專利名稱：：染料敏化太陽能電池光陽極的制備方法
技術領域：
：本發(fā)明涉及染料敏化太陽能電池光陽極的制備方法，屬于染料敏化太陽能電池材料領域。
背景技術：
：隨著世界人口的急劇增加，對能源的需求量也越來越大。在20世紀70年代爆發(fā)石油危機之后，太陽能的利用得到了長足的發(fā)展。太陽能作為一種可再生能源，具有其他能源所不可比擬的優(yōu)點。目前占太陽能電池主導市場的是單晶硅電池，作為近年來太陽能電池發(fā)展的最新成果，染料敏化納米晶薄膜太陽能電池(DSSC)展現(xiàn)了太陽能電池的一個新的發(fā)展方向。1991年瑞士Gr針zel等人利用聯(lián)吡啶釕配合物染料和納米多孔Ti02薄膜制備的染料敏化納米薄膜太陽電池，獲得了7.1%的光電轉換效率。這一突破性進展為研究染料敏化納米薄膜太陽電池開辟了新天地，特別是對未來工業(yè)化生產(chǎn)提供了新思路。該類型的太陽能電池主要由透明導電玻璃、納米Ti02多孔半導體薄膜、染料光敏化劑、電解質(zhì)和反電極組成。與目前在市場上占主要地位的硅太陽電池的昂貴生產(chǎn)成本和復雜的制備工藝相比，該電池最吸引人的特點是其廉價的原材料和相對簡單的制作工藝，且性能穩(wěn)定、衰減少，具有遠大的應用前景。國外已經(jīng)有澳大利亞Dyesol公司、英國的G24i公司和瑞士的Solaronix公司開始出售制備染料敏化太陽能電池的Ti02漿料、染料、電極及電解質(zhì)等電池材料，尤其是英國的G24i公司已經(jīng)開始小批量生產(chǎn)染料敏化太陽能電池商品。盡管我國在染料敏化納米晶太陽能電池的基礎研究方面及中試方面達到了國際的同等水平，但離產(chǎn)業(yè)化還有很長的路要走。尤其是電池材料基本上都是購買國外產(chǎn)品，沒有自主知識產(chǎn)權，這將對我國發(fā)展染料敏化太陽能電池是個嚴峻挑戰(zhàn)，其中Ti02納米晶薄膜電極(光陽極)的制備對電池效率的影響至關重要。在Ti02納米晶薄膜電極的制備過程中，Ti02晶體的粒徑大小、晶型構成、薄膜的孔隙率等都影響著電池的效率。目前制備Ti02納米晶體方法主要有水熱法、Sol-gd法等，其中以水熱法效果最好。文獻P.Wang，etc.J.Phys.Chem.B,107(2003)14336，報道了Ti02漿料水熱制備方法，該方法成本偏高，能量轉換效率只有7.2%，制備工藝有待進一步改善。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的在于提供一種成本低、能量轉換效率高的染料敏化太陽能電池光陽極的制備方法。本發(fā)明的染料敏化太陽能電池光陽極的制備方法，其步驟如下1)制備Ti02納米晶體漿料在有機鈦鹽溶液中滴加酸，有機鈦鹽和酸的重量比為4-5:1，然后將有機鈦鹽和酸的混合液倒入重量為有機鈦鹽用量4—5倍的水中，攪拌產(chǎn)生沉淀；再加入重量為有機鈦鹽用量0.05-0.1倍的酸，在60_85°。溫度下解溶至少60分鐘，得到泛藍光的透明溶膠；把透明溶膠放入鈦反應釜中，在200—25(TC下，反應10_24小時，旋轉蒸發(fā)除去水后加入成膜劑和分散溶劑，得到Ti02納米晶體漿料，漿料中Ti02重量含量為10—25%，成膜劑的重量含量為2—10%。2)制備Ti02光散射層漿料將粒徑為200-400nm的Ti02、成膜劑及分散劑混合，超聲形成漿料，使?jié){料中Ti02重量含量為20—35%，成膜劑重量含量為2—10%。