染物的降解或生物质转化。装置完全利用太阳能驱动，无需外加电源，清洁环保。本专利技术提供的大面积染料敏化太阳能电池-光电极串联结构光电催化装置，结构主要包括：光电极、对电极、染料敏化太阳能电池、光电反应池、蓄电池、磁力搅拌系统。染料敏化太阳能电池正极通过开关连接光电极，染料敏化太阳能电池负极连接对电极，光电极与对电极同时浸没于光电反应池的电解液中构成回路；光电反应池的电解液中具有磁力搅拌系统，光电反应池采用透光材料；染料敏化太阳能电池通过开关还与蓄电池连接形成回路；蓄电池、染料敏化太阳能电池与广电反应池的光电极相互连接，通过开关控制，太阳能电池直接为反应体系供电，过剩的电量可由蓄电池储存，太阳能供电不足时可由蓄电池为反应体系辅助供电，整个过程无需外加电源。染料敏化太阳能电池为经乙酸处理并表面包覆TiO2超薄层的氧化锌基大面积染料敏化太阳能电池(ZnO-DSC)，其结构包括太阳能电池对电极、太阳能电池电解质、Surlyn膜和光阳极；光阳极层为经乙酸处理并表面包覆TiO2超薄层的氧化锌半导体膜，光阳极层上表面具有被导电银栅隔开的凸起的经乙酸处理并表面包覆TiO2超薄层的氧化锌半导体膜格栅，每格导电银栅对应一个凸起的经乙酸处理并表面包覆TiO2超薄层的氧化锌半导体膜格栅，并且两者之间形成环状空隙，用于填充太阳能电池电解质，导电银栅上面为Surlyn膜，Surlyn膜与导电银栅位置相同且对应，Surlyn膜上面为太阳能电池对电极层，太阳能电池对电极层上设有毛细孔用于注入太阳能电池电解质，太阳能电池对电极层接触Surlyn膜一面有导电银栅，位置相同且对应。单块电池单元面积为100cm2，通过导线串或/和并连形成太阳能电池列阵。其中，所述的ZnO-DSC光阳极制备方法，其中包光阳极层对应的导电银栅，包括如下步骤：(1)制备乙酸修饰的ZnO纳晶聚集体浆料，以100mL：1～3g的比例均匀混合一缩二乙二醇(DEG)和二水合醋酸锌，冷凝回流条件下100～200℃搅拌5～10h；自然冷却后离心去除上层清液，使用无水乙醇洗涤三遍，在真空干燥箱中烘干，得ZnO纳晶聚集体；取ZnO纳晶聚集体、乙基纤维素和松油醇，三种物质的用量之比为1g：0.1～2g：1～2mL，无水乙醇作溶剂并加入一定量无水乙酸，乙酸、乙醇与ZnO纳晶聚集体的用量关系为0.5～3mL:10～30mL:1g，强力超声使其完全溶解，旋转蒸发除去无水乙醇即得乙酸修饰的ZnO纳晶聚集体浆料；(2)制备乙酸修饰的ZnO半导体膜：在清洗干净的导电玻璃上印刷导电银栅，马弗炉中高温固化，升温程序为：130-160℃煅烧10-30min，350-400℃煅烧10-1hmin，500-600℃煅烧10-40min，升温速度均为1～5℃/min，自然冷却；用丝网印刷机将步骤(1)乙酸修饰的ZnO纳晶聚集体浆料印刷至导电玻璃；在真空干燥箱中干燥后直接放入马弗炉中煅烧，煅烧程序为：升温至300-400℃，并恒温煅烧0.5-1h，然后升温至420-500℃后自然降温，两段升温过程的升温速度分别为1～3℃/min和4～6℃/min。