基于二氧化硅/二氧化钛复合光阳极的染料敏化太阳能电池及其制备方法和应用

摘要

本发明提供了一种基于二氧化硅/二氧化钛复合光阳极的染料敏化太阳能电池及其制备方法和应用，具体是以钛酸四正丁酯在酸性条件下水解，通过水热反应浓缩成胶体并涂覆于FTO或ITO导电玻璃基体上，经煅烧后形成二氧化硅/二氧化钛复合光阳极。本发明充分利用二氧化硅对二氧化钛的有效掺杂并抑制光生电子与电解质的复合，从而极大提高光生电子由染料激发态跃迁至二氧化硅/二氧化钛复合光阳极导带的效率。本发明的二氧化硅/二氧化钛复合光阳极所组装的染料敏化太阳能电池开路电压大、短路电流高、光电转化效率高，制备方法简便易行、成本低廉、改进空间大。

说明书

技术领域

本发明属于新能源材料技术领域，具体涉及基于二氧化硅/二氧化钛复合光阳极的染料敏化太阳能电池及其制备方法和应用。

背景技术

染料敏化太阳能电池是一种由二氧化钛光阳极、敏化染料、I^-/I₃^-电解质和对电极组成的可将太阳能转变为电能的电化学装置。

1991年由瑞士洛桑高等工业学院的Gr?tzel研究小组以纳米多孔二氧化钛为半导体阳极，Ru络合物为敏化染料，I^-/I₃^-为氧化还原电解质，铂为对电极组装了染料敏化太阳能电池的原型机，其光电转换效率为7.1%，由此揭开了染料敏化太阳能电池研究的序幕。1997年该电池的光电转换效率已提高至11%。经过15年的努力，研究者们已经成功开发出多种形貌和结构的染料敏化太阳能电池，但效率提高较小，远低于其理论值。因此，开发一种价格低廉、重复性好、光电转换效率高的染料敏化太阳能电池成为其得以广泛应用的必要条件。

近年来，有研究采用稀土掺杂二氧化钛做光阳极材料，所组装的染料敏化太阳能电池的光电转换效率最高均低于8%。

发明内容

本发明的目的在于提供了一种基于二氧化硅/二氧化钛复合光阳极的染料敏化太阳能电池及其制备方法和应用，所述二氧化硅/二氧化钛复合光阳极制备方法简便易行，成本较低，所组装的染料敏化太阳能电池，开路电压大、短路电流高、光电转化效率高。

为实现上述发明目的，本发明采用下述技术方案予以实现：

基于二氧化硅/二氧化钛复合光阳极的染料敏化太阳能电池的制备方法，包括以下步骤：

(1)、按钛酸四正丁酯：水的体积比为8-12：100混合，室温搅拌，抽滤洗涤；

(2)、将醋酸和硝酸滴加到步骤(1)得到的产物中，醋酸体积用量与钛酸四正丁酯用量相同，醋酸和硝酸体积比为5-15：0.5-1，在60℃-80℃下搅拌，加水至总体积与醋酸用量的体积比为150-200：10，密封搅拌至呈现淡蓝色透明胶体；

(3)、将步骤(2)所得胶体移入水热反应釜中，200℃反应12-24h，最终去除反应釜中的上层清液，得到白色胶体；

(4)、取白色胶体，加入占钛酸四正丁酯质量为1-10%的纳米晶气相二氧化钛P25和占钛酸四正丁酯质量0.5 ~ 9%的纳米二氧化硅，再加入去离子水至总体积与步骤(2)的总体积相等，充分搅拌均匀，超声；

(5)、然后再次放入反应釜中，200℃水热8-12 h反应获得胶体； 

(6)、将OP乳化剂滴加到异丙醇中，配制OP乳化剂溶液； 

(7)、将步骤(5)中反应获得的胶体去上层清液，取白色胶体加入占钛酸四正丁酯质量比0.5～1%的聚乙二醇和步骤(6)中制得的OP 乳化剂溶液，继续浓缩制得胶体，所述OP乳化剂溶液与钛酸四正丁酯的体积比为1-3：10；

(8)、将步骤(7)制备的胶体涂抹到导电玻璃上，控制膜厚为5～15 μm，经高温煅烧，形成纳米二氧化硅/二氧化钛复合薄膜； 

(9)、将所述二氧化硅/二氧化钛复合薄膜浸入0.2～0.5 mM的染料溶液中形成染料敏化二氧化硅/二氧化钛复合光阳极；

(10)、将步骤(9)制备的染料敏化二氧化硅/二氧化钛复合光阳极和标准铂对电极组合，并滴加含有I^-/I₃^-的电解质组装成染料敏化太阳能电池。

进一步的，所述步骤(4)中的纳米二氧化硅的粒径为10－50 nm。

进一步的，所述步骤(6)中OP与异丙醇的体积比为1：10-50。 

进一步的，所述步骤(7)中浓缩的温度为80-120℃。

进一步的，所述步骤(8)中经450℃高温煅烧制备二氧化硅/二氧化钛复合薄膜。

进一步的，所述步骤(9)中的染料为N719或N3染料。

进一步的，所述步骤(10)中的含有I-/I3-的电解质由0.01 ~ 0.06 M碘、0.08 ~ 0.12 M碘化锂、0.4 ~ 0.8 M四丁基碘化铵和0.4 ~ 0.6 M 4-叔丁基吡啶的乙腈溶液组成。

