基于花状TiO2粉体及蓝绿色荧光C量子点的染料敏化太阳能电池光阳极的制备方法

摘要

基于花状TiO2粉体及蓝绿色荧光C量子点的染料敏化太阳能电池光阳极的制备方法，涉及太阳能电池光阳极的制备技术。为了解决现有技术制备的染料敏化太阳能电池的电池效率低的问题。采用溶剂热法制备花状TiO2粉体；制备基于花状TiO2粉体的染料敏化太阳能电池光阳极薄膜；将蓝绿色荧光C量子点滴于所述薄膜上，得到基于花状TiO2粉体及蓝绿色荧光C量子点的染料敏化太阳能电池光阳极。本发明所述的光阳极组成的染料敏化太阳能电池对太阳光的利用率高、光生电子的寿命长、能抑制光生载流子的复合、电子传递路径短、光电转换效率高及电池效率高。本发明适用于制备染料敏化太阳能电池光阳极。

说明书

技术领域

本发明涉及太阳能电池光阳极的制备技术。

背景技术

传统染料敏化太阳能电池对太阳光的利用率少，使得电池的吸收光谱与太阳光谱不匹配，限制了电池效率的提升。现有技术制备的染料敏化太阳能电池对太阳光利用率低、电子寿命较短、光生载流子易复合及电子传输路径长，导致电池效率低。现有技术中通常采用二氧化钛作为染料敏化太阳能电池光阳极材料。

改变TiO₂形貌使得其有适用于染料敏化太阳能电池的可能，近年来，零维TiO₂得到深入研究。与零维纳米颗粒相比，一维、二维纳米材料具有更大的比表面积、独特的光学和电学特性以及便于电子传输的几何特征等优势。在各种不同形貌的纳米材料中，一维纳米结构的纳米线、纳米棒以及纳米管和二维纳米结构的纳米片等不同形状的TiO₂引起人们的广泛关注，在光催化、太阳能电池、传感器等方面得到广泛应用。

发明内容

本发明是为了解决现有技术制备的染料敏化太阳能电池的电池效率低的问题，从而提供基于花状TiO₂粉体及蓝绿色荧光C量子点的染料敏化太阳能电池光阳极的制备方法。

本发明所述的基于花状TiO₂粉体及蓝绿色荧光C量子点的染料敏化太阳能电池光阳极的制备方法，该方法包括以下步骤：

步骤一、采用溶剂热法制备花状TiO₂粉体：

将2mL～10mL钛酸四丁酯和1mL～5mL浓盐酸混合，并剧烈搅拌，得到混合溶液；

将所述混合溶液逐滴加入到15mL～30mL油酸中，剧烈搅拌10min～50min，得到混合物；

将所述混合物放置于密封的水热釜中，然后将水热釜放置于温度为160℃～200℃的环境中4小时～20小时，再自然冷却至室温，得到反应物；

离心所述反应物，得到白色的沉淀物，离心速度为3000rpm～15000rpm；

洗涤所述沉淀物2次～5次，然后将沉淀物置于100℃的真空干燥箱中1小时～5小时，得到干燥物；

将所述干燥物放置于温度为300℃～600℃的马弗炉中煅烧0.5小时～6小时，再自然冷却至室温，即得到花状TiO₂粉体；

步骤二、将步骤一得到的花状TiO₂粉体与乙基纤维素、松油醇和乙醇混合，搅拌均匀，得到浆料一，花状TiO₂粉体、乙基纤维素、松油醇和乙醇的质量比为1：0.3～1.0：2～7：2～5；

将二氧化钛P25与乙基纤维素、松油醇和乙醇混合，搅拌均匀，得到浆料二，二氧化钛P25、乙基纤维素、松油醇和乙醇的质量比为1：0.3～1.0：2～7：2～5；

采用250目丝网将浆料一和浆料二印刷在FTO导电玻璃(FTO导电玻璃为掺杂氟的SnO₂透明导电玻璃)上，共印刷六层，每层使用浆料一或浆料二印刷，并且至少一层用浆料一印刷，至少一层用浆料二印刷，丝网的有效面积是16cm²，得到薄膜；

将所述薄膜置于马弗炉中，以1℃/分钟的升温速率升至200℃～600℃，保温0.1小时～1小时，再自然冷却至室温，即得到基于花状TiO₂粉体的染料敏化太阳能电池光阳极薄膜；

