以超细粘土构成染料敏化太阳能电池散射层材料的制备方法技术

本发明专利技术公开了一种以粘土矿物构成染料敏化太阳能电池散射层材料的制备方法。将醋酸钾和超细粘土混合，加入去离子水研磨等过程得到改性粘土粉末；将改性粘土粉末与钛酸四丁酯、乙酰丙酮、一元有机酸、乙二醇、氯化钠、乙醇混合均匀搅拌后进行水热反应，得到介孔散射层材料粉末；将的粉末，分别与松油醇、乙基纤维素、月桂酸、乙醇、乙二醇、乙酸乙酯和锆珠混合置于玛瑙罐中球磨，后将所得稀浆料抽滤、旋蒸分离锆珠和乙醇后得到浓浆料作为散射层材料。本发明专利技术将制得的颗粒应用于染料敏化太阳能电池光阳极散射层中，可有效实现对入射光的散射，可以吸附更多染料从而提升电池的短路电流密度开路电压及填充因子，最终提升光电转化效率。

Preparation of scattering layer materials for dye-sensitized solar cells using ultrafine clay

The invention discloses a preparation method of a dye-sensitized solar cell scattering layer material composed of clay minerals. Modified clay powder was obtained by mixing potassium acetate and ultrafine clay, adding deionized water to grind, mixing the modified clay powder with tetrabutyl titanate, acetylacetone, monobasic organic acid, ethylene glycol, sodium chloride and ethanol, and then hydrothermal reaction was carried out to obtain mesoporous scattering layer material powder. Terpineol, ethyl cellulose, lauric acid, ethanol, ethylene glycol, ethyl acetate and zirconium beads were mixed and milled in an agate tank, then the slurry was filtered, separated from zirconium beads and ethanol by rotary evaporation. The particle is applied to the light anode scattering layer of the dye-sensitized solar cell, which can effectively scatter the incident light, adsorb more dyes, thereby enhancing the short-circuit current density, open-circuit voltage and filling factor of the cell, and ultimately improving the photoelectric conversion efficiency.

