染料敏化太阳能电池光阳极表面的处理方法技术

本发明专利技术提供一种处理染料敏化太阳能电池的二氧化钛光阳极薄膜表面的方法。该方法包括将染料敏化太阳能电池的二氧化钛光阳极薄膜表面在液体中浸透，所述液体选自纯水、稀酸和双氧水中的一种或几种以及其与有机溶剂的混合液；所述稀酸为浓度小于１Ｍ的盐酸、硝酸、醋酸、硫酸和／或草酸；所述有机溶剂选自甲醇、乙醇、乙二醇、丙三醇，及其混合物；优选地，所述液体为浓度小于１Ｍ的盐酸；使用强氧化性气体处理染料敏化太阳能电池的二氧化钛光阳极薄膜表面，所述氧化性气体选自氧气、臭氧以及氯气中的一种或几种，优选为臭氧。利用该方法处理过的染料敏化太阳能电池光阳极的电子复合过程被有效抑制，光电转化效率明显提高，且其实施过程简单、经济、环保、适合大规模使用。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及染料敏化太阳能电池制造领域，尤其涉及一种染料敏化太阳能电池的 光阳极表面的处理方法。
技术介绍
人类进入二十一世纪以来，面临的能源问题日趋严峻，世界范围内都在积极努力 地寻求解决办法，可再生能源因此也受到了各国政府的重视，其中太阳能更是以取之不尽、 用之不竭的优点备受关注，因而太阳能电池也成为了新能源研究领域内的热点。染料敏化 太阳能电池(DSC)作为近年来伴随纳米科技发展起来的一种新型太阳能电池，以其优良的 性能和经济、便捷的制备方法引发了全球范围内的研究热潮。染料敏化太阳能电池主要由 打02光阳极，氧化还原电解液和对电极三部分组成，而光阳极作为其中重要的组成部分， 发挥了吸附染料输运电子的重要作用。自从1991年瑞士联邦工学院的Gratzel教授将多 孔结构引入光阳极后，大大地提高了染料吸附量以及电解液的电荷交换面积，电池效率在 AMI. 5的照射强度下达到7. 1%，随后又逐步提升到11%以上，带来了实用化的前景。根据DSC的工作原理，电子从激发态的染料分子注入Ti02的导带中，然后经过在 薄膜中的随机行走传递过程到达透明电极，再经由外电路输运到对电极之后将电解液中的 i3_还原为r，最终由r将激发态染料还原为基态，构成一个闭合回路。在这一系列电荷传 输的过程中，制约电池效率提高的最主要的步骤是发生在Ti02/染料/电解液界面处的电 子注入和传输过程。电子在打02多孔膜中传递时与电解液的复合造成了电子的大量损失。 目前这种复合公认的微观起源是广泛存在于Ti02纳晶颗粒(粒径20-40nm)表面的氧缺 陷造成表面Ti原子的配位不足，从而形成了电子的复合中心。同时，由于目前大规模生产 的P25粉末(为金红石和锐钛矿混合的纳米粉末(质量比20% 80%))中的纳晶颗粒不 可避免地存在表面氧缺陷，因此，针对性地对Ti02光阳极进行表面改性和修饰，减少颗粒 表面的氧缺陷，抑制电子的表面复合将成为进一步提升电池效率的关键途径。现有的光阳极表面处理方法主要可以分为三类(1)用非Ti的金属化合物层包覆 在Ti02表面，形成阻挡层来抑制复合； (2)通过采用低 浓度的Ti盐或Ti醇盐(目前主要使用四氯化钛)水溶液处理打02薄膜，使溶液中的钛离 子在纳晶颗粒的缺陷态处水解后修复一部分缺陷，减少电子复合，提高光电流。 (3)采用紫外光照射的方法提高效率。然而，上述第一种方法中，新的金属化合物层由于晶格系数失 配，能级差异等原因，本身也会引起新的缺陷态，故对电池效率提升的作用很有限；至于第 二种方法，虽然可以取得较好的效果，但是因为水解过程的复杂性和二氧化钛光阳极内部 巨大的比表面积上分布众多的缺陷位，使得这一方法优化后的薄膜并未达到最优状态，存 在进一步提升的空间。而且操作过程比较复杂，配制的盐溶液必须在高于室温(60-90°C) 的条件下进行水解，以达到表面修复的效果，而且在水解过后还需要增加高温烧结的步骤， 消耗了大量的能量，增加了电池的制造成本、能源消耗以及制造周期。另外，水解后的溶液4如作为废水排入环境，会在一定程度上造成污染。第三种方法中，紫外光的主要作用是依靠 短波的光辐射使光阳极制备过程中残留的有机物分解从而达到去除残留物的目的，此方法 本质上仅仅属于一种纯化的处理手段，应用范围有限。针对以上现存方法的缺陷，本专利技术提出了一种简单高效，同时又具有普适性的修 复表面氧缺陷的染料敏化太阳电池的表面处理方法，可以有效地抑制电子复合，提高短路 光电流和电池效率。
技术实现思路
