本发明专利技术涉及染料敏化纳米晶太阳电池，特指一种复合光阳极及其制备方法；本发明专利技术的复合光阳极是在石墨烯片上覆盖TiO2籽晶层为模板生长TiO2纳米线阵列并且在纳米线阵列上生长纳米颗粒形成复合结构，可应用在染料敏化太阳能电池中。石墨烯的片层覆盖在FTO玻璃上作为阻隔层，阻止FTO玻璃与电解液的直接接触，在石墨烯的片层上覆盖一层TiO2纳米颗粒作为生长TiO2纳米线阵列的籽晶，水热法生长纳米线阵列，并且在纳米线阵列上生长纳米颗粒增大光阳极的比表面积，增加染料的吸附量，从而提高DSSC的光电流和转换效率。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及染料敏化纳米晶太阳电池，特指；本专利技术的复合光阳极是在石墨烯片上覆盖TiA籽晶层为模板生长TiA纳米线阵列并且在纳米线阵列上生长纳米颗粒形成复合结构，可应用在染料敏化太阳能电池中。
技术介绍
石油、煤、天然气等非再生能源的缺乏使能源危机日渐成为社会发展、经济发展和科学技术发展的制约因素之一，开发新能源材料和利用新能源是当前世界各国必须首先解决的重大课题；而太阳能具有清洁、使用安全、取之不尽、利用成本低且不受地理条件限制等诸多优点，是解决能源和环境问题的理想能源；染料敏化纳米晶太阳电池(DSSC)是基于纳米技术发展起来的一种新型太阳电池，具有制作成本低(其成本仅为硅太阳能电池的 1/5 1/10)，生产工艺简单、无污染，对温度变化和光强度变化不敏感，光稳定性好，是一种极有前途的环保型太阳能电池。DSSC主要由透明导电基片、染料覆盖的多孔纳米晶半导体薄膜、电解质溶液和对电极组成。受光激发后，染料分子从基态跃迁到激发态，处于激发态的染料将电子注入到半导体纳米晶的导带中，注入到导带中的电子在半导体膜中传输，到达半导体膜与导电玻璃接触面后，进入外电路；DSSC的开路光电压为光照时半导体的准费米能级与电解质溶液中氧化还原电对的氧化还原电位之差，短路光电流取决于光敏染料的光捕获效率、电子注入效率和电子传输效率，而降低电荷复合效应和导带玻璃基底的电阻可以提高填充因子。目前，如何使DSSC获得更高的光电转换效率，提高电池稳定性，延长使用寿命一直是研究的热点问题，染料吸附量、光的捕获效率和加速电子的传导以及抑制电子的复合是提高染料敏化太阳能电池的光电转化效率的三个重要因素；随着纳米技术的发展，新型的纳米材料以其优良的性能应用于染料敏化太阳能电池，石墨烯和一维纳米材料(如纳米线，纳米管等)具有优良的电子传输性，能够快速使电子和空穴分离，抑制暗电流的产生。由于石墨烯具有极好的导电性，最近有报道利用石墨烯和TW2纳米晶复合制作光阳极，用于DSSC的制作中；如Yang等人在2010年ACS ΝΑΝΟ杂志中报道，在TiO2中掺入0. 6 %的石墨烯做成光阳极，DSSC的短路电流密度由11. 25 mA/cm2提高到16. 29 mA/ cm2，开路电压没有降低，转化效率由5. 01 %提高到6. 97 % (Yang NL, Zhai J, Wang D. Two-Dimensional Graphene Bridges Enhanced Photoinduced Charge Transport in Dye-Sensitized Solar Cells. ACS ΝΑΝΟ, 2010, 4(2) : 380-386) ；Kim 等人在 2009 年 Chemical Physics Letters杂志上报到，在FTO玻璃表面旋涂一层500 nm的GS/Ti02复合材料，这一层复合材料层不仅在FTO玻璃与TW2纳米颗粒起到阻隔层，而且加速了电子的转移，减小在FT0/Ti02界面之间的暗电流，开路电压增加了 M mV，光电转化效率从4. 89 % ±曾力口至IJ 5. 26 % (S. R. Kim, M. K. Parvez, M. Chhowalla. UV-reduction of graphene oxide and its application as an interfacial layer to reduce the back-transportreactions in dye-sensitized solar cells. Chemical Physics Letters, 2009, 483, 124-127.)