【技术实现步骤摘要】
以超细粘土构成染料敏化太阳能电池散射层材料的制备方法
本专利技术涉及一种以超细粘土构成的半导体薄膜制备光阳极散射层材料的方法，属于染料敏化太阳能电池领域。
技术介绍
随着化石燃料储量日益减少，环保问题逐渐严重，如何将清洁、无限的太阳能资源为人类所用成为了新的研究热点。染料敏化太阳能电池凭借其环境友好性、低成本、生产工艺简单等特点，在新能源研究领域占据了重要的地位。染料敏化太阳能电池由导电玻璃(FTO)、光阳极半导体薄膜、有机染料、电解质溶液以及对电极共五部分组成。光阳极作为染料敏化太阳能电池的重要组成部分，又可以分为三部分：致密层、传输层和散射层。其中。致密层通常由一层纳米级二氧化钛构成，主要用于加强光阳极同FTO间电子传输；传输层是光阳极的核心部分，用于接受染料中被激发的电子并将其传输至FTO；散射层则是由微米级或亚微米级改性半导体颗粒构成，用于将经过光阳极但未能被利用的太阳光进行散射，使之被重新利用，以提升染料敏化太阳能电池光电转化效率。传统的散射层合成工艺较为复杂，需要在纳米二氧化钛外层包覆多层宽禁带半导体材料，常需经历多次水热反应，所耗时间较长且采用的试剂较为昂贵，不宜大规模工业化生产。本专利技术将改性粘土经一次水热反应制备成散射层颗粒材料，缩短了制备所需时间，且超细粘土价格低廉，有效降低了成本，为大规模工业化生产提供了保障。
技术实现思路
本专利技术目的在于提供一种以超细粘土构成染料敏化太阳能电池散射层的制备方法，制备工艺相对简单，制备所得散射层材料性能稳定，可以有效提高光利用效率，光电化学测试效果优良。本专利技术通过以下技术方案得以实现：一种以超细粘土构成染料敏化太阳能电池散射层材料的制备方法，其特征在于包括以步骤：1)将醋酸钾和超细粘土混合，加入去离子水研磨搅拌直至变硬，后将变硬的混合物暴露于潮湿空气中静置，使其吸水软化成浆，再将其用去离子水、乙醇交替清洗，在烘箱中干燥；将干燥所得粉末在300-500℃下煅烧得到改性粘土粉末；2)将改性粘土粉末与钛酸四丁酯、乙酰丙酮、一元有机酸、乙二醇、氯化钠、乙醇以质量比为1:(4-8):(1-3):(2-6):(1-3):(0.25-0.75):(20-40)混合均匀搅拌后，于120-200℃下进行水热反应，后自然冷却至室温；将得到的产物除去上层清液，以去离子水和乙醇交替离心洗涤若干次后在烘箱中干燥，将干燥产物置于马弗炉中升温至300-500℃煅烧得到介孔散射层材料粉末；3)将步骤2)中所得到的粉末，分别与松油醇、乙基纤维素、月桂酸、乙醇、乙二醇、乙酸乙酯和锆珠分别以质量比为1:(3-5):(0.2-1):(0.5-3):(20-40):(0.1-0.5):(1-3):(30-80)的比例混合置于玛瑙罐中球磨，后将所得稀浆料抽滤、旋蒸分离锆珠和乙醇后得到浓浆料作为散射层材料。优选步骤1)中醋酸钾和超细粘土以质量比1：(1-3)。优选步骤1)潮湿空气中湿度为65％-85％；静置20-28h。优选步骤1)在60-80℃烘箱中干燥6-10h。优选步骤1)干燥所得粉末在300-500℃下煅烧3-5h。优选步骤2)于30-50℃搅拌。优选步骤2)水热反应10-16h。优选步骤2)去离子水和乙醇交替离心洗涤若干次后在80-120℃烘箱中干燥。优选步骤2)以10-20℃/min的速度升温至300-500℃煅烧4-6h，得到介孔散射层材料粉末。优选步骤3)玛瑙罐中球磨4h。利用上述步骤制备的浆料作为散射层制备成测试用器件：将导电玻璃FTO分别用去离子水和无水乙醇各超声1h，切割成为1.5cm×2.0cm矩形方块，后在导电面用刮涂法先刮一层面积为0.159cm2的商用二氧化钛浆料制备的传输层，后置于70℃下烘干，再在刚才的传输层上刮涂一层制备的散射层浆料并烘干，后在马弗炉中450℃煅烧，得到具有散射层的半导体光阳极薄膜。本专利技术有如下几个优点：利用成本低廉、无毒无害的粘土，进行简单剥片插层处理后，可制备具有介孔结构的亚微米级颗粒，尺寸在300-700nm之间。将制得的颗粒应用于染料敏化太阳能电池光阳极散射层中，可有效实现对入射光的散射，相较于购买的商用散射层，本专利技术制备的散射层同时其介孔结构可以吸附更多染料从而提升电池的短路电流密度开路电压及填充因子，最终提升光电转化效率。附图说明图1为本专利技术实施例所制得粘土散射层颗粒形貌电镜图。图2为图1的放大图。具体实施方式实施例1:将醋酸钾3g与购买的超细粘土3g混合，加入去离子水研磨直至变硬，将变硬的混合物于湿度为65％的潮湿空气中静置20h使其吸水软化成浆，再将其用去离子水、乙醇交替清洗，在60℃烘箱中干燥6h；将干燥所得得粉末在300℃马弗炉中煅烧3h，即得到改性粘土粉末。取1g改性粘土粉末置于烧杯中，并分别加入4g钛酸四丁酯、1g乙酰丙酮、2g甲酸、1g乙二醇、0.25g氯化钠和20g无水乙醇混合，于30℃充分搅拌；于120℃水热反应10h,后自然冷却至室温。将所得到的产物除去上清液，以去离子水和乙醇交替离心洗涤若干次后在80℃烘箱中干燥，将干燥产物置于马弗炉中以10℃/min升温至300℃煅烧4h,冷却后得到介孔散射层材料粉末。取1g介孔散射层材料粉末，与3g松油醇、0.2g乙基纤维素、0.5g月桂酸、20g无水乙醇、0.1g乙二醇、1g乙酸乙酯和30g玛瑙锆珠混合置于玛瑙罐中球磨4h，得到稀浆料，后稀浆料再经过抽滤、旋蒸除去锆珠与乙醇，即得到散射层浓浆料。将导电玻璃FTO分别用去离子水和无水乙醇各超声1h，切割成为1.5cm×2.0cm矩形方块，后在导电面用刮涂法先刮一层面积为0.159cm2的商用二氧化钛浆料制备的传输层，后置于70℃下烘干，再在刚才的传输层上刮涂一层制备的散射层浆料并烘干，后在马弗炉中450℃煅烧，得到具有散射层的半导体光阳极薄膜。实施例2:将醋酸钾3g与购买的超细粘土6g混合，加入去离子水研磨直至变硬，将变硬的混合物于湿度为75％的潮湿空气中静置24h使其吸水软化成浆，再将其用去离子水、乙醇交替清洗，在70℃烘箱中干燥8h；将干燥所得得粉末在400℃马弗炉中煅烧4h，即得到改性粘土粉末。取1g改性粘土粉末置于烧杯中，并分别加入6g钛酸四丁酯、2g乙酰丙酮、4g乙酸、2g乙二醇、0.5g氯化钠和30g无水乙醇混合，于40℃充分搅拌；于160℃水热反应13h,后自然冷却至室温。将所得到的产物除去上清液，以去离子水和乙醇交替离心洗涤若干次后在100℃烘箱中干燥，将干燥产物置于马弗炉中以15℃/min升温至400℃煅烧5h,冷却后得到介孔散射层材料粉末。取1g介孔散射层材料粉末，与4g松油醇、0.6g乙基纤维素、1.5g月桂酸、30g无水乙醇、0.3g乙二醇、2g乙酸乙酯和50g玛瑙锆珠混合置于玛瑙罐中球磨4h，得到稀浆料，后稀浆料再经过抽滤、旋蒸除去锆珠与乙醇，即得到散射层浓浆料。将导电玻璃FTO分别用去离子水和无水乙醇各超声1h，切割成为1.5cm×2.0cm矩形方块，后在导电面用刮涂法先刮一层面积为0.159cm2的商用二氧化钛浆料制备的传输层，后置于70℃下烘干，再在刚才的传输层上刮涂一层制备的散射层浆料并烘干，后在马弗炉中450℃煅烧，得到具有散射层的半导体光阳极薄膜。实施例3:将醋酸钾3g与购买的超本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种以超细粘土构成染料敏化太阳能电池散射层材料的制备方法，其特征在于包括以步骤：1)将醋酸钾和超细粘土混合，加入去离子水研磨搅拌直至变硬，后将变硬的混合物暴露于潮湿空气中静置，使其吸水软化成浆，再将其用去离子水、乙醇交替清洗，在烘箱中干燥；将干燥所得粉末在300‑500℃下煅烧得到改性粘土粉末；2)将改性粘土粉末与钛酸四丁酯、乙酰丙酮、一元有机酸、乙二醇、氯化钠、乙醇以质量比为1:(4‑8):(1‑3):(2‑6):(1‑3):(0.25‑0.75):(20‑40)混合均匀搅拌后，于120‑200℃下进行水热反应，后自然冷却至室温；将得到的产物除去上层清液，以去离子水和乙醇交替离心洗涤若干次后在烘箱中干燥，将干燥产物置于马弗炉中升温至300‑500℃煅烧得到介孔散射层材料粉末；3)将步骤2)中所得到的粉末，分别与松油醇、乙基纤维素、月桂酸、乙醇、乙二醇、乙酸乙酯和锆珠分别以质量比为1:(3‑5):(0.2‑1):(0.5‑3):(20‑40):(0.1‑0.5):(1‑3):(30‑80)的比例混合置于玛瑙罐中球磨，后将所得稀浆料抽滤、旋蒸分离锆珠和乙醇后得到浓浆料作为散射层材料。