3)制備光陽極清洗FTO電極，將清洗后的FTO電極在溫度為50—80°C、摩爾濃度為30—60mM的TiCU水溶液中浸泡20—60分鐘；然后在FTO電極上涂覆一層厚度為5—15拜的步驟l)制備的TK)2納米晶體漿料，于100—150"C溫度下干燥3—10分鐘；再涂覆一層厚度為2—10pm步驟2)制備的Ti02光散射層漿料，進行燒結，燒結程序為經(jīng)10分鐘升溫至325"C恒溫5分鐘，經(jīng)5分鐘升溫至375"C恒溫5分鐘，經(jīng)5分鐘升溫至45(TC恒溫15分鐘，最后經(jīng)5分鐘升溫至500'C恒溫15分鐘；取出燒結好的FTO電極，放入溫度為50—8(TC、摩爾濃度為30—60mM的TiCU水溶液中浸泡20—60分鐘，然后再經(jīng)30分鐘內(nèi)升溫至50(TC恒溫30分鐘。本發(fā)明制備過程中所用的酸可以為硝酸或乙酸，優(yōu)選硝酸。有機鈦鹽可以是鈦酸四異丙酯、四氯化鈦或鈦酸四丁酯，優(yōu)選鈦酸四異丙酯。成膜劑可采用分子量為20000的聚乙二醇(PEG20000)或乙基纖維素，優(yōu)選PEG20000。分散溶劑可采用2—乙基己醇或松油醇，優(yōu)選2—乙基己醇。透明溶膠在鈦反應釜中的優(yōu)選反應溫度為240°C，優(yōu)選反應時間為12小時。上述的粒徑為200-400nm的TiO2為商品化的TiO2產(chǎn)品。本發(fā)明的有益效果在于采用本發(fā)明方法制備染料敏化太陽能電池光陽極，原料易得，反應溫度較低，尤其用PEG20000和2-乙基己醇制備TiO2納米晶體漿料，可大大降低成本，同時提高能量轉換效率。具體實施例方式以下結合實施例進一步說明本發(fā)明。實施例11)制備Ti02納米晶體漿料在四氯化鈦溶液中滴加乙酸，四氯化鈦和乙酸的重量比為4:1，然后將四氯化鈦和乙酸的混合液倒入重量為四氯化鈦用量4.8倍的水中，攪拌產(chǎn)生沉淀；再加入重量為四氯化鈦用量0.05倍的硝酸，在8(TC溫度下解溶60分鐘，得到泛藍光的透明溶膠；把透明溶膠放入鈦反應釜中，在25(TC下，反應24小時，旋轉蒸發(fā)除去水后加入成膜劑PEG20000和分散溶劑松油醇，得到Ti02納米晶體漿料，漿料中Ti02重量含量為15%，PEG20000的重量含量為4.5%。2)制備Ti02光散射層漿料將粒徑為200nm的Ti02、PEG20000及松油醇混合，超聲形成漿料，使?jié){料中Ti02重量含量為30%，PEG20000的重量含量為8%。3)制備光陽極清洗FTO電極，將清洗后的FTO電極在溫度為70。C、摩爾濃度為40mM的TiCU水溶液中浸泡30分鐘；然后在FTO電極上涂覆一層厚度為10nm的Ti02納米晶體漿料，于125i:溫度下干燥6分鐘；再涂覆一層厚度為4拜的Ti02光散射層漿料，進行燒結，燒結程序為經(jīng)10分鐘升溫至325'C恒溫5分鐘，經(jīng)5分鐘升溫至375'C恒溫5分鐘，經(jīng)5分鐘升溫至450'C恒溫15分鐘，最后經(jīng)5分鐘升溫至500'C恒溫15分鐘；取出燒結好的FTO電極，放入溫度為50'C、摩爾濃度為30mM的TiCU水溶液中浸泡60分鐘，然后再經(jīng)30分鐘內(nèi)升溫至50(TC恒溫燒結30分鐘，得到光陽極。把高溫燒結好光陽極室溫浸泡入摩爾濃度為0.4mM的N719乙醇溶液中24小時，然后用乙醇沖洗表面，滴上一滴制備好的液體型電解質(zhì)(碘化鋰O.IM，1一丁基一3—甲基咪唑碘0.6M，碘0.1M，叔丁基吡啶0.5M,異硫氰酸胍0.1M,乙腈lml，碳酸乙烯酯lml)。用夾子把反電極鉑(采用電化學制備)與光陽極夾住。即可進行光伏性能測量。電池的光伏性能測量用的是陜西眾森電能科技有限公司生產(chǎn)的太陽能電池測試儀(XJCM-8Y)，光照強度為100mW/cm活性層面積為lcm本發(fā)明的光伏性能測試都是在室溫進行的。采用本例光陽極制備的染料敏化太陽能電池的光伏性能見表1。實施例21)制備Ti02納米晶體漿料在鈦酸四丁酯溶液中滴加乙酸，鈦酸四丁酯和乙酸的重量比為4.8:1，然后將鈦酸四丁酯和乙酸的混合液倒入重量為鈦酸四丁酯用量4.8倍的水中，攪拌產(chǎn)生沉淀；再加入重量為鈦酸四丁酯用量0.09倍的硝酸，在6(TC溫度下解溶100分鐘，得到泛藍光的透明溶膠；把透明溶膠放入鈦反應釜中，在20(TC下，反應24小時，旋轉蒸發(fā)除去水后加入成膜劑PEG20000和分散溶劑2-乙基已醇，得到Ti02納米晶體漿料，漿料中Ti02重量含量為16%，PEG20000的重量含量為4.5%。