一种用于染料敏化太阳能电池的可见光响应天然染料的制备方法

摘要

本发明公开了一种用于染料敏化太阳能电池的可见光响应天然染料的制备方法，是将含有可见光响应色素的植物原料粉碎后，与无水乙醇混合并进行超声与蒸发，从而获得。本发明的可见光响应天然染料由多种植物提取的天然色素按比例混合而成，与单一植物提取的天然色素相比，在可见光光谱范围内的吸收强度提高，所制作的染料敏化太阳能电池的光电转化效率也明显提升。

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于染料敏化太阳能电池的可见光响应天然染料的制备方法，属于太阳能电池技术领域。

背景技术

随着人类生存环境的不断恶化以及资源的紧缺，关于节能和减排的忧虑越来越紧迫，而太阳能资源因其绿色、无污染、资源丰富等特点引起国内外的广泛关注。作为新型太阳能电池研究热点之一的染料敏化太阳能电池以其低成本与相对简单的制作工艺引起了学者的注意。染料敏化太阳能电池是根据自然界中的光合作用所设计的，其是以纳米二氧化钛和光敏染料为主要原料，模拟自然界中植物利用太阳能进行光合作用，将太阳能转化为电能。

目前染料敏化太阳能电池所使用的敏化剂大部分是钌的各类配合物，制作成本高且对环境有一定的污染。天然染料敏化剂的原料来源于植物的茎叶或果皮等，因此不会对环境造成污染，且相比于传统的敏化剂来说制作成本低、提取工艺简单。但目前所用的天然染料敏化剂皆是由单一植物所提取，用于对染料敏化太阳能电池光阳极进行敏化时的效果并不理想。因此筛选不同的植物染料并探索其混合比例，以获取更大的光谱响应范围与更高的光电转化效率，具有重要意义。

发明内容

本发明提供一种用于染料敏化太阳能电池的可见光响应天然染料的制备方法，旨在通过筛选不同的植物染料并探索其混合比例，以提高电池的光谱响应效率。

本发明为实现目的，采用如下技术方案：

一种用于染料敏化太阳能电池的可见光响应天然染料的制备方法，包括如下步骤：

步骤1、将含有可见光响应色素的植物原料粉碎，得到植物粉末；

步骤2、将所述植物粉末与无水乙醇混合后进行超声与蒸发，即得到可见光响应天然染料。

优选的，步骤1中，所述可见光响应色素的响应波长为350～750nm。

优选的，步骤1中，所述可见光响应色素为叶绿素、花青素和红色素中的至少一种。

优选的，步骤1中，所述含有可见光响应色素的植物原料为菠菜和火龙果皮。

优选的，所述可见光响应天然染料是将火龙果皮制得的染料与菠菜制得的染料按照体积比4：1混合而成。

优选的，步骤1中，所述植物粉末的粒径为0.2～5mm。

优选的，步骤2中，所述植物粉末的质量与无水乙醇的体积比为1g:10mL。

优选的，步骤2中，所述超声是在避光且密封的条件下进行，所述超声的频率为40Hz、温度为23～27℃、时间为200min。

优选的，步骤2中，所述蒸发的温度为50-70℃、蒸发的时间为60min。

本发明的有益效果体现在：

本发明以无水乙醇为溶剂，利用无水乙醇对可见光响应色素的相似相容性，对植物原料中的可见光响应色素进行提取，提取效果好；且本发明的可见光响应天然染料由多种植物提取的天然色素按比例混合而成，与单一植物提取的天然色素相比，在可见光光谱范围内的吸收强度提高，所制作的染料敏化太阳能电池的光电转化效率也明显提升。

附图说明

图1为本发明实施例1和对比例1～2中染料吸收光谱对比图；

图2为本发明实施例1和对比例1～2中J-V曲线对比图。

具体实施方式

本发明提供了一种用于染料敏化太阳能电池的可见光响应天然染料的制备方法，包括如下步骤：

步骤1、将含有可见光响应色素的植物原料粉碎，得到植物粉末；

步骤2、将所述植物粉末与无水乙醇混合后进行超声与蒸发，即得到可见光响应天然染料。

本发明提供含有可见光响应色素的植物原料。在本发明中，所述可见光响应色素的响应波长优选为350～750nm。在本发明中，所述可见光响应色素优选为叶绿素、花青素和红色素中的至少一种。

本发明优选对于植物进行筛选和分类，将不同植物分为不同色系，对不同植物所含色素进行前期查询，选择含有可见光响应色素的植物原料。本发明对所述筛选和分类的方式没有特殊的限定，根据本领域公开的植物与所含色素种类筛选含有可见光响应色素的植物即可。在本发明中，所述植物原料优选为菠菜和火龙果。在本发明中所述菠菜优选为菠菜茎叶，所述火龙果优选为火龙果果皮。本发明对所述植物原料的来源没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的市售产品即可。

得到植物原料后，本发明将植物原料粉碎，得到植物粉末。本发明对所述粉碎的操作没有特殊的限定，能够将植物原料破碎至所需粒径范围即可。在本发明中，所述破碎方式优选为干燥后碾碎。在本发明中，所述植物粉末的粒径优选为0.2～5mm。

本发明优选在所述粉碎前将植物原料进行干燥。本发明对所述干燥的操作没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的植物干燥的技术方案即可。在本发明中，所述干燥优选为烘干。本发明对所述烘干的温度没有特殊的限定，能够使植物原料脱水且不损伤色素即可。在本发明中，所述烘干的温度优选为60℃。