【技术特征摘要】
1.一种以超细粘土构成染料敏化太阳能电池散射层材料的制备方法，其特征在于包括以步骤：1)将醋酸钾和超细粘土混合，加入去离子水研磨搅拌直至变硬，后将变硬的混合物暴露于潮湿空气中静置，使其吸水软化成浆，再将其用去离子水、乙醇交替清洗，在烘箱中干燥；将干燥所得粉末在300-500℃下煅烧得到改性粘土粉末；2)将改性粘土粉末与钛酸四丁酯、乙酰丙酮、一元有机酸、乙二醇、氯化钠、乙醇以质量比为1:(4-8):(1-3):(2-6):(1-3):(0.25-0.75):(20-40)混合均匀搅拌后，于120-200℃下进行水热反应，后自然冷却至室温；将得到的产物除去上层清液，以去离子水和乙醇交替离心洗涤若干次后在烘箱中干燥，将干燥产物置于马弗炉中升温至300-500℃煅烧得到介孔散射层材料粉末；3)将步骤2)中所得到的粉末，分别与松油醇、乙基纤维素、月桂酸、乙醇、乙二醇、乙酸乙酯和锆珠分别以质量比为1:(3-5):(0.2-1):(0.5-3):(20-40):(0.1-0.5):(1-3)...

【专利技术属性】
技术研发人员：孟舒献，邢广宇，冯亚青，张宝，徐加良，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：天津,12