有机染料和钌染料协同敏化的太阳能电池及其制备方法

摘要

本发明涉及一种有机染料和钌染料协同敏化的太阳能电池及其制备方法，该电池为三明治结构的染料敏化电池，该电池包括分别位于两端面的导电玻璃层和对电极层，导电玻璃层和对电极层之间依次铺设浸渍有机染料及钌染料的锡酸锌纳米晶薄膜层和电解质溶液。该电池的制备方法包括锡酸锌纳米晶薄膜的制备和染料敏化太阳能电池的组装，该太阳能电池制备方法简单，电学性能好。

说明书

技术领域

本发明属于太阳能电池技术领域，更具体涉及一种有机染料和钌染料协同敏化的太阳能电池及其制备方法。

背景技术

上世纪90年代初，瑞士科学家Gra¨tzel教授领导的研究小组率先利用廉价的宽带隙氧化物半导体TiO₂制备成具有多孔高比表面的纳米晶薄膜，以吸附羧酸联吡啶Ru(Ⅱ)的配合物为敏化剂，并选用含I^-/I^3- 氧化物还原电对的低挥发性盐为电解质，研制成一种称为染料敏化纳米晶太阳能电池DSSC，且取得约为7.1%~7.9%的光电转换效率。此后，染料敏化纳米晶太阳能电池(DSSC) 随之快速发展起来。目前仍以Gra¨tzel等利用稀有金属钌配合物染料敏化的二氧化钛纳米晶太阳能电池的光电转换效率最高为11.18%。由于单一染料敏化受到染料吸收光谱的限制，很难与太阳的发射光谱相匹配，所以为了达到最佳的敏化效果，集结各种染料的优点，采用多种染料协同敏化，成为DSSC研究的重点之一。锡酸锌纳米晶的禁带宽为3.6ev，是一种可作为负极的半导体材料。已有文献报道，在钌配合物N719敏化下锡酸锌纳米晶太阳能电池光电转换效率为3.8%，在有机染料D131敏化下其光电效率为2.71%。但是，目前还未有机染料与钌配合物染料协同敏化锡酸锌纳米晶薄膜基的太阳能电池相关专利报道。

发明内容

本发明的目的在于提供一种有机燃料与钌燃料协同敏化的太阳能电池及其制备方法，该太阳能电池制备方法简单，电学性能好。

一种有机染料和钌染料协同的太阳能电池为三明治结构的染料敏化电池，该太阳能电池包括分别位于两端面的导电玻璃层和对电极层，导电玻璃层和对电极层之间依次铺设浸渍有机染料及钌染料的锡酸锌纳米晶薄膜层和电解质溶液；所述的有机燃料为D131，钌染料为N719，其摩尔比为为1:1-1:3。

该太阳能电池的制备方法的具体步骤为

1）锡酸锌纳米晶薄膜的制备：将ZnCl₂和SnCl₄5H₂O按1-3：1-2的摩尔比溶解在水和乙醇的混合溶液中，乙醇的浓度为25-85%，混合后总溶质浓度为0.5-3摩尔/升，加入0.5-1.5摩尔/升的氢氧化钠溶液，氢氧化钠的加入量为乙醇和水总体积的0.5-1.5倍，磁力搅拌10-20分钟后将其置入聚四氟乙烯内衬的不锈钢反应釜中，在180-240℃反应12-36小时，经蒸馏水洗涤后室温干燥得到锡酸锌纳米晶；

2）染料敏化太阳能电池的组装：将制得的锡酸锌纳米晶和聚乙基纤维素制得浆料，用丝网印刷，将其印在导电玻璃上并在515-545℃焙烧1-3小时，重复印刷焙烧2次，然后将其浸渍在有机染料D131和钌染料N719摩尔比为1:1-1:3混合溶液中，4-10小时后取出，电极薄膜的颜色由白色变为红棕色；再把附着有电极薄膜的导电玻璃与对电极和注入的常规液态电解质溶液组装在一起，形成三明治结构的染料敏化太阳能电池。

所使用的液态电解质溶液采用常规的染料敏化太阳能电池电解质溶液。

本发明的显著优点是：本发明利用的锡酸锌纳米晶是一种很好的半导体材料，小粒径锡酸锌纳米晶合成过程简单，纯度高，较大的比表面能吸附更多的染料，增加了光的利用率。同时本发明首次提供了一种有机染料和钌染料敏化锡酸锌纳米晶的太阳能电池及其制备方法，制备方法简单，具有良好的电学性能。

附图说明

图1是本发明的三明治结构的染料敏化太阳能电池示意图， 1 导电玻璃FTO；2 浸渍有有机染料和钌染料的锡酸锌纳米晶；3 电解质溶液；4 对电极。

图2吸附不同染料的Zn₂SnO₄纳米晶电极的吸收光谱。

图3吸附不同染料的Zn₂SnO₄纳米晶太阳能电池的光电流曲线。

图4不同染料敏化的Zn₂SnO₄纳米晶太阳能电池的光电性能参数。

具体实施方式

一种有机染料和钌染料协同敏化的太阳能电池为三明治结构的染料敏化电池，该太阳能电池包括分别位于两端面的导电玻璃层和对电极层，导电玻璃层和对电极层之间依次铺设浸渍有机染料及钌染料的锡酸锌纳米晶薄膜层和电解质溶液；所述的有机燃料为D131，钌染料为N719，其摩尔比为为1:1-1:3。