在本发明中，所述超声在避光且密封的条件下进行。在本发明中，所述超声的频率优选为40Hz，所述超声的温度优选为25℃，所述超声的时间优选为200min。在本发明中，所述超声过程中实现了乙醇对可见光响应天然染料的充分溶解。在本发明中，所述密封能够避免提取的可见光响应天然染料的挥发；所述避光能够避免提取过程中可见光响应天然染料的分解和对可见光的吸收。

超声完成后，本发明优选将所述超声的产物依次进行静置﹑过滤和分离，得到可见光响应天然染料。在本发明中，所述静置的时间优选为60min。在本发明中，所述静置能够使较大颗粒沉淀，缩短过滤时间，提高过滤效果。

静置完成后，本发明优选将所述静置的产物进行过滤。本发明对所述过滤的操作没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的过滤的技术方案即可。

过滤完成后，本发明优选将所述过滤得到的滤液进行浓缩，得到可见光响应天然染料。本发明对所述浓缩的操作没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的去除挥发性溶剂的技术方案即可。在本发明中，所述浓缩操作优选为蒸发。本发明对所述蒸发的操作没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的蒸发无水乙醇的技术方案即可。在本发明中，所述蒸发的温度优选为50-70℃；所述蒸发的时间优选为60min。

本发明还提供了上述技术方案所述提取方法提取的可见光响应天然染料。在本发明中，所述可见光响应天然染料的响应波长优选为350～750nm。在本发明中，所述可见光响应天然染料包括一种或多种可见光响应色素，优选为2种。在本发明中，所述可见光响应色素优选包括叶绿素、花青素和红色素中的至少一种。

在本发明中，当所述植物原料为一种，且这种植物原料中只包括一种可见光响应色素时，提取的可见光响应天然染料为一种可见光响应色素；当所述植物原料为一种，且这种植物原料中包括多种可见光响应色素时，提取的可见光响应天然染料为多种可见光响应色素的混合物；当所述植物原料为多种时，提取的可见光响应天然染料为多种可见光响应色素的混合物。

本发明提供了上述技术方案所述可见光响应天然染料在染料敏化太阳能电池中的应用。在本发明中，将所述可见光响应天然染料单独用于浸染染料敏化太阳能电池的光阳极，或多种可见光响应天然染料按照比例混合后用于浸染染料敏化太阳能电池的光阳极。在本发明中，当所述从菠菜中提取的天然色素与火龙果皮中提取的天然色素混合后用于浸染染料敏化太阳能电池的光阳极时，所述火龙果皮中提取的天然色素与菠菜中提取的天然色素的体积比优选为4:1。

本发明对所述浸染的操作没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的浸染染料敏化太阳能电池光阳极的技术方案即可。在本发明中，所述菠菜中提取的天然色素与火龙果皮中提取的天然色素混合后浸染并组装的染料敏化太阳能电池对可见光的强烈吸收提高了染料敏化太阳能电池的光电转换效率。

为了进一步说明本发明，下面结合实施例对本发明提供的一种可见光响应天然染料及其提取方法和在染料敏化太阳能电池中的应用进行详细地描述，但不能将它们理解为对本发明保护范围的限定。

实施例1

将菠菜茎叶与火龙果果皮烘干后粉碎至1mm，分别称取菠菜与火龙果果皮粉末各4g置于烧杯中，分别量取乙醇溶剂各40mL倒入烧杯中，用密封膜对烧杯进行密封，之后把烧杯放在装有水温为25℃的自来水超声波中，不断更换超声波中的自来水，使其温度控制在23～27℃之间，以40Hz频率超声200min之后进行静置60min，过滤，所得滤液在60℃下进行蒸发分离60min。将火龙果果皮与菠菜茎叶的提取液按照体积比4：1的比例进行混合，得到可见光响应天然染料；

对比例1

本对比例按照实施例1相同的方法，仅对单一菠菜茎叶进行处理并获得相应提取液，作为可见光响应天然染料。

对比例2

本对比例按照实施例1相同的方法，仅对单一火龙果果皮进行处理并获得相应提取液，作为可见光响应天然染料。

将实施例1和对比例1～2中的天然染料进行测试，得到吸收光谱如图1所示。从图1可以看出，由菠菜茎叶与火龙果果皮的提取液混合而成的染料在436nm处吸收值为1.3023，与其它两种单一植物所提取的天然染料相比，对可见光的吸收效果更好。

分别用实施例1与对比例1、2获得的可见光响应天然染料浸染染料敏化太阳能电池的光电极，得到可见光响应染料敏化太阳能电池，并进行光电转化效率测试，得到J-V曲线如图2所示，性能参数如表1所示。从图2和表1可以看出，由菠菜与火龙果皮提取的混合染料敏化得到的光阳极所组装成的染料敏化太阳能电池的光电转化效率为0.2618％，与其它两种单一植物所提取的天然染料相比，光电转化效率明显提升。

表1

从以上对比例和实施例可以看出，本发明提供的提取与混合方法所获得的可见光响应天然染料，与单一植物提取的天然染料相比，在可见光光谱范围内的吸收强度提高，所制作的染料敏化太阳能电池的光电转化效率也明显提升。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，并非对本发明作任何形式上的限制。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。