2)制備Ti02光散射層漿料將粒徑為200nm的Ti02、PEG20000及2-乙基己醇混合，超聲形成漿料，使?jié){料中Ti02重量含量為28%，PEG20000的重量含量為7%。3)制備光陽極清洗FTO電極，將清洗后的FTO電極在溫度為7(TC、摩爾濃度為40mM的TiCU水溶液中浸泡30分鐘；然后在FTO電極上涂覆一層厚度為10pm的Ti02納米晶體漿料，于125。C溫度下干燥6分鐘；再涂覆一層厚度為4^m的Ti02光散射層漿料，進行燒結，燒結程序為經(jīng)10分鐘升溫至325'C恒溫5分鐘，經(jīng)5分鐘升溫至375t:恒溫5分鐘，經(jīng)5分鐘升溫至45(TC恒溫15分鐘，最后經(jīng)5分鐘升溫至500'C恒溫15分鐘；取出燒結好的FTO電極，放入溫度為8(TC、摩爾濃度為30mM的TiCU水溶液中浸泡20分鐘，然后再經(jīng)30分鐘內(nèi)升溫至50(TC恒溫30分鐘，得到光陽極。采用本例光陽極制備的染料敏化太陽能電池的光伏性能見表1。實施例31)制備Ti02納米晶體漿料在鈦酸四異丙酯溶液中滴加乙酸，鈦酸四異丙酯和乙酸的重量比為4.8:1，然后將鈦酸四異丙酯和乙酸的混合液倒入重量為鈦酸四異丙酯用量4.8倍的水中，攪拌產(chǎn)生沉淀；再加入重量為鈦酸四異丙酯用量0.09倍的硝酸，在8(TC溫度下解溶70分鐘，得到泛藍光的透明溶膠；把透明溶膠放入鈦反應釜中，在24(TC下，反應12小時，旋轉蒸發(fā)除去水后加入成膜劑PEG20000和分散溶劑2-乙基已醇，得到Ti02納米晶體漿料，衆(zhòng)料中TiCb重量含量為16%,PEG20000的重量含量為4.5%。2)制備Ti02光散射層漿料將粒徑為200nm的Ti02、PEG20000及2-乙基已醇混合，超聲形成漿料，使?jié){料中Ti02重量含量為28%，PEG20000的重量含量為7%。3)制備光陽極清洗FTO電極，將清洗后的FTO電極在溫度為70'C、摩爾濃度為40mM的TiCU水溶液中浸泡35分鐘；然后在FTO電極上涂覆一層厚度為10pm的Ti02納米晶體漿料，于125'C溫度下干燥6分鐘；再涂覆一層厚度為4pm的Ti02光散射層漿料，進行燒結，燒結程序為經(jīng)10分鐘升溫至325-C恒溫5分鐘，經(jīng)5分鐘升溫至375'C恒溫5分鐘，經(jīng)5分鐘升溫至450'C恒溫15分鐘，最后經(jīng)5分鐘升溫至50(TC恒溫15分鐘；取出燒結好的FTO電極，放入溫度為7(TC、摩爾濃度為40mM的TiCU水溶液中浸泡35分鐘，然后再經(jīng)30分鐘內(nèi)升溫至500。C恒溫30分鐘，得到光陽極。采用本例光陽極制備的染料敏化太陽能電池的光伏性能見表1。實施例41)制備Ti02納米晶體漿料在鈦酸四異丙酯溶液中滴加乙酸，鈦酸四異丙酯和乙酸的重量比為4.88:1，然后將鈦酸四異丙酯和乙酸的混合液倒入重量為鈦酸四異丙酯用量4.9倍的水中，攪拌產(chǎn)生沉淀；再加入重量為鈦酸四異丙酯用量0.092倍的硝酸，在78"C溫度下解溶75分鐘，得到泛藍光的透明溶膠；把透明溶膠放入鈦反應釜中，在250'C下，反應12小時，旋轉蒸發(fā)除去水后加入成膜劑乙基纖維素和分散溶劑松油醇，得到Ti02納米晶體漿料，漿料中Ti02重量含量為16.2%，乙基纖維素的重量含量為4.5%。2)制備Ti02光散射層漿料將粒徑為400nm的Ti02、乙基纖維素及松油醇混合，超聲形成漿料，使槳料中Ti02重量含量為28.6%,乙基纖維素的重量含量為7.2%。3)制備光陽極清洗FTO電極，將清洗后的FTO電極在溫度為70。