一种染料敏化的氧化锌光阳极、其制备方法及其在染料敏化太阳能电池的应用技术

本发明专利技术属于光电器件应用领域，公开了一种染料敏化的氧化锌光阳极、其制备方法及其在染料敏化太阳能电池中的应用。本发明专利技术的氧化锌光阳极包括导电基底，设在导电基底上、作为光阳极底层的ZnO致密膜，以及设在ZnO致密膜上的ZnO多孔层，所述的ZnO多孔层由纯多孔ZnO骨架和孔内的吸附有染料的ZnO纳米复合颗粒dye

【技术实现步骤摘要】
一种染料敏化的氧化锌光阳极、其制备方法及其在染料敏化太阳能电池的应用


[0001]本专利技术属于光电器件应用领域，公开了一种染料敏化的氧化锌光阳极、其制备方法及其在染料敏化太阳能电池中的应用。

技术介绍

[0002]染料敏化太阳能电池(DSSC)因其成本低、制备工艺简单、环境友好、应用场景丰富等优点而备受市场和研发人员的关注。DSSC主要由光阳极、染料、电解质和对电极组成。光照后，染料上的电子从基态跃迁至激发态，然后转移至光阳极材料的导带上，最后被导电基底捕获并被提取至外部电路。
[0003]氧化锌(ZnO)作为一种n型半导体，具有成本低、抗光腐蚀性强、电子迁移率高和利于各向异性生长等优点，被认为是可以取代现有染料敏化太阳能电池二氧化钛光阳极的材料。传统的光阳极制备流程大致可分为薄膜制备和染料溶液浸泡两个步骤。由于ZnO薄膜长时间浸泡在染料溶液中会引起严重的表面腐蚀，因此人们开发出了通过将ZnO纳米颗粒与染料分子在溶剂中混合的方式得到吸附有染料的ZnO纳米复合颗粒，再将前述的复合颗粒沉积在导电基底上，得到可用于染料敏化太阳能电池的光阳极。
[0004]然而，现有技术中，基于刮涂、丝网印刷等方法使用吸附有染料的ZnO纳米复合颗粒制备染料敏化太阳能电池光阳极，依然存在着一些技术问题。例如ZnO颗粒表面吸附有染料分子，这导致复合颗粒难以直接附着在导电基底的表面，必须借助有机聚合物充当粘合剂才能沉积在导电基底上，由于染料分子在高温环境下会失活，所以无法使用高温的方式去除残留的有机粘合剂，残留的有机粘合剂会影响光阳极的载流子传输效能；同时全部使用复合颗粒沉积出的光阳极，由于复合颗粒之间存在有染料分子，导致所得的光阳极内部用于将电子从染料传导至导电基底的导电通路不足，使得大量处于激发态的电子被困在复合颗粒内部，无法参与到光伏过程中。
[0005]因此，设计一种新的染料敏化的氧化锌光阳极和制备方法，来避免上述技术问题是十分必要的。