步骤三、将步骤二得到的基于花状TiO₂粉体的染料敏化太阳能电池光阳极薄膜置于温度为80℃～150℃的环境中10min～50min，拿出后趁热将1μL～20μL的蓝绿色荧光C量子点滴于所述薄膜上，静置10min～30min，即得到基于花状TiO₂粉体及蓝绿色荧光C量子点的染料敏化太阳能电池光阳极。

C量子点具有荧光性能，可作为光转换媒介。采用本发明所述的方法得到了染料敏化太阳能电池光阳极，与传统的染料敏化光阳极组成的染料敏化太阳能电池相比，本发明所述的光阳极组成的染料敏化太阳能电池具有以下优势：

1、通过溶剂热法得到的花状TiO₂纳米粉体，改变了TiO₂的形貌，同时这种纳米粉体延长了光生电子的寿命，并能抑制光生载流子的复合，避免了界面复合，有利于电池性能的提高。

2、蓝绿色荧光C量子点的引入增强了染料敏化太阳能电池光阳极对太阳光的利用率，提高了电池对太阳光的捕获效率。

3、基于花状TiO₂粉体及蓝绿色荧光C量子点的染料敏化太阳能电池光阳极的电池能够缩短电子传递路径，延长电池中载流子寿命，减小暗电流，有利于提高电池效率。

4、基于花状TiO₂粉体及蓝绿色荧光C量子点的染料敏化太阳能电池光阳极的电池加快了电子的传输，提高电池的光电转换效率。

5、基于花状TiO₂粉体及蓝绿色荧光C量子点的染料敏化太阳能电池光阳极电池的光电流与传统染料敏化太阳能电池相比提高了10.7％，电池效率达8.1％，而传统染料敏化太阳能电池的电池效率仅为7.2％。

本发明适用于制备染料敏化太阳能电池光阳极。

附图说明

图1为实施方式一制备的花状TiO₂粉体的扫描电镜图。

图2为实施方式一制备的基于花状TiO₂粉体的染料敏化太阳能电池光阳极薄膜的扫描电镜图。

图3为实施方式一制备的花状TiO₂粉体的XRD谱图。

图4为实施方式一中蓝绿色荧光C量子点的荧光激发谱图。

图5为实施方式一中蓝绿色荧光C量子点的不同激发波长的荧光发射谱图。

图6为基于二氧化钛P25的光阳极电池和基于花状TiO₂粉体及蓝绿色荧光C量子点的染料敏化太阳能电池光阳极电池，在模拟1.5G太阳光下的短路电流与开路电压曲线图。

图7为基于二氧化钛P25的光阳极电池和基于花状TiO₂粉体及蓝绿色荧光C量子点的染料敏化太阳能电池光阳极电池，在暗态下的短路电流与开路电压曲线图。

图8为基于二氧化钛P25的光阳极电池和基于花状TiO₂粉体及蓝绿色荧光C量子点的染料敏化太阳能电池光阳极电池的开路电压衰减曲线图。

图9为基于二氧化钛P25的光阳极电池和基于花状TiO₂粉体及蓝绿色荧光C量子点的染料敏化太阳能电池光阳极电池的电子寿命曲线图。

图10为基于花状TiO₂粉体及蓝绿色荧光C量子点的染料敏化太阳能电池光阳极增大电子传输速度的原理示意图。

具体实施方式

具体实施方式一：参照图1至图10具体说明本实施方式，基于花状TiO₂粉体及蓝绿色荧光C量子点的染料敏化太阳能电池光阳极的制备方法，该方法包括以下步骤：

步骤一、采用溶剂热法制备花状TiO₂粉体：

将2mL～10mL钛酸四丁酯和1mL～5mL浓盐酸混合，并剧烈搅拌，得到混合溶液；

将所述混合溶液逐滴加入到15mL～30mL油酸中，剧烈搅拌10min～50min，得到混合物；

将所述混合物放置于密封的水热釜中，然后将水热釜放置于温度为160℃～200℃的环境中4小时～20小时，再自然冷却至室温，得到反应物；

离心所述反应物，得到白色的沉淀物，离心速度为3000rpm～15000rpm；

洗涤所述沉淀物2次～5次，然后将沉淀物置于100℃的真空干燥箱中1小时～5小时，得到干燥物；

将所述干燥物放置于温度为300℃～600℃的马弗炉中煅烧0.5小时～6小时，再自然冷却至室温，即得到花状TiO₂粉体；

步骤二、将步骤一得到的花状TiO₂粉体与乙基纤维素、松油醇和乙醇混合，搅拌均匀，得到浆料一，花状TiO₂粉体、乙基纤维素、松油醇和乙醇的质量比为1：0.3～1.0：2～7：2～5；