本文中所使用的术语，除非另外指出，是根据其常规含义来理解。本文所述使用的“P25”是指一种目前市场上公开交易的Ti02纳米粉末，其成分 为金红石和锐钛矿(质量比20% 80% )两种晶型的Ti02的混合纳米粉末，平均粒径为 21nm。本专利技术的目的在于提供一种新的处理染料敏化太阳能电池的二氧化钛光阳极薄 膜表面的方法，以实现优化染料敏化太阳能电池的光阳极性能。本专利技术提供了一种处理染料敏化太阳能电池的二氧化钛光阳极薄膜表面的方法， 所述方法包括1)将染料敏化太阳能电池的二氧化钛光阳极薄膜表面在液体中浸透，所述液体选 自纯水、稀酸和双氧水中的一种或几种以及其与有机溶剂的混合液；所述稀酸为浓度小于 1M的盐酸、硝酸、醋酸、硫酸和/或草酸；所述有机溶剂选自甲醇、乙醇、乙二醇、丙三醇，及 其混合物；优选地，所述液体为浓度小于1M的盐酸；2)使用氧化性气体处理染料敏化太阳能电池的二氧化钛光阳极薄膜表面，所述氧 化性气体选自氧气、臭氧以及氯气中的一种或几种，优选为臭氧；同时，所述方法不使用紫外线处理染料敏化太阳能电池的二氧化钛光阳极薄膜表优选地，所述臭氧的浓度大于0. 01mg/m3,优选为0. 01 200mg/m3 ；并且所述臭氧 的制备方法选自以下方法中的一种或几种以臭氧发生器通过高压放电氧化空气或氧气的 方法、紫外灯法、电解法以及核辐射法。优选地，所述方法还包括使用气体干燥浸透的二氧化钛光阳极薄膜表面，所述气 体选自空气、氮气及其混合气体。优选地，所述方法是在室温下进行的。优选地，所述方法所用的时间为5-60分钟。优选地，所述二氧化钛光阳极薄膜的厚度为0. 1-20 u m。优选地，所述二氧化钛光阳极薄膜的制备方法选自以下的一种或几种a.以钛盐、钛醇盐为前驱体合成的纳米粉末或金红石和锐钛矿的混合纳米粉末为 原料制备浆料，并将其涂膜后制成二氧化钛光阳极薄膜，其中所述钛盐为四氯化钛和/或 硫酸钛，所述钛醇盐为钛酸四丁酯和/或钛酸四异丙酯；b.采用电化学阳极氧化法、水热法或模板法制备的二氧化钛纳米结构组成的二氧 化钛光阳极薄膜，所述的二氧化钛纳米结构选自纳米管、纳米棒、纳米管阵列和纳米棒阵列 中的一种；5c.以方法a中所述的钛盐、钛醇盐或金红石和锐钛矿的混合纳米粉末为原料制备 的浆料与方法b中所述的二氧化钛纳米结构混合后制得的二氧化钛光阳极薄膜；和d.利用溶液处理用上述方法制备的二氧化钛光阳极薄膜，再经烧制形成的二氧化 钛光阳极薄膜，其中所述溶液为钛盐水溶液和/或钛醇盐水溶液。优选地，所述方法a中的涂膜方法选自刮涂法、丝网印刷法、甩涂法、提拉法以及 自然蒸发法中的一种或几种。优选地，所述方法b和方法c中的二氧化钛纳米结构的尺寸为1-lOOnm，并且所述 二氧化钛纳米结构中还掺入了其它金属氧化物的纳米结构，所述其它金属氧化物选自氧化 锌、氧化镁、氧化锡、三氧化二铝、氧化钙、五氧化二钒、氧化镍和三氧化二铬中的一种或几 种，其中掺入的金属氧化物的摩尔数不超过二氧化钛纳米结构的摩尔数，且所述其它金属 氧化物纳米结构的尺寸为l-300nm。优选地，所述方法d中的溶液为钛盐的水溶液或有机溶液、或钛醇盐的水溶液或 有机溶液，其中所述钛盐为四氯化钛和/或硫酸钛，所述钛醇盐为钛酸四丁酯和/或钛酸四 异丙酯；所述有机溶液中的有机溶剂选自甲醇、乙醇、异丙醇、环己烷、环己酮、戊烷、己烷、 辛烷、乙醚、环氧丙烷、醋酸甲酯、醋酸乙酯、醋酸丙酯、丙酮、甲基丁酮、甲基异丁酮、乙腈、 吡啶、苯酚、苯、甲苯及二甲苯中的一种或几种。与现有技术相比，本专利技术的优势在于通过使用稀酸结合臭氧气体处理染料敏化 太阳能电池光阳极的方法，在微观尺度通过强氧化剂的氧化作用修复了在二本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种处理染料敏化太阳能电池的二氧化钛光阳极薄膜表面的方法，其特征在于，所述方法包括：１）将染料敏化太阳能电池的二氧化钛光阳极薄膜表面在液体中浸透，所述液体选自纯水、稀酸和双氧水中的一种或几种以及其与有机溶剂的混合液；所述稀酸为浓度小于１Ｍ的盐酸、硝酸、醋酸、硫酸和／或草酸；所述有机溶剂选自甲醇、乙醇、乙二醇、丙三醇，及其混合物；优选地，所述液体为浓度小于１Ｍ的盐酸；２）使用氧化性气体处理染料敏化太阳能电池的二氧化钛光阳极薄膜表面，所述氧化性气体选自氧气、臭氧以及氯气中的一种或几种，优选为臭氧；同时，所述方法不使用紫外线处理染料敏化太阳能电池的二氧化钛光阳极薄膜表面。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：孟庆波，邓明晖，罗艳红，李冬梅，
申请(专利权)人：中国科学院物理研究所，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]