一种通过电化学解吸附方法制备可排列多染料吸附层共敏化薄膜的方法

摘要

一种通过电化学解吸附方法制备可排列多染料吸附层共敏化薄膜的方法，方法为：（1）在导电玻璃基底上制备纳米多孔半导体薄膜；（2）将纳米多孔半导体薄膜浸入染料a溶液中，使薄膜完全吸附染料a；（3）以吸附染料a的纳米多孔半导体薄膜为工作电极，铂片作为解吸附电极；（4）将含有染料空白层的半导体薄膜浸入第二种染料b，使染料空白层吸附染料得到含有2个染料吸附层的共敏化薄膜；（5）重复步骤(3)和(4)可得到含多染料吸附层的共敏化薄膜。本发明优势在于:解决以往单靠染料吸附制备共敏化薄膜方法中存在的染料吸附时间、染料吸附量和染料空白层厚度之间的矛盾;通过控制电势分布深度可以调控每个染料吸附层的厚度。

说明书

技术领域

本发明属于电化学和纳米材料的交叉领域，尤其涉及一种通过电化学解吸附方法制备可排列多染料吸附层共敏化薄膜的方法。

背景技术

  1991年                                                教授研制出的新型光伏器件—染料敏化太阳电池为人类利用太阳能发电开辟了一个新领域。独特的结构设计和不寻常的光电转换模式使染料敏化太阳电池引起了广泛关注。 染料敏化太阳电池是一种多相光电化学体系，主要由导电玻璃、纳米多孔半导体薄膜、染料、电解质和铂对电极组成“夹心”结构。这几个部件中，厚度只有10 μm左右表面吸附染料的半导体薄膜（敏化薄膜）是电池实现光电能量转化的核心部件。光电子的产生、传输以及复合等重要光电能量转化过程都发生于此，这几个过程的动力学快慢决定着电池光电转化效率的高低。如何获得高性能的敏化薄膜一直是染料敏化太阳电池领域中的重点和难点问题。吸收光谱是影响染料敏化太阳电池性能的一个重要因素，半导体薄膜只吸收太阳光谱中的紫外部分，所以吸附半导体薄膜表面的染料性能决定了敏化薄膜的吸收范围和强度。由于一种染料只能吸收特定波长范围内的光，目前还没有一种染料可以较强的吸收从可见光区直至红外光区范围的光。例如常用的N719染料在400～600 nm短波区吸收较强而在600～900 nm的长波段吸收较弱。所以600 nm波段以上的入射光大部分不能被吸收而直接透过敏化薄膜，由此造成光能的直接损失。如果增加一种在400～600 nm短波区吸收较弱而600～900 nm的长波段吸收较强的染料，那么这两种染料构成的共敏化薄膜将在400～900 nm 波段大大提高对光的吸收利用，电池效率也将得到提升。共敏化的方法能够充分利用现有的染料，将几种不同种类的染料吸附在同一薄膜上实现染料吸收优势互补，拓宽了染料敏化太阳电池吸收光谱，提高了光电转化效率，现已成为染料敏化太阳电池领域一个研究热点。

共敏化薄膜制备难点在于如何能为每种染料提供一个厚度可控的半导体薄膜空白层同时又不能牺牲染料的吸附量。半导体薄膜浸泡染料方式是共敏化薄膜的主要制备方法，此方法只是被动的控制染料的吸附，不仅造成了染料吸附时间、吸附量和吸附深度之间的矛盾，而且很难通过此方法制备含有2个以上染料吸附层的共敏化薄膜。共敏化制备方法制约其结构的优化。由于目前制备方法难以自由的改变染料吸附层厚度、吸附层位置、染料吸附量和染料吸附层顺序，以致不能深入优化吸附层结构，导致薄膜共敏化效果不佳，限制了共敏化薄膜吸收光谱的进一步拓宽。因此，现阶段寻找制备共敏化薄膜新方法仍是此领域的首要任务。本发明制备的含2个以上染料吸附层且层厚度可调控，层位置可选择和层之间顺序可排列的宽光谱共敏化薄膜可以为染料敏化太阳电池提供一个强壮“心脏”，使电池光电转换效率得到进一步提高。

发明内容

本发明提供一种通过电化学解吸附方法制备可排列多染料吸附层共敏化薄膜的方法，旨在得到含有多个染料吸附层且每个吸附层厚度可以调控，吸附层位置可以排列的共敏化薄膜。

本发明制备共敏化薄膜包括如下步骤：

方法为：

（1）在导电玻璃基底上制备纳米多孔半导体薄膜；

（2）将纳米多孔半导体薄膜浸入染料a溶液中，使薄膜完全吸附染料a，纳米多孔半导体薄膜浸入染料溶液的时间一般为10-20小时，温度为25摄氏度；

（3）以吸附染料a的纳米多孔半导体薄膜为工作电极，铂片作为解吸附电极，饱和甘汞电极作为参比电极和铂环作为辅助电极组成四电极系统进行染料解吸附，通过控制施加负电势的大小、位置和持续时间使得负电势在薄膜内部只在一定距离内存在，存在电势的区域内，染料脱附下来形成一个没有染料吸附的空白层（染料解吸附层）；