将二氧化钛P25与乙基纤维素、松油醇和乙醇混合，搅拌均匀，得到浆料二，二氧化钛P25、乙基纤维素、松油醇和乙醇的质量比为1：0.3～1.0：2～7：2～5；

采用250目丝网将浆料一和浆料二印刷在FTO导电玻璃上，共印刷六层，每层使用浆料一或浆料二印刷，并且至少一层用浆料一印刷，至少一层用浆料二印刷，丝网的有效面积是16cm²，得到薄膜；

将所述薄膜置于马弗炉中，以1℃/分钟的升温速率升至200℃～600℃，保温0.1小时～1小时，再自然冷却至室温，即得到基于花状TiO₂粉体的染料敏化太阳能电池光阳极薄膜；

步骤三、将步骤二得到的基于花状TiO₂粉体的染料敏化太阳能电池光阳极薄膜置于温度为80℃～150℃的环境中10min～50min，拿出后趁热将1μL～20μL的蓝绿色荧光C量子点滴于所述薄膜上，静置10min～30min，即得到基于花状TiO₂粉体及蓝绿色荧光C量子点的染料敏化太阳能电池光阳极。

步骤一种160℃～200℃的高温环境及步骤三中80℃～150℃的高温环境采用烘箱实现。

图1为花状TiO₂粉体的扫描电镜图，可以看出，花状TiO₂粉体为球状，并由纳米棒组成。

图2为基于花状TiO₂粉体的染料敏化太阳能电池光阳极薄膜的扫描电镜图，与图1相比图2中花状TiO₂粉体的球状粒径减小，棒状散在薄膜表面。

图3为花状TiO₂粉体的XRD谱图，图a为花状TiO₂粉体的XRD谱图，图b为金红石相TiO₂标准谱图，可看出花状TiO₂为金红石相。

图4为蓝绿色荧光C量子点的荧光激发谱图，激发光谱范围为300nm～480nm。

图5为蓝绿色荧光C量子点的不同激发波长的荧光发射谱图，可看出随激发波长的增大，发射光红移，激发波长为400nm和440nm时，发射光最强，最大发射波长分别为500nm和518nm，为绿光。

图6为基于二氧化钛P25的光阳极电池和基于花状TiO₂粉体及蓝绿色荧光C量子点的染料敏化太阳能电池光阳极电池，在模拟1.5G太阳光下的短路电流与开路电压曲线，图中■表示基于二氧化钛P25的光阳极电池的短路电流与开路电压曲线，图中●表示基于花状TiO₂粉体及蓝绿色荧光C量子点的染料敏化太阳能电池光阳极电池的短路电流与开路电压曲线，图6证实了基于花状TiO₂粉体及蓝绿色荧光C量子点的染料敏化太阳能电池光阳极电池能够增加短路电流和开路电压，从而提高电池的光电转化效率。

图7为基于二氧化钛P25的光阳极电池和基于花状TiO₂粉体及蓝绿色荧光C量子点的染料敏化太阳能电池光阳极电池，在暗态下的短路电流与开路电压曲线图，图中■表示基于二氧化钛P25的光阳极电池的短路电流与开路电压曲线图，图中●表示基于花状TiO₂粉体及蓝绿色荧光C量子点的染料敏化太阳能电池光阳极电池的短路电流与开路电压曲线图，图7证实了基于花状TiO₂粉体及蓝绿色荧光C量子点的染料敏化太阳能电池光阳极电池能够抑制光生载流子的复合反应，有利于提高电池性能。

