一种染料敏化太阳能电池光阳极用二氧化钛膜的制备方法

摘要

本发明公开了一种染料敏化太阳能电池光阳极用二氧化钛膜的制备方法，包括如下步骤：A.将乙基纤维素和松油醇混合并在水浴中搅拌，得到有机载体；B.将碳纳米管和P25纳米晶放入研钵中，并加入上述有机载体进行研磨，得到有机载体纳米二氧化钛浆料；C.将上述得到的纳米二氧化钛浆料丝网印刷到导电玻璃上，从而形成二氧化钛膜，然后在马弗炉中烧结，所述马弗炉以5℃/min的速率升温，当温度达500℃时保温15min，再自然冷却，即得到所需的二氧化钛膜，用作染料敏化太阳能电池光阳极，由该方法制得的二氧化钛膜用作染料敏化太阳能电池光阳极时，提高了光阳极对太阳光的吸收，提高了电子的传输速率，以及光电转换效率，从而，改善了电池的性能。

说明书

【技术领域】

本发明涉及一种太阳能电池，特别是一种染料敏化太阳能电池光阳极用二氧化钛膜的制备方法。

【背景技术】

随着全球性矿物能源的枯竭和环境污染问题的加剧，太阳能资源的利用已经引起了世界的关注，同时，太阳能电池的研究也成为世界范围内的研究热点。在各种太阳能电池中，染料敏化太阳能电池以其制作工艺简单、便于大规模生产、成本低廉等优点愈来愈受到广泛重视。

在染料敏化太阳能电池中，多孔光阳极的性能对电池的性能的影响尤为重要，因此，多年来关于光阳极膜的研究也越来越多。为实现尽可能多的吸附染料，同时实现与导电基底的牢固接触，并实现电子从染料激发态到导电衬底的传输以及电解质中氧化还原电对的有效传输，因而，多孔光阳极的制备技术非常关键。

在二氧化钛纳米晶薄膜电极的制备过程中，二氧化钛晶体的粒径大小、晶型构成、薄膜的孔隙率等都影响着电池的效率。目前制备二氧化钛纳米晶体的方法主要有：水热法、Sol-gel法等，其中以水热法效果最好，文献P.Wang，etc.J.Phys.Chem.B，107(2003)14336，报道了二氧化钛浆料水热制备方法，该方法成本较高，能量转换效率只有7.2％，因此，其制备工艺有待进一步改善。

鉴于以上问题，实有必要针对以上技术进行改进，以克服上述缺陷。

【发明内容】

本发明所要解决的技术问题是提供一种染料敏化太阳能电池光阳极用二氧化钛膜的制备方法，其光阳极对太阳光的吸收强，电子的传输速率高，且能量转换效率高。

为解决以上技术问题，本发明提供了一种染料敏化太阳能电池光阳极用二氧化钛膜的制备方法，包括以下步骤：

(1)有机载体的配制

在80℃的水浴中，按照质量比为1∶(5-10)将乙基纤维素溶解到松油醇中，搅拌2h，从而形成黏度为5.9-6.1的有机载体，以备后用；

(2)二氧化钛浆料的制备

按照质量比为1∶(5-9)取碳纳米管和P25纳米晶放入研钵中，其中，碳纳米管的粒径为(20-100)nm，P25纳米晶的粒径为25nm，然后，加入第一步中得到的有机载体，研磨1h，从而得到有机载体纳米二氧化钛浆料，其中固含量为18％-24％；

(3)二氧化钛膜的制备

A)将第二步中得到的纳米二氧化钛浆料印刷到导电玻璃基底，从而在导电玻璃基底上形成一层二氧化钛膜；B)移转至干燥器，在80℃下干燥15min；C)移转至马弗炉中烧结，马弗炉以5℃/min的速率升温，温度达450℃时保温15min，温度达500℃时保温15min；D)自然冷却，即得到所需的二氧化钛膜，用作染料敏化太阳能电池光阳极。

与现有技术相比，本发明染料敏化太阳能电池光阳极用二氧化钛膜的制备方法至少具有以下优点：由于采用纳米晶和碳纳米管混和制备有机载体的TiO2浆料，因此，所制备出来的TiO2薄膜具有较大的比表面和较好的导电性能，增强了光阳极对太阳光的吸收，同时提高了电子的传输以及能量转换效率，进而有效的改善了电池的性能。

【具体实施方式】

实施例一：

(1)有机载体的配制

将15g乙基纤维素加到75g松油醇中，在80℃的水浴中搅拌2h，从而形成黏度为6.1cp的有机载体，以备后用；

(2)二氧化钛浆料的制备

取2.4g粒径为20nm的碳纳米管与21.6g粒径为25nm的商用二氧化钛(P25)纳米晶混合后放入玛瑙研钵中，再加入76g第一步得到的黏度为6.1cp的有机载体，充分研磨1h，从而形成有机载体纳米二氧化钛浆料，其中，碳纳米管与P25纳米晶的质量比为1∶9，固含量为24％；