本发明还提供了利用所述的制备方法制备的二氧化硅/二氧化钛复合光阳极基染料敏化太阳能电池。

所述太阳能电池的开路电压为700 ~ 800 mV、短路电流为20 ~ 25 mA·cm^-2、填充因子为0.55 ~ 0.7、光电转换效率为8 ~ 10.5%。

本发明还提供了所述的二氧化硅/二氧化钛复合光阳极基染料敏化太阳能电池在作为发电装置中的应用。

与现有技术相比，本发明的优点和积极效果是：本发明提供了一种基于二氧化硅/二氧化钛复合光阳极的染料敏化太阳能电池及其制备方法，具体是以钛酸四正丁酯在酸性条件下水解，并掺入纳米二氧化硅，通过水热反应并浓缩成胶体涂覆于FTO或ITO导电玻璃基体上，经煅烧形成二氧化硅/二氧化钛复合光阳极。所组装的染料敏化太阳能电池的光电转换效率为8 ~ 10.5%。

本发明充分利用二氧化硅对二氧化钛的有效掺杂并抑制光生电子与电解质的复合，从而极大提高光生电子由染料激发态跃迁至二氧化硅/二氧化钛复合光阳极导带的效率。本发明的二氧化硅/二氧化钛复合光阳极制备方法简便易行、成本低廉、改进空间大，所组装的染料敏化太阳能电池开路电压大、短路电流高、光电转化率高。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明的技术方案作进一步详细的说明。

 实施例1

本发明所述基于二氧化硅/二氧化钛复合光阳极的染料敏化太阳能电池的制备方法包括以下步骤：

1. 将10 mL 钛酸四正丁酯滴加到100 mL蒸馏水中，室温搅拌30 min，抽滤洗涤。

2. 将10 mL醋酸和0.8 mL 硝酸滴加到步骤1的产物中，80℃搅拌15 min，加水至总体积为170 mL，80℃密闭搅拌至淡蓝色透明胶体。

3. 将140 mL胶体移入水热反应釜中，200℃反应12 h，最终去除反应釜中的上层清液，得到白色胶体。

4. 取白色胶体，加入占钛酸四正丁酯质量为1-10%的纳米晶气相二氧化钛P25和占钛酸四正丁酯质量0.5 ~ 9%的纳米二氧化硅（粒径为10－50 nm），再加30 mL去离子水至170 mL，充分搅拌均匀，超声30 min。

5. 再次放入反应釜中，200℃水热12 h反应获得白色胶体。 

6. 将1 mL OP滴加到10 mL 异丙醇中，配制OP乳化剂溶液，所述OP与异丙醇的体积比为1：10-50。

7. 将步骤5中反应获得的胶体去上层清液，取白色胶体加入占钛酸四正丁酯质量比0.5～1%的聚乙二醇和1 mL 步骤6中制得的OP 乳化剂溶液，于80℃浓缩制得胶体。

8. 将制备的胶体涂抹到导电玻璃上，控制膜厚为5 ~ 15 μm，经过450℃高温煅烧，制备二氧化硅/二氧化钛复合薄膜。

9. 将所述二氧化硅/二氧化钛复合薄膜浸入0.2 ~ 0.5 mM的N719或N3染料中形成染料敏化二氧化硅/二氧化钛复合光阳极。

10. 将步骤9制备的染料敏化二氧化硅/二氧化钛复合光阳极和标准铂对电极组合，并滴加含有I^-/I₃^-的电解质组装成染料敏化太阳能电池，所述含有I^-/I₃^-的电解质由0.01 ~ 0.06 M碘、0.08 ~ 0.12 M碘化锂、0.4 ~ 0.8 M四丁基碘化铵和0.4 ~ 0.6 M 4-叔丁基吡啶的乙腈溶液组成。

通过上述方法，可获得开路电压为700 ~ 800 mV，短路电流为20 ~ 25 mA·cm^-2，填充因子为0.55 ~ 0.7，光电转换效率为8 ~ 10.5%的二氧化硅/二氧化钛复合光阳极基染料敏化太阳能电池。本发明所述染料敏化太阳能电池可以作为发电装置应用。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其进行限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的普通技术人员来说，依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明所要求保护的技术方案的精神和范围。