(3)包覆TiO2超薄层：将步骤(2)煅烧后的乙酸修饰的ZnO半导体膜浸泡在浓度为20～60mM的异丙醇钛的异丙醇溶液中，浸泡时间0.5～3h，晾干后马弗炉中350～450℃煅烧20～50min；(4)浸泡染料：将步骤(3)煅烧后的ZnO半导体膜在50～80℃的条件下在D205有机吲哚染料中浸泡30～90min，D205染料溶液溶剂是体积比为1:1的乙腈和叔丁醇，其中添加了0.5～1.5mmol/L的鹅去氧胆酸。取出后使用乙腈冲洗掉表面的多余染料，自然晾干。本专利技术所提供的光电极为复合TiO2或掺杂TiO2的薄膜电极，优选石墨烯/TiO2复合薄膜电极、碘掺杂TiO2薄膜电极和碳掺杂TiO2薄膜电极等。本专利技术所提供的对电极包括石墨电极、铂电极、泡沫镍电极。光电反应池的电解液为包括硫酸钠、硝酸钠等水溶液，其中还可包括待光电催化降解的有机污染物。本专利技术提供的大面积染料敏化太阳能电池-光电极串联结构光电催化装置，在光驱动下能有效降解有机污染物或转化生物质；光源可为太阳光、模拟太阳光、可见光。有机污染物包括染料、酚类、醛类、抗生素等，生物质转化包括把5-羟甲基糠醛转化为2,5-二甲酰基呋喃。与现有技术相比较，本专利技术具有以下优点：1)本专利技术所提供的方法简单易操作，性能优异，可控性强。2)本专利技术所提供的方法采用了大面积染料敏化太阳能电池提供外加偏压进行光电催化，以太阳能作为唯一能量来源，充分利用太阳能，节能环保。3)本专利技术所提供的大面积染料敏化太阳能电池性能稳定、成本低、环境友好，采用电池单元拼组列阵方式，可以按需要缩放规模，能满足实际应用要求；4)本专利技术所提供的半导体薄膜光电极具有高效的光电催化性能，并且材料稳定、环保。5)采用经乙酸处理并包覆TiO2超薄层的氧化锌基大面积染料敏化太阳能电池提供偏压，将光电极上光生电子驱动至外电路，促进电子空穴分离，增强光电催化性能，快速降解水体中有机污染物。装置和方法简单易操作，性能优异、稳定，可控性强。附图说明图1、实施例中大面积染料敏化太阳能电池-光电极串联结构光电催化装置结构示意图(a)。图2、实施例中大面积染料敏化太阳能电池光阳极半导体薄膜扫描电镜图。图3、实施例中大面积染料敏化太阳能电池结构示意图(a)和实物图(b)。图4、实施例中大面积染料敏化太阳能电池I-V性能图。图5、实施例1中对罗丹明B的降解曲线。图6、实施例1中对酸性橙II的降解本文档来自技高网...

