一种g-C3N4增强型太阳能电池的制造方法

摘要

本发明公开了一种g‑C3N4增强型太阳能电池的制造方法，该方法首先制备类石墨烯结构的C3N4(g‑C3N4)，后将g‑C3N4旋涂在棒状TiO2光阳极上，之后负载CdS量子点，并与对电极一起组装成量子点敏化太阳能电池。该方法利用了g‑C3N4增强光谱响应范围，同时降低了光生载流子复合的特点，提高了电池的开路电压和短路电流。光电转换增强效果明显，制备方法简单。

说明书

技术领域

本发明涉及一种增强型量子点敏化太阳能电池制备工艺过程，特别涉及一种类石墨烯结构的C3N4增强型太阳能电池的制造方法。

背景技术

太阳能是解决人类面临的环境问题和能源问题的理想新能源，目前人类已经开发出了多种太阳能电池结构。其中量子点敏化太阳能电池是以染料敏化太阳能电池为基础而构造的，包括透明导电玻璃，光阳极，光敏剂，电解质，对电极5个部分。作为新一代太阳能电池，量子敏化太阳能电池具有吸收广、多激子和稳定的优势吸引广泛的关注。

TiO2是最主要的光阳极材料，自从1991年首次使用在染料敏化太阳能电池之后，多种不同结构的TiO2被开发和应用在光阳极材料中。其中，以单晶棒状结构的TiO2光阳极结构性能最为突出，同时具有较好的载流子分离、传输的性质以及高的光子捕获能力。量子点材料主要为无极半导体，例如：CdS，CdSe，CdTe，PbS以及Bi2S3等。CdS是一种宽带隙半导体材料，室温下它的禁带宽度为2.42eV，具有优良的光电性能，而且CdS的光吸收系数高，非常适合作薄膜太阳能电池的吸收层。此外CdS的导带边与TiO2相比更高，有利于CdS被光照激发的电子注入。因此被广泛应用于量子点敏化太阳能电池的开发过程中。

但是，目前量子点敏化太阳能电池的转换效率还很低，面临电子、空穴对复合、光生电子传输的问题需要解决。在光阳极材料上引入一个阻挡层可有效的抑制电子与电解液的复合，如果此材料同时兼有合适的带隙能级，可进一步优化光生载流子的传输通道，大大提高电池转换效率。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提出一种g-C3N4增强型太阳能电池的制造方法。

本发明包括以下步骤：

1)、单晶棒状TiO2光阳极在透明导电玻璃(FTO)上的制备：

在透明导电玻璃(FTO)上沉积单晶棒状TiO2，控制TiO2纳米棒的长度、直径及密度；

2)、类石墨烯结构C3N4(g-C3N4)的制备：

用煅烧法制备类石墨烯结构的C3N4，调整g-C3N4分子结构大小以及微观片层结构厚度。

3)、g-C3N4片层结构旋涂在TiO2光阳极上：

将g-C3N4片层结构混合搅拌制备淡黄色的糊状浆料，之后旋涂在TiO2光阳极上，在450℃，保温半个小时，自然冷却至室温，取出备用。

4)、对电极制备：

制备CdS对电极材料，组装成量子点敏化太阳能电池。

本发明的有益效果是：

本发明在量子点敏化太阳能电池的光阳极上引入类石墨烯结构的C3N4，一方面g-C3N4可以作为阻挡层减少光生载流子的复合，另一方面通过调整g-C3N4的带隙能级，优化载流子的传输路径，提高量子点敏化太阳能电池的光电转换效率。

附图说明

图1为光阳极结构示意图。

具体实施方式

本发明包括以下步骤

1)、单晶棒状TiO2光阳极在透明导电玻璃(FTO)上的制备：

取15ml的浓盐酸，15ml的去离子水，0.5-0.7ml钛酸四丁酯，放在烧杯中混合均匀，然后和清洗干净的FTO玻璃倾斜放到聚四氟乙烯内衬反应釜中，在反应釜温度为150°的烘箱中加热反应12小时待反应釜空气中自然冷却后，将导电玻璃取出，用去离子水清洗，在导电玻璃的表面生成一层白色的薄膜，然后将样品在空气中经450°退火半小时，缓慢冷却后得到了金红石相二氧化钛纳米棒阵列。

2)、类石墨烯结构C3N4(g-C3N4)的制备：

三聚氰胺和尿素以质量比4：3的比例混合，放入研钵中，充分研磨得到白色的均匀混合物，将混合物移入坩埚中，加盖然后转移到马弗炉中煅烧，经x时间加热到550℃，其中x＝(550-室温)/10，在550℃条件下保温两小时，自然冷却至室温，得到淡黄色的团块固体，用研钵充分研磨得到粉末，得到g-C3N4。

3)、g-C3N4片层结构旋涂在TiO2光阳极上：

0.1g乙基纤维素，0.1g g-C3N4片层结构粉末，0.81125g松油醇，2.125ml无水乙醇加入25ml小烧杯中，搅拌和超声交替进行24小时，得到淡黄色的糊状浆料，使用匀胶机以4000r/min的转速将g-C3N4片层结构旋涂在TiO2光阳极上，60℃烘箱中保温二十分钟，然后转移到马弗炉中，以5℃/min的升温速度升至450℃，保温半个小时，自然冷却至室温，取出备用。如图1所示，为光阳极结构示意图。

4)、对电极制备：

1M的硫酸铜水溶液和1M的硫代硫酸钠水溶液以体积比为1:4的比例混合；用醋酸调节PH到2；洗净的FTO导电玻璃导电面向上，在70℃下浸泡3小时；用去离子水清洗，在空气中干燥；130℃空气中加热30分钟，取出，自然冷却至室温。

5)、配制多硫电解液

1、甲醇与去离子水按体积比7:3配制10mL混合溶液；

2、称取2.4g硫化钠药品,加入上面混合液中，配置1M的硫化钠溶液，超声至硫化钠完全溶解，得到均匀混合溶液；

3、称取0.32g升华硫，加入上述混合溶液，使硫的浓度为1M；超声1小时左右直至升华硫完全溶解，室温下密封保存待用。

6)、电池封装

用面积为7mm×7mm和厚度60μm的沙林膜作为隔开层，将阳极膜和CuS对电极隔开。用铁夹将两者固定紧并在电极间隙注入电解液，从而完成了电池组装。