技术实现思路

[0006]针对现有技术存在的问题，本专利技术的主要目的在于提供了一种染料敏化的氧化锌光阳极、其制备方法及其在染料敏化太阳能电池的应用。本专利技术能够解决现有技术中“在基底上沉积吸附有染料的ZnO纳米复合颗粒时必须使用有机聚合物充当粘合剂”的技术问题和“光阳极内部用于将电子从染料传导至导电基底的导电通路不足”的技术问题，同时使得更多的制备方法能够被应用于沉积基于该复合颗粒的薄膜，例如电喷雾法和电泳法，这拓展了染料敏化太阳能电池光阳极的制备流程。
[0007]为了实现专利技术目的，本专利技术采用了如下技术方案：
[0008]在本专利技术的第一方面，提供了一种染料敏化的氧化锌光阳极，所述的氧化锌光阳
极包括导电基底，设在导电基底上、作为光阳极底层的ZnO致密膜，以及设在ZnO致密膜上的ZnO多孔层，所述的ZnO多孔层由纯多孔ZnO骨架和孔内的吸附有染料的ZnO纳米复合颗粒dye
‑
ZnO组成；ZnO纳米复合颗粒与多孔ZnO骨架的重量比为0.5
‑
3：1。
[0009]进一步地，所述氧化锌光阳极的厚度为1
‑
25微米。
[0010]在本专利技术的第二方面，提供了如第一方面所述的染料敏化的氧化锌光阳极的制备方法，包括以下步骤：
[0011]1)在导电基底上制备一层ZnO致密膜，其厚度范围为0.02
‑
5微米；所述导电基底可以选自FTO、ITO或AZO等；
[0012]2)在ZnO致密膜上制备一层经过退火处理的纯的多孔ZnO骨架，其厚度范围为0.2
‑
20微米；
[0013]3)将吸附有染料的ZnO纳米复合颗粒dye
‑
ZnO沉积在纯的多孔ZnO骨架表面，并进行施压处理，得到本专利技术的氧化锌光阳极，所述氧化锌光阳极的厚度为1
‑
25微米，其中ZnO纳米复合颗粒与多孔ZnO骨架的重量比为0.5
‑
3：1。
[0014]进一步地，所述的步骤1)中，所述的ZnO致密膜的制备方法，包括但不限于溶液成膜的旋涂、滴涂和物理气相沉积，其中旋涂、滴涂的溶液为10
‑
30mg/mL的醋酸锌的乙醇溶液；物理气相沉积的原料为ZnO。
[0015]进一步地，所述的步骤2)中，所述的纯多孔ZnO骨架的制备方法，包括但不限于化学蚀刻和纳米颗粒沉积，其中化学蚀刻的具体方法为以ZnO粉末为原料通过物理气相沉积的方法在ZnO致密膜上沉积厚度约为0.2
‑
20微米的纯ZnO膜，将所得的薄膜置于浓度为1
‑
3％的盐酸水溶液中5
‑
60s，得到多孔ZnO骨架；其中纳米颗粒沉积的具体方法为将ZnO纳米颗粒通过刮涂、电喷雾和电泳等方法沉积在ZnO致密膜上，得到多孔ZnO骨架。
[0016]进一步地，所述的步骤2)中，所述退火处理的温度范围为300
‑
600摄氏度。
[0017]进一步地，所述的步骤3)中，所述的吸附有染料的ZnO纳米复合颗粒dye
‑
ZnO的制备方法，包括但不限于干，湿的共混合，具体方法为将将染料分子和具有一定尺寸的ZnO纳米颗粒，按照1：200
‑
700的摩尔质量比混合于乙醇中，所述染料分子加ZnO纳米颗粒的总质量占所述有机溶剂体积的范围为5
‑
200mg/mL，经过过滤得到吸附有染料的ZnO纳米复合颗粒dye
‑
ZnO。
[0018]进一步地，所述的步骤3)中，所述的吸附有染料的ZnO纳米复合颗粒dye
‑
ZnO的沉积方法，包括但不限于电喷雾法和电泳法，其中电喷雾法的具体方法为将dye
‑
ZnO与乙醇混合研磨得到悬浊液，将悬浊液置于注射装置内，将注射装置外接3
‑
7kV的交流电压，设置泵速为0.5
‑
1.5mL/min，将多孔ZnO骨架置于喷雾下方持续0.5
‑
5h，完成dye
‑
ZnO的沉积；电泳法的具体方法为将dye
‑
ZnO置于碘的丙酮溶液内搅拌得到悬浊液，将导电基底和多孔ZnO骨架分别与电源正负极连接并面对面置于悬浊液内，电源的输出电压为50
‑
150V，持续5
‑
15min，完成dye
‑
ZnO的沉积。
[0019]进一步地，所述的步骤3)中，所述施压处理的压力大小为5
‑
500Mpa，温度为5
‑
80摄氏度。
[0020]在本专利技术的第三方面，提供了如第一方面所述的染料敏化的氧化锌光阳极在染料敏化太阳能电池中的应用。
[0021]利用染料敏化的氧化锌光阳极，制备染料敏化太阳能电池的方法如下：将制备好
的新型ZnO光阳极与对电极Pt、夹在光阳极和对电极之间的电解质，组成染料敏化太阳能电池。<本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种染料敏化的氧化锌光阳极，其特征在于，所述的氧化锌光阳极包括导电基底，设在导电基底上、作为光阳极底层的ZnO致密膜，以及设在ZnO致密膜上的ZnO多孔层，所述的ZnO多孔层由纯多孔ZnO骨架和孔内的吸附有染料的ZnO纳米复合颗粒dye
‑
ZnO组成；ZnO纳米复合颗粒与多孔ZnO骨架的重量比为0.5
‑
3：1。2.根据权利要求1所述的染料敏化的氧化锌光阳极，其特征在于，所述氧化锌光阳极的厚度为1
‑
25微米。3.如权利要求1或2所述的染料敏化的氧化锌光阳极的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：1)在导电基底上制备一层ZnO致密膜，其厚度范围为0.02
‑
5微米；2)在ZnO致密膜上制备一层经过退火处理的纯的多孔ZnO骨架，其厚度范围为0.2
‑
20微米；3)将吸附有染料的ZnO纳米复合颗粒dye
‑
ZnO沉积在纯的多孔ZnO骨架表面，并进行施压处理，得到本发明的氧化锌光阳极，所述氧化锌光阳极的厚度为1
‑
25微米，其中ZnO纳米复合颗粒与多孔ZnO骨架的重量比为0.5
‑
3：1。4.根据权利要求3所述的...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐世宣，密保秀，高志强，
申请(专利权)人：南京邮电大学，
类型：发明
国别省市：