【技术保护点】
大面积染料敏化太阳能电池‑光电极串联结构光电催化装置，其特征在于，结构主要包括：光电极、对电极、染料敏化太阳能电池、光电反应池、蓄电池、磁力搅拌系统；染料敏化太阳能电池正极通过开关连接光电极，染料敏化太阳能电池负极连接对电极，光电极与对电极同时浸没于光电反应池的电解液中构成回路；光电反应池的电解液中具有磁力搅拌系统，光电反应池采用透光材料；染料敏化太阳能电池通过开关还与蓄电池连接形成回路；蓄电池、染料敏化太阳能电池与光电反应池的光电极相互连接，通过开关控制，太阳能电池直接为光电反应池的反应体系供电，过剩的电量由蓄电池储存，太阳能供电不足时可由蓄电池为反应体系辅助供电，整个过程无需外加电源。

【技术特征摘要】
1.大面积染料敏化太阳能电池-光电极串联结构光电催化装置，其特征在于，结构主要包括：光电极、对电极、染料敏化太阳能电池、光电反应池、蓄电池、磁力搅拌系统；染料敏化太阳能电池正极通过开关连接光电极，染料敏化太阳能电池负极连接对电极，光电极与对电极同时浸没于光电反应池的电解液中构成回路；光电反应池的电解液中具有磁力搅拌系统，光电反应池采用透光材料；染料敏化太阳能电池通过开关还与蓄电池连接形成回路；蓄电池、染料敏化太阳能电池与光电反应池的光电极相互连接，通过开关控制，太阳能电池直接为光电反应池的反应体系供电，过剩的电量由蓄电池储存，太阳能供电不足时可由蓄电池为反应体系辅助供电，整个过程无需外加电源。2.按照权利要求1所述的大面积染料敏化太阳能电池-光电极串联结构光电催化装置，其特征在于，染料敏化太阳能电池为经乙酸处理并表面包覆TiO2超薄层的氧化锌基大面积染料敏化太阳能电池(ZnO-DSC)，其结构包括太阳能电池对电极、太阳能电池电解质、Surlyn膜和光阳极；光阳极层为经乙酸处理并表面包覆TiO2超薄层的氧化锌半导体膜，光阳极层上表面具有被导电银栅隔开的凸起的经乙酸处理并表面包覆TiO2超薄层的氧化锌半导体膜格栅，每格导电银栅对应一个凸起的经乙酸处理并表面包覆TiO2超薄层的氧化锌半导体膜格栅，并且两者之间形成环状空隙，用于填充太阳能电池电解质，导电银栅上面为Surlyn膜，Surlyn膜与导电银栅位置相同且对应，Surlyn膜上面为太阳能电池对电极层，太阳能电池对电极层上设有毛细孔用于注入太阳能电池电解质，太阳能电池对电极层接触Surlyn膜一面有导电银栅，位置相同且对应。3.按照权利要求2所述的大面积染料敏化太阳能电池-光电极串联结构光电催化装置，其特征在于，单块电池单元面积为100cm2，通过导线串或/和并连形成太阳能电池列阵。4.按照权利要求2所述的大面积染料敏化太阳能电池-光电极串联结构光电催化装置，其特征在于，光阳极制备方法，其中包括光阳极层对应的导电银栅，包括如下步骤：(1)制备乙酸修饰的ZnO纳晶聚集体浆料，以100mL：1～3g的比例均匀混合一缩二乙二醇(DEG)和二水合醋酸锌，冷凝回流条件下100～200℃,搅拌5～10h；自然冷却后离心去除上层清液，使用无水乙醇洗涤三遍，在真空干燥箱中烘干，得ZnO纳晶聚集体；取ZnO纳晶聚集体、乙基纤维素和松油醇，三种物质的用量之比为1g：0.1～2g：1～2mL，无水乙醇作溶剂并加入一定量无水乙酸，乙酸、乙醇与ZnO纳晶聚集体的用量关系为0.5～3mL:10～30mL:1g，强力超声使其完全溶解，旋转蒸发除去无水乙醇即得乙酸修饰的ZnO纳晶聚集体浆料；(2)制备乙酸修饰的ZnO半导体膜：在清洗干净的导电玻璃上印刷导电银栅，马弗炉中高温固化，升温程序为：130-160℃煅烧10-30min，350-400℃煅烧10-1hmin，500-600℃煅烧10-40min，升温速度均为1～5℃/min，自然冷却；用丝网印刷机将步骤(1)乙酸修饰的ZnO纳晶聚集体浆料印刷至导电玻璃；在真空干燥箱中干燥后直接放入马弗炉中煅烧，煅烧程序为：升温至300-400℃，并恒温煅烧0.5-1h，然后升温至420-500℃后自然降温，两段升温过程的升温速度分别为1～3℃/min和4～6℃/min；(3)包覆TiO2...

【专利技术属性】
技术研发人员：陶霞，方华斌，张小红，郑言贞，
申请(专利权)人：北京化工大学，
类型：发明
国别省市：北京,11