本发明专利技术公开了一种染料敏化太阳能电池叠层光阳极膜的制备方法，致密膜可以采用磁控溅射法、溶胶凝胶旋转涂膜法制备，通过控制磁控溅射参数或ＴｉＯ↓［２］胶体的制备和旋转涂膜转速来控制致密膜的质量；小粒径纳米ＴｉＯ↓［２］（＜８ｎｍ）颗粒通过液相化学沉积法形成于多孔纳米ＴｉＯ↓［２］层膜表面，通过小粒径ＴｉＯ↓［２］表面的不饱和键来增强光阳极膜对染料的吸附。该方法制备的ＴｉＯ↓［２］光阳极应用于染料敏化太阳能电池时，电池具有较高的光电转换效率和器件寿命。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于染料敏化太阳能电池纳米晶膜研究领域，涉及一种叠层Ti02 膜的制备方法以及多孔Ti02膜层表面修饰的方法，制备的Ti02膜用作染料 敏化太阳能电池光阳极。
技术介绍
随着全球性能源危机和环境污染问题的加剧，如何利用清洁、无污染、 不受地理环境限制的太阳能资源已成世界范围内的研究热点。在各种新型太 阳能电池中，染料敏化太阳能电池以其具理论转化效率高、工艺简单、透明 度好、对温度和入射光角度依赖小、制备过程耗能少、成本低等众多优点， 而愈来愈受到广泛重视。目前染料敏化太阳能电池的光电转换效率最高可达11%，但与理论最高 转换效率仍有较大差距，这是由于染料敏化纳米晶太阳能电池内存在着大量 的电荷复合。例如，多孔光阳极膜中的染料和电解液直接与导电玻璃接触， 加剧了电解质和染料中电子的反向复合，从而降低了电池的短路电流和开路 电压，影响电池的光电转换效率；而多孔膜直接制备在导电衬底上，虽疏松 多孔却易脱落，降低了电池的使用寿命。国内外研究者尝试大量的物理化学 方法，如半导体复合敏化、梯度掺杂、过渡金属离子掺杂、贵金属沉积等方 法来对阳极进行改性，并取得了一定效果。在减小界面电荷复合的同时，如何提高界面电荷转移效率也是提高染料 敏化太阳能电池效率的有效方式。染料敏化过程中染料分子与Ti02纳米颗粒的表面之间存在着两种吸附状态， 一种是简单的物理吸附， 一种是通过化学 键而形成的化学吸附。电荷转移过程的超快实验及理论研究表明，简单物理 吸附态的电荷转移效率远小于化学键合吸附态的电荷转移效率。染料敏化纳米晶Ti02最有效的方式既染料分子上的羧基与Ti02纳米颗粒的表面钛原子 形成化学键。纳米材料形态物化研究表明，Ti02纳米晶颗粒越大其表面钛原子配位数越高，能与染料分子中的羧基形成有效化学键连接的钛原子个数越少，吸附形态中简单物理吸附所占的比例越大，当TiO2粒径〉50nm时，纳米 颗粒表面上的钛原子基本处于配位饱和状态。就提高染料分子在Ti02纳米颗 粒表面的化学键合吸附，纳米晶Ti02光阳极的后修饰相当重要。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种染料敏化太阳能电池叠层光阳极膜的制备方 法。通过叠层膜中的致密Ti02膜降低多孔Ti02/导电玻璃表面的电荷复合； 通过小粒径纳米Ti02颗粒修饰多孔膜表面，引入钛原子表面不饱和键，增强 染料与光阳极的化学键合，提高TiCV染料界面的电荷转移速率。将此方法制 备的1102光阳极应用于染料敏化太阳能电池时，电池具有较高的光电转换效 率和器件寿命。本专利技术技术方案是致密膜可以采用磁控溅射法、溶胶凝胶旋转涂膜法 制备，通过控制磁控溅射参数或Ti02胶体的制备和旋转涂膜转速来控制致密 膜的质量；小粒径纳米Ti02(〈8nm)颗粒通过液相化学沉积法形成于多孔纳米 1102层膜表面，通过小粒径Ti02表面的不饱和键来增强光阳极膜对染料的吸 附。包括叠层光阳极膜由致密二氧化钛层和多孔二氧化钛层叠加构成，致密二氧化钛层直接制备在光阳极衬底导电面上，多孔二氧化钛层制备在致密膜上，致密二氧化钛层采用磁控溅射法或溶胶凝胶法制备，膜厚10-100nm;多 孔二氧化钛层采用水热法合成纳米Ti02颗粒材料或购买的P25粉体配置成油 性浆料，通过涂覆法、丝网印刷法制备；通过液相化学沉积法，将小粒径〈8nm的纳米Ti02颗粒材料形成于多孔二 氧化钛层膜的表面，包括以下步骤-a. 0°C冰水浴下用纯水配置高浓度1.5-2.5mol/L的四氯化钛TiCU水溶液， 配置好后冷藏，每次用前取高浓度溶液稀释到0.05-0.2mol/L备用；b. 将叠层光阳极膜浸泡入稀释后的TiCl4溶液中，7(TC放置0.5-lh或室温放置2-4h后取出，用去离子水和乙醇多次冲洗，冲去表面多余的残液；c. 将步骤b冲洗干净的叠层光阳极膜放入电阻炉，空气氛围中45(TC-55(TC烧结15-30min，自然冷却后在即在原有的大颗粒纳米晶多孔二氧 化钛层表面就形成了小粒径纳米Ti02颗粒晶核。本专利技术制得的染料敏化太阳能电池采用通用的三明治结构，即导电衬 底湖米Ti02光阳极电极-染料-电解质/Pt电极/导电衬底。