图8为基于二氧化钛P25的光阳极电池和基于花状TiO₂粉体及蓝绿色荧光C量子点的染料敏化太阳能电池光阳极电池的开路电压衰减曲线图，图中■表示基于二氧化钛P25的光阳极电池的开路电压衰减曲线图，图中●表示基于花状TiO₂粉体及蓝绿色荧光C量子点的染料敏化太阳能电池光阳极电池的开路电压衰减曲线图，图8证实了基于花状TiO₂粉体及蓝绿色荧光C量子点的染料敏化太阳能电池光阳极电池的开路电压衰减较缓慢。

图9为基于二氧化钛P25的光阳极电池和基于花状TiO₂粉体及蓝绿色荧光C量子点的染料敏化太阳能电池光阳极电池的电子寿命曲线图，图中■表示基于二氧化钛P25的光阳极电池的电子寿命曲线图，图中●表示基于花状TiO₂粉体及蓝绿色荧光C量子点的染料敏化太阳能电池光阳极电池的电子寿命曲线图，图9证实了基于花状TiO₂粉体及蓝绿色荧光C量子点的染料敏化太阳能电池光阳极电池中载流子的寿命增加了。

图10为基于花状TiO₂粉体及蓝绿色荧光C量子点的染料敏化太阳能电池光阳极增大电子传输速度的原理示意图。

具体实施方式二：本实施方式是对具体实施方式一所述的基于花状TiO₂粉体及蓝绿色荧光C量子点的染料敏化太阳能电池光阳极的制备方法作进一步说明，本实施方式中，步骤一中，所述钛酸四丁酯与浓盐酸的体积比为2：1。

具体实施方式三：本实施方式是对具体实施方式一所述的基于花状TiO₂粉体及蓝绿色荧光C量子点的染料敏化太阳能电池光阳极的制备方法作进一步说明，本实施方式中，步骤一中，所述水热釜的容积为50mL。

具体实施方式四：本实施方式是对具体实施方式一所述的基于花状TiO₂粉体及蓝绿色荧光C量子点的染料敏化太阳能电池光阳极的制备方法作进一步说明，本实施方式中，步骤一中，将水热釜放置于温度为180℃的环境中10小时。

具体实施方式五：本实施方式是对具体实施方式一所述的基于花状TiO₂粉体及蓝绿色荧光C量子点的染料敏化太阳能电池光阳极的制备方法作进一步说明，本实施方式中，步骤一中，离心所述反应物，得到白色的沉淀物，离心速度为3000rpm～15000rpm；

洗涤所述沉淀物3次，然后将沉淀物置于100℃的真空干燥箱中4小时，得到干燥物；

将所述干燥物放置于温度为500℃的马弗炉中煅烧2小时。

具体实施方式六：本实施方式是对具体实施方式一所述的基于花状TiO₂粉体及蓝绿色荧光C量子点的染料敏化太阳能电池光阳极的制备方法作进一步说明，本实施方式中，步骤一中，采用去离子水或无水乙醇洗涤沉淀物。

具体实施方式七：本实施方式是对具体实施方式一所述的基于花状TiO₂粉体及蓝绿色荧光C量子点的染料敏化太阳能电池光阳极的制备方法作进一步说明，本实施方式中，步骤二中，花状TiO₂粉体、乙基纤维素、松油醇、乙醇的质量比为1：0.5：4.06：2.22，二氧化钛P25、乙基纤维素、松油醇和乙醇的质量比为1：0.5：4.06：2.22。

具体实施方式八：本实施方式是对具体实施方式一所述的基于花状TiO₂粉体及蓝绿色荧光C量子点的染料敏化太阳能电池光阳极的制备方法作进一步说明，本实施方式中，步骤二中，所述印刷六层，其中第一至五层采用浆料二印刷，第六层采用浆料一印刷。

具体实施方式九：本实施方式是对具体实施方式一所述的基于花状TiO₂粉体及蓝绿色荧光C量子点的染料敏化太阳能电池光阳极的制备方法作进一步说明，本实施方式中，步骤二中，以1℃/分钟的升温速率升至500℃，保温0.5小时。

具体实施方式十：本实施方式是对具体实施方式一所述的基于花状TiO₂粉体及蓝绿色荧光C量子点的染料敏化太阳能电池光阳极的制备方法作进一步说明，本实施方式中，步骤三中，将步骤二得到的基于花状TiO₂粉体的染料敏化太阳能电池光阳极薄膜置于温度为100℃的环境中20min。