（4）将含有染料空白层的半导体薄膜浸入第二种染料b，使染料空白层吸附染料得到含有2个染料吸附层的共敏化薄膜；

（5）重复步骤(3)和(4)可得到含多染料吸附层的共敏化薄膜。

所述纳米多孔半导体薄膜的最佳厚度在10-15微米，电池性能最佳。

所述染料有N719、N3、黑染料、Z907、Z910、Z955、K8、K19、K51、K73、HRS-1钌吡啶类配合物，锇吡啶类配合物，部花青、卟啉金属类配合物、二氢吲哚衍生物、香豆素衍生物有机染料，每种染料单独溶解在乙腈或乙醇中，浓度约为1.0×10^-3 -5.0×10^-4 M，构成一种染料溶液。

与现有制备共敏化薄膜技术相比，本发明优势在于:

[1]  解决以往单靠染料吸附制备共敏化薄膜方法中存在的染料吸附时间、染料吸附量和染料空白层厚度之间的矛盾;

[2]  通过控制电势分布深度可以调控每个染料吸附层的厚度;

[3]  通过改变电势施加位置就可以改变染料解吸附层的位置;

[4]  通过调节敏化顺序就可以排列各个染料层的顺序；

[5]  可以制备含2个以上染料吸附层的共敏化薄膜。

附图说明

图1 染料敏化薄膜解吸附系统。

具体实施方式

方式一：嵌入式制备共敏化薄膜，如图1所示，将TiO₂浆料印刷于导电基底1上部，通过510 ℃烧结30分钟形成15 μm厚度纳米多孔TiO₂薄膜。浸入染料a溶液中12小时后形成单种染料敏化TiO₂薄膜。以吸附染料a的TiO₂薄膜2作为工作电极，饱和甘汞电极3作为参比电极和铂环4作为辅助电极构成三电极染料解吸附系统，电解液为浓度0.3 M TBAPF₆和LiClO₄的乙腈溶液。负电势-1.5 V施加于导电基底1（定义为TiO₂薄膜2的前端）后，吸附在TiO₂薄膜2上的染料a会从导电基底1开始解吸附。施加电势时间10 分钟后，获得约10 μm染料空白层和5 μm染料a的吸附层。之后将薄膜浸入染料b中进行二次敏化，10 μm染料空白层吸附染料b，获得b/a型2层共敏化薄膜；再进行染料解吸附步骤，施加电势时间5 分钟后，获得约5 μm染料空白层、5 μm染料b的吸附层和5 μm染料a的吸附层，之后将薄膜浸入染料c中进行三次敏化，可以获得c/b/a型3层共敏化薄膜。

方式二：叠加式制备共敏化薄膜，如图1所示，将TiO₂浆料印刷于导电基底1上部，通过510 ℃烧结30分钟形成15 μm厚度纳米多孔TiO₂薄膜。浸入染料a溶液中12小时后形成单种染料敏化TiO₂薄膜。以吸附染料a的TiO₂薄膜2作为工作电极，饱和甘汞电极3作为参比电极、铂环4作为辅助电极和铂片5作为辅助解吸附电极构成四电极染料解吸附系统，电解液为浓度0.3 M TBAPF₆和LiClO₄的乙腈溶液。铂片5紧密接触TiO₂薄膜2的后端。负电势-1.5 V施加于铂片5后，吸附在TiO₂薄膜2上的染料a会从TiO₂薄膜2后端开始解吸附。施加电势时间10 分钟后，获得约10 μm染料空白层和5 μm染料a的吸附层。之后将薄膜浸入染料b中进行二次敏化，10 μm染料空白层吸附染料b，获得a/b型2层共敏化薄膜；再进行染料解吸附步骤，施加电势时间5 分钟后，获得约5 μm染料空白层、5 μm染料b的吸附层和5 μm染料a的吸附层，之后将薄膜浸入染料c中进行三次敏化，可以获得a/b/c型3层共敏化薄膜。

方式三：夹心式制备共敏化薄膜，如图1所示，将TiO₂浆料印刷于导电基底1上部，通过510 ℃烧结30分钟形成15 μm厚度纳米多孔TiO₂薄膜。浸入染料a溶液中12小时后形成单种染料敏化TiO₂薄膜。以吸附染料a的TiO₂薄膜2作为工作电极，饱和甘汞电极3作为参比电极、铂环4作为辅助电极和铂片5作为辅助解吸附电极构成四电极染料解吸附系统，电解液为浓度0.3 M TBAPF₆和LiClO₄的乙腈溶液。铂片5紧密接触TiO₂薄膜2的后端。负电势-1.5 V施加于导电基底1和铂片5后，吸附在TiO₂薄膜2上的染料a会从TiO₂薄膜2前端和后端开始解吸附。施加电势时间5 分钟后，获得两个约5 μm染料空白层和5 μm染料a的吸附层。之后将薄膜浸入染料b中进行二次敏化，两个5 μm染料空白层吸附染料b，获得b/a/b型3层共敏化薄膜。