其中Pt电极是热解 氯铂酸制备的Pt黑电极，染料为0.3mmol/L的N719，氧化还原电解液配比 为0.05mol/LI2， 0.1mol/LLil， 0.4mol/LTBP， 0.3mol/LDMPII 。本专利技术的效果在于(1) 叠层结构中致密Ti02膜膜层薄、孔隙率小、有效表面积小，染料 和电极质难以进入TiOj莫层内部，相当于在FTO导电膜和多孔Ti02电极间 置入了阻挡层，在不影响透光率和电子正向传输的情况下，降低了电子的反 向复合。(2) 致密膜与导电衬底结合紧密，多孔膜涂覆在致密膜上的结构使得热处理过程中多孔Ti02与致密Ti02颗粒之间相结合，比大颗粒1102多孔膜直 接与纳米Sn02 (FTO主要成分)的契合更强，晶格也更好匹配，形成的叠层 纳米TK)2膜提高的光阳极的使用寿命。(3)提出了一种在多孔Ti02膜的后修饰方法。通过液相化学沉积法将 <8nm的小粒径纳米Ti02颗粒形成于多孔纳米1102层膜表面，通过小粒径 TiCb表面钛原子的不饱和键增强Ti02与染料间的化学键合强度，提高了电池 的光电转换效率。 附图说明图l (a)磁控溅射法制备的致密二氧化钛层的扫描电镜照片图l (b)为溶胶旋转涂膜法制备的致密二氧化钛层的扫描电镜照片图。图2对叠层光阳极膜修饰前后染料敏化太阳能电池的光电性能(I-V)图。图2 (a)原叠层光阳极膜染料敏化太阳能电池的光电性能(I-V)图2 (b)本专利技术叠层光阳极膜染料敏化太阳能电池的光电性能(I-V)下面结合附图对本专利技术的内容作进一步详细说明。 具体实施例方式备用通用条件I. 多孔层用二氧化钛浆料的配置将乙基纤维素(EC7)加入松油醇 中，乙基纤维素松油醇质量比l: 8， 8(TC混合搅拌2h，形成黏度约5.9cP 的有机载体。然后将P25Ti02粉体按l: 3的质量比加入上述有机载体中，用 玛瑙研钵研磨约lh，充分研磨均匀即形成所需的二氧化钛桨料。II. 光阳极后修饰中高浓度备用溶液0'C冰水浴下用纯水配置2mol/L的四氯化钛水溶液，配置好后放入冰箱冷藏备用。m.为检验本专利技术制备的薄膜性能，将其应用与染料敏化太阳能电池中测试光电性能，电池的制备及测试条件如下i 、 Pt电极是热解氯铂酸制备的Pt黑电极，染料为0.3mmol/L的N719， 氧化还原电解液配比为在乙腈溶剂中，0.05mol/LI2， 0.1mol/LLil， 0.4mol/L TBPoii、测试条件:Oriel的太阳光模拟器，模拟AM1.5，辐照光功率1000W/m2下，用Ke池ley数据源表测试电池的光电特性。 实施例1 -(1) 制备致密Ti02膜层按体积比1:4将钛酸四丁酯与无水乙醇搅拌均匀，搅拌过程中加入1体 积PH=1的稀硝酸水溶液，随后再缓慢滴入1体积纯水，继续搅拌60 min， 静置陈化成Ti02溶胶。将配置的Ti02溶胶在2000 r/min的转速下旋涂在FTO 导电玻璃衬底上，80"C干燥后放入马弗炉中以4-5°C/min的升温速率至450°C 烧结30本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种染料敏化太阳能电池叠层光阳极膜的制备方法，包括叠层光阳极膜由致密二氧化钛层和多孔二氧化钛层叠加构成，致密二氧化钛层直接制备在光阳极衬底导电面上，多孔二氧化钛层制备在致密膜上，致密二氧化钛层采用磁控溅射法或溶胶凝胶法制备，膜厚１０－１００ｎｍ；多孔二氧化钛层采用水热法合成纳米ＴｉＯ↓［２］颗粒材料或购买的Ｐ２５粉体配置成油性浆料，通过涂覆法、丝网印刷法制备；其特征在于， 通过液相化学沉积法，将小粒径＜８ｎｍ的纳米ＴｉＯ↓［２］颗粒材料形成于多孔二氧化钛层膜的表面，包括 以下步骤： ａ．０℃冰水浴下用纯水配置高浓度１．５－２．５ｍｏｌ／Ｌ的四氯化钛ＴｉＣｌ↓［４］水溶液，配置好后冷藏，每次用前取高浓度溶液稀释到０．０５－０．２ｍｏｌ／Ｌ备用； ｂ．将叠层光阳极膜浸泡入稀释后的ＴｉＣｌ↓［４］溶液 中，７０℃放置０．５－１ｈ或室温放置２－４ｈ后取出，用去离子水和乙醇多次冲洗，冲去表面多余的残液； ｃ．将步骤ｂ冲洗干净的叠层光阳极膜放入电阻炉，空气氛围中４５０℃－５５０℃烧结１５－３０ｍｉｎ，自然冷却后在即在原有的大颗粒纳米晶多孔 二氧化钛层表面就形成了小粒径纳米ＴｉＯ↓［２］颗粒晶核。...
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：李少彦，
申请(专利权)人：彩虹集团公司，
类型：发明
国别省市：61[中国|陕西]
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