(3)二氧化钛膜的制备

A)在清洗干净的导电玻璃基底上采用丝网印刷工艺用250目的不锈钢印刷第二步得到的二氧化钛浆料，从而在导电玻璃基底表面形成一层二氧化钛膜；

B)将步骤A)得到的器件移转至干燥箱中，在80℃干燥15min；

C)将步骤B)得到的器件移转至马弗炉中进行烧结，其中马弗炉以速率为5℃/min升温，并依次在450℃保温15min、500℃保温15min；

D)最后，将步骤C)得到的器件自然冷却，即得到所需的二氧化钛膜，用作染料敏化太阳能电池的光阳极。

实施例二：

(1)有机载体的配制

将15g乙基纤维素加到105g松油醇中，在80℃的水浴中搅拌2h，从而形成黏度为6.0cp的有机载体，以备后用。

(2)二氧化钛浆料的制备

取3.0g粒径为100nm的碳纳米管与15.0g粒径为25nm的P25纳米晶混合后放入玛瑙研钵中，并加入82g第一步得到的黏度为6.0cp的有机载体，充分研磨1h，形成有机载体纳米二氧化钛浆料，其中，碳纳米管与P25纳米晶的质量比为1∶5，固含量为18％。

(3)二氧化钛膜的制备

A)在清洗干净的导电玻璃基底上采用丝网印刷工艺用250目的不锈钢印刷第二步得到的二氧化钛浆料，从而在导电玻璃基底形成一层二氧化钛膜；

B)将步骤A)得到的器件移转至干燥箱中，在80℃干燥15min；

C)将步骤B)得到的器件移转至马弗炉中进行烧结，马弗炉以速率为5℃/min升温，并依次在450℃保温15min、500℃保温15min；

D)将步骤C)得到的器件自然冷却，即得到所需的二氧化钛膜，膜厚15μm，用作染料敏化太阳能电池的光阳极。

实施例三：

(1)有机载体的配制

将10g乙基纤维素加到100g松油醇中，在80℃的水浴中搅拌2h，从而形成黏度为5.9cp的有机载体，以备后用。

(2)二氧化钛浆料的制备

取3.0g粒径为60nm的碳纳米晶与18g粒径为25nm的P25纳米晶混合后放入玛瑙研钵中，并加入79g第一步得到的黏度为5.9cp的有机载体，充分研磨1h，形成有机载体纳米二氧化钛浆料，其中，碳纳米管与P25纳米晶的质量比为1∶6，固含量为21％。

(3)二氧化钛膜的制备

A)在清洗干净的导电玻璃基底上采用丝网印刷工艺用250目的不锈钢印刷第二步得到的二氧化钛浆料，从而在导电玻璃基底形成一层二氧化钛膜；

B)将步骤A)得到的器件移转至干燥箱中，在80℃干燥15min；

C)将步骤B)得到的器件移转至马弗炉中烧结，马弗炉以速率为5℃/min升温，并依次在450℃保温15min、500℃保温15min；

D)将步骤C)得到的器件自然冷却，即得到所需的二氧化钛膜，膜厚20μm，用作染料敏化太阳能电池的光阳极。

将按照本发明的制备方法制备出来的二氧化钛膜与传统的P25纳米二氧化钛膜分别组装到电池内，其中，电池的对电极为铂电极，染料为0.3mol/L的N719，氧化还原电解液为：在乙腈溶剂中，0.05mol/L I₂，0.1mol/L LiI，0.4mol/L TBP，并采用Oriel的太阳光模拟器，模拟AM1.5，辐照光功率为1000W/m²，并用Keithley数据源测试上述两种电池的I-V曲线，结果如下表所示：

  标号  短路电流  J_SC(mA/cm²)  开路电压  V_OC(mV)  填充因子  F.F  光电转换率  η(％)  固含量  (％)  C/Ti  1-(25nmTi)  4.89  670  0.55  4.89  21  0  2-(20nmC/25nmTi)  5.59  698  0.56  5.59  24  1∶10  3-(100nmC/25nmTi)  5.56  670  0.57  5.56  18  1∶5  4-(60nmC/25nmTi)  5.34  699  0.54  5.34  21  1∶7

上表中，第1组数据为传统的以P25纳米二氧化钛膜作为电池光阳极的电池的光电性能，第2、3、4组数据分别为以实施例1、2、3制备方法所得到的二氧化钛膜作为电池光阳极的电池的光电性能。

由以上表中可以看出，以本发明制备方法制备出来的二氧化钛膜作为电池的光阳极，其电池短路电流、开路电压，以及填充因子均有所提高，光电转换率最高提高了14.3％，效果显著。

以上所述仅为本发明的一种实施方式，不是全部或唯一的实施方式，本领域普通技术人员通过阅读本发明说明书而对本发明技术方案采取的任何等效的变换，均为本发明的权利要求所涵盖。