。一维纳米结构有着优越的电子分离和传导性，并且其长度在微米级上，可见光的散射和吸收性能极大增强；Aydil等人用水热方法获得TW2纳米线阵列获得效率比较低， 4 μ m长的纳米线阵列经过TiCl4水溶液处理之后获得3 %的转化效率，Aydil把效率低归因于TiO2阵列的比表面积小，导致吸附的染料不足(B. Liu and Ε. S. Aydil. Growth of Oriented Single-Crystalline Rutile TiO2 Nanorods on Transparent Conducting Substrates for Dye-Sensitized Solar Cells. J. Am. Chem. Soc. , 2009, 131 (11)，3985-3990.)；为了弥补纳米线阵列表面积小的不足，Wu等人构造了 ZnO纳米树状 /ZnO纳米颗粒结构并应用于染料敏化太阳能电池中，3. 5 ym长度的复合物获得了 3.74 %的转化效率，优于TiO2纳米颗粒组装的电池，由于纳米颗粒的存在使得染料的吸附量增加，从而增加了光电转化效率。(c. T. Wu, W. P. Liao, J. J. ffu. Three-dimensional ZnO nanodendrite/nanopartic1e composite solar cells. Journal of Materials Chemistry, 2011, 21，2871-2876.)为此本专利技术首次提出利用石墨烯、TiO2纳米线阵列、TW2纳米颗粒构造一种三维的复合结构的光阳极，在FTO玻璃表面覆盖一层石墨烯和TW2纳米颗粒的复合结构膜作为阻隔层，并在其上生长TiA纳米线阵列和TiA纳米颗粒的复合结构，通过石墨烯与TiA纳米线的提高电子的传输速度，降低电荷的再复合，从而达到提高电池光电流光电流和DSSC效率的目的。
技术实现思路
本专利技术提出一种新型复合光阳极材料，即石墨烯/TiO2纳米线阵列/TiO2纳米颗粒复合结构用于DSSC的制作。石墨烯的片层覆盖在FTO玻璃上作为阻隔层，阻止FTO玻璃与电解液的直接接触， 在石墨烯的片层上覆盖一层TiO2纳米颗粒作为生长TiO2纳米线阵列的籽晶，水热法生长纳米线阵列，并且在纳米线阵列上生长纳米颗粒增大光阳极的比表面积，增加染料的吸附量， 从而提高DSSC的光电流和转换效率。实现本专利技术的技术方案为第一步在FTO玻璃上均勻覆盖一层石墨烯/TiA纳米颗粒薄膜以其作为阻隔层，TiO2纳米颗粒作为生长TiA纳米线阵列的籽晶；第二步在FTO玻璃片上利用水热法生长TiA纳米线阵列； 第三步在TiA纳米线阵列上附着TiA纳米颗粒； 第四步制备好的复合结构在氮气气氛下煅烧； 第五步光阳极的敏化及电池的组装。所述方法第一步，其特征是控制石墨烯的浓度，即氧化石墨烯与TiO2的质量比，范围在39TU%。所述方法第一步，在FTO玻璃制备石墨烯/TiA纳米颗粒薄膜指首先制备均勻稳定的石墨烯与TiA纳米颗粒复合溶液，再将该石墨烯与TiA纳米颗粒复合溶液旋涂在 FTO玻璃上，使得石墨烯与TiA的纳米颗粒完全覆盖在FTO玻璃片上，在队气氛下退火得到石墨烯/TiA纳米颗粒薄膜；或在FTO玻璃上先旋涂一层石墨烯后再旋涂TiA溶胶并在 N2气氛下退火得到石墨烯/TiA纳米颗粒薄膜。所述方法第一步，在FTO玻璃上覆盖的石墨烯/TW2纳米颗粒薄膜的厚度在200 nm以下；所述方法第二步，水热法生长TiO2纳米线本文档来自技高网...
【技术保护点】
１．一种复合光阳极，其特征在于：所述复合光阳极由石墨烯／ＴｉＯ２纳米颗粒复合层，ＴｉＯ２纳米线阵列以及填充在ＴｉＯ２纳米线阵列之间的ＴｉＯ２纳米颗粒组成，石墨烯／ＴｉＯ２纳米颗粒复合层中的ＴｉＯ２纳米颗粒作为籽晶层生长得到ＴｉＯ２纳米线阵列，石墨烯／ＴｉＯ２纳米颗粒复合层中的石墨烯作为电解液的阻隔层。
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：丁建宁，于成涛，袁宁一，刘跃斌，樊勇，
申请(专利权)人：常州大学，
类型：发明
国别省市：32
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