C、摩爾濃度為40mM的TiCU水溶液中浸泡30分鐘；然后在FTO電極上涂覆一層厚度為10pm的Ti02納米晶體漿料，于125'C溫度下干燥6分鐘；再涂覆一層厚度為4阿的Ti02光散射層漿料，進行燒結，燒結程序為經(jīng)10分鐘升溫至325'C恒溫5分鐘，經(jīng)5分鐘升溫至375。C恒溫5分鐘，經(jīng)5分鐘升溫至450'C恒溫15分鐘，最后經(jīng)5分鐘升溫至500。C恒溫15分鐘；取出燒結好的FTO電極，放入溫度為70。C、摩爾濃度為40mM的TiCU水溶液中浸泡30分鐘，然后再經(jīng)30分鐘內(nèi)升溫至50(TC恒溫燒結30分鐘，得到光陽極。采用本例光陽極制備的染料敏化太陽能電池的光伏性能見表1。表l光伏性能<table>complextableseeoriginaldocumentpage7</column></row><table>權利要求1、染料敏化太陽能電池光陽極的制備方法，其步驟如下1)制備TiO2納米晶體漿料在有機鈦鹽溶液中滴加酸，有機鈦鹽和酸的重量比為4-5∶1，然后將有機鈦鹽和酸的混合液倒入重量為有機鈦鹽用量4-5倍的水中，攪拌產(chǎn)生沉淀；再加入重量為有機鈦鹽用量0.05-0.1倍的酸，在60-85℃溫度下解溶至少60分鐘，得到泛藍光的透明溶膠；把透明溶膠放入鈦反應釜中，在200-250℃下，反應10-24小時，旋轉蒸發(fā)除去水后加入成膜劑和分散溶劑，得到TiO2納米晶體漿料，漿料中TiO2重量含量為10-25％，成膜劑的重量含量為2-10％。2)制備TiO2光散射層漿料將粒徑為200-400nm的TiO2、成膜劑及分散劑混合，超聲形成漿料，使?jié){料中TiO2重量含量為20-35％，成膜劑重量含量為2-10％。3)制備光陽極清洗FTO電極，將清洗后的FTO電極在溫度為50-80℃、摩爾濃度為30-60mM的TiCl4水溶液中浸泡20-60分鐘；然后在FTO電極上涂覆一層厚度為5-15μm的步驟1)制備的TiO2納米晶體漿料，于100-150℃溫度下干燥3-10分鐘；再涂覆一層厚度為2-10μm步驟2)制備的TiO2光散射層漿料，進行燒結，燒結程序為經(jīng)10分鐘升溫至325℃恒溫5分鐘，經(jīng)5分鐘升溫至375℃恒溫5分鐘，經(jīng)5分鐘升溫至450℃恒溫15分鐘，最后經(jīng)5分鐘升溫至500℃恒溫15分鐘；取出燒結好的FTO電極，放入溫度為50-80℃、摩爾濃度為30-60mM的TiCl4水溶液中浸泡20-60分鐘，然后再經(jīng)30分鐘內(nèi)升溫至500℃恒溫30分鐘。2、根據(jù)權利要求l所述的染料敏化太陽能電池光陽極的制備方法，其特征在于所說的酸為硝酸或乙酸。3、根據(jù)權利要求l所述的染料敏化太陽能電池光陽極的制備方法，其特征在于所說的有機鈦鹽為鈦酸四異丙酯、四氯化鈦或鈦酸四丁酯。4、根據(jù)權利要求l所述的染料敏化太陽能電池光陽極的制備方法，其特征在于成膜劑為分子量為20000的聚乙二醇或乙基纖維素。5、根據(jù)權利要求l所述的染料敏化太陽能電池光陽極的制備方法，其特征在于分散溶劑為松油醇或2—乙基己醇。全文摘要本發(fā)明公開的染料敏化太陽能電池光陽極的制備方法，其步驟包括TiO<sub>2</sub>納米晶體漿料制備、TiO<sub>2</sub>光散射層漿料制備及將TiO<sub>2</sub>納米晶體漿料和TiO<sub>2</sub>光散射層漿料涂覆在FTO電極上，經(jīng)燒結處理制得。采用本發(fā)明方法，原料易得，反應溫度較低，尤其用PEG20000和2-乙基己醇制備TiO<sub>2</sub>納米晶體漿料，可大大降低成本，同時提高能量轉換效率。文檔編號H01G9/20GK101345140SQ200810063389公開日2009年1月14日申請日期2008年8月12日優(yōu)先權日2008年8月12日發(fā)明者毛建衛(wèi),路勝利申請人:浙江科技學院