该太阳能电池的制备方法的具体步骤为：

1）锡酸锌纳米晶薄膜的制备：将ZnCl₂和SnCl₄5H₂O按1-3：1-2的摩尔比溶解在水和乙醇的混合溶液中，乙醇的浓度为25-85%，混合后总溶质浓度为0.5-3摩尔/升，加入0.5-1.5摩尔/升的氢氧化钠溶液，氢氧化钠的加入量为乙醇和水总体积的0.5-1.5倍，磁力搅拌10-20分钟后将其置入聚四氟乙烯内衬的不锈钢反应釜中，在180-240℃反应12-36小时，经蒸馏水洗涤后室温干燥得到锡酸锌纳米晶；

2）染料敏化太阳能电池的组装：将制得的锡酸锌纳米晶和聚乙基纤维素制得浆料，用丝网印刷，将其印在导电玻璃上并在515-545℃焙烧1-3小时，重复印刷焙烧2次，然后将其浸渍在有机染料D131和钌染料N719摩尔比为1:1-1:3混合溶液中，4-10小时后取出，电极薄膜的颜色由白色变为红棕色；再把附着有电极薄膜的导电玻璃与对电极和注入的常规液态电解质溶液组装在一起，形成三明治结构的染料敏化太阳能电池。

所使用的液态电解质溶液采用常规的染料敏化太阳能电池电解质溶液。

实施例1

   一种有机染料和钌染料协同敏化的太阳能电池的具体制备步骤为：

1）锡酸锌纳米晶薄膜的制备：将ZnCl₂和SnCl₄5H₂O按1：1的摩尔比溶解在水和乙醇的混合溶液中，乙醇的浓度为25%，混合后总溶质浓度为0.5摩尔/升，加入0.5摩尔/升的氢氧化钠溶液，氢氧化钠的加入量为乙醇和水总体积的0.5倍，磁力搅拌10分钟后将其置入聚四氟乙烯内衬的不锈钢反应釜中，在180℃反应36小时，经蒸馏水洗涤后室温干燥得到锡酸锌纳米晶；

2）染料敏化太阳能电池的组装：将制得的锡酸锌纳米晶和聚乙基纤维素制得浆料，用丝网印刷，将其印在导电玻璃上并在515℃焙烧3小时，重复印刷焙烧2次，然后将其浸渍在有机染料D131和钌染料N719摩尔比为1:1混合溶液中，4小时后取出，电极薄膜的颜色由白色变为红棕色；再把附着有电极薄膜的导电玻璃与对电极和注入的常规液态电解质溶液组装在一起，形成三明治结构的染料敏化太阳能电池。

所使用的液态电解质溶液采用常规的染料敏化太阳能电池电解质溶液0.1摩尔/升的碘化锂，溶剂为液态乙腈。

未提及部分与具体实施方式相同。

实施例2

一种有机染料和钌染料协同敏化的太阳能电池的具体制备步骤为：

1）锡酸锌纳米晶薄膜的制备：将ZnCl₂和SnCl₄5H₂O按2：1的摩尔比溶解在水和乙醇的混合溶液中，乙醇的浓度为85%，混合后总溶质浓度为3摩尔/升，加入1.5摩尔/升的氢氧化钠溶液，氢氧化钠的加入量为乙醇和水总体积的1.5倍，磁力搅拌20分钟后将其置入聚四氟乙烯内衬的不锈钢反应釜中，在240℃反应12小时，经蒸馏水洗涤后室温干燥得到锡酸锌纳米晶；

2）染料敏化太阳能电池的组装：将制得的锡酸锌纳米晶和聚乙基纤维素制得浆料，用丝网印刷，将其印在导电玻璃上并在545℃焙烧1小时，重复印刷焙烧2次，然后将其浸渍在有机染料D131和钌染料N719摩尔比为1:3混合溶液中，10小时后取出，电极薄膜的颜色由白色变为红棕色；再把附着有电极薄膜的导电玻璃与对电极和注入的常规液态电解质溶液组装在一起，形成三明治结构的染料敏化太阳能电池。

所使用的液态电解质溶液采用常规的染料敏化太阳能电池电解质溶液0.05摩尔/升的碘单质，溶剂为液态乙腈。

实施例3

一种有机染料和钌染料协同敏化的太阳能电池的具体制备步骤为：

1）锡酸锌纳米晶薄膜的制备：将ZnCl₂和SnCl₄5H₂O按3：2的摩尔比溶解在水和乙醇的混合溶液中，乙醇的浓度为60%，混合后总溶质浓度为2摩尔/升，加入1.0摩尔/升的氢氧化钠溶液，氢氧化钠的加入量为乙醇和水总体积的1.0倍，磁力搅拌15分钟后将其置入聚四氟乙烯内衬的不锈钢反应釜中，在200℃反应24小时，经蒸馏水洗涤后室温干燥得到锡酸锌纳米晶；

2）染料敏化太阳能电池的组装：将制得的锡酸锌纳米晶和聚乙基纤维素制得浆料，用丝网印刷，将其印在导电玻璃上并在530℃焙烧2小时，重复印刷焙烧2次，然后将其浸渍在有机染料D131和钌染料N719摩尔比为1:2混合溶液中，8小时后取出，电极薄膜的颜色由白色变为红棕色；再把附着有电极薄膜的导电玻璃与对电极和注入的常规液态电解质溶液组装在一起，形成三明治结构的染料敏化太阳能电池。

所使用的液态电解质溶液采用常规的染料敏化太阳能电池电解质溶液。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。