一種染料敏化太陽(yáng)能電池光陽(yáng)極薄膜光散射層及其制備方法
【專(zhuān)利摘要】一種染料敏化太陽(yáng)能電池光陽(yáng)極薄膜光散射層及其制備方法。其特征在于用噴霧器將鈦源溶液（鈦源與溶劑的體積比為1:1～1:10）噴出霧化到預(yù)先加熱到一定溫度（400～550℃）的染料敏化太陽(yáng)能電池光陽(yáng)極薄膜上，通過(guò)熱分解鈦源生成二氧化鈦納米顆粒而制備光散射層。根據(jù)本發(fā)明制備的光散射層不但生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)單、成本低、所需設(shè)備簡(jiǎn)單、易于實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)，而且能夠顯著提高光陽(yáng)極薄膜對(duì)太陽(yáng)光的吸收，提高染料敏化太陽(yáng)能電池的光電轉(zhuǎn)換效率。
【專(zhuān)利說(shuō)明】一種染料敏化太陽(yáng)能電池光陽(yáng)極薄膜光散射層及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及太陽(yáng)能電池開(kāi)發(fā)與利用研究領(lǐng)域，具體涉及一種染料敏化太陽(yáng)能電池光陽(yáng)極薄膜光散射層及其制備方法，其特征在于用噴霧器將鈦源溶液(鈦源與溶劑的體積比為1:1?1:10)噴出霧化到預(yù)先加熱到一定溫度(400?550°C)的染料敏化太陽(yáng)能電池光陽(yáng)極薄膜上，通過(guò)熱分解鈦源生成二氧化鈦納米顆粒而制備光散射層。
【背景技術(shù)】
[0002]染料敏化太陽(yáng)電池主要是模仿光合作用原理而研制出來(lái)的一種新型太陽(yáng)能電池，與目前已經(jīng)商業(yè)化的硅基太陽(yáng)能電池相比，染料敏化太陽(yáng)能電池具有理論轉(zhuǎn)換效率高、原料豐富、材料穩(wěn)定、制作工藝簡(jiǎn)單、成本低等諸多優(yōu)點(diǎn)，在大面積工業(yè)化生產(chǎn)中具有較大的優(yōu)勢(shì)，被認(rèn)為是最有發(fā)展?jié)摿Φ奶?yáng)能電池之一。自1991年瑞士的M.Gratzc丨教授在染料敏化太陽(yáng)能電池研究取得突破性進(jìn)展以來(lái)，美國(guó)、日本、歐洲等發(fā)達(dá)國(guó)家和地區(qū)都投入了大量的資金進(jìn)行研發(fā)。目前，染料敏化太陽(yáng)能電池的最高轉(zhuǎn)換效率已經(jīng)達(dá)到了 13.1%。其中，由TiO2納米顆粒組成光陽(yáng)極薄膜既是染料附著的載體，又起著關(guān)鍵的分離和傳輸電荷的作用，是染料敏化太陽(yáng)能電池的核心組成部分之一。為了增大光陽(yáng)極薄膜的比表面積，提高染料的吸附量，TiO2納米顆粒的粒徑一般都比較小，約為20nm，但納米粒子的尺寸越小，透過(guò)率就越高，反而造成了太陽(yáng)光的浪費(fèi)。因此，有必要在光陽(yáng)極薄膜的外層制備由大粒徑的TiO2納米顆粒所組成的散射層，將透過(guò)內(nèi)層光陽(yáng)極薄膜的太陽(yáng)光反射回來(lái)再次被吸收利用，從而有效提高光陽(yáng)極薄膜的捕光效率，提高染料敏化太陽(yáng)能電池的光電轉(zhuǎn)換效率。
[0003]文獻(xiàn)“大粒徑TiO2反射層對(duì)染料敏化太陽(yáng)能電池性能改進(jìn)”(無(wú)機(jī)化學(xué)學(xué)報(bào)，2008，24 =2002-2006)使用大粒徑的TiO2納米顆粒制備了散射層，提高了對(duì)光的反射率。但該散射層的制備過(guò)程復(fù)雜，首先要用有機(jī)堿四甲基氫氧化銨做膠化劑制備大粒徑的TiO2納米顆粒，其次配制TiO2納米顆粒漿料，然后涂布漿料，最后還要經(jīng)過(guò)高溫?zé)崽幚聿拍塬@得散身寸層 ° 文獻(xiàn) “Dual - Function Scattering Layer of Submicrometer - Sized MesoporousTiO2Beads for High-Efficiency Dye-Sensitized Solar Cells，， (Advanced FunctionalMaterial, 2010, 20:1301-1305)報(bào)道了一種由亞微米級(jí)別的介孔結(jié)構(gòu)TiO2納米顆粒所組成的散射層，能夠有效提高染料敏化太陽(yáng)能電池的光電轉(zhuǎn)換效率。該散射層能夠在一定程度上提高光陽(yáng)極薄膜的捕光效率，但制備過(guò)程仍然十分復(fù)雜，需要依次經(jīng)歷溶膠凝膠-水熱反應(yīng)-過(guò)濾提取-制漿-印刷-熱處理等諸多步驟。以上及其它相關(guān)報(bào)道中，染料敏化太陽(yáng)能電池光陽(yáng)極薄膜散射層的制備基本要經(jīng)歷合成-提取-制漿-熱處理的復(fù)雜步驟，因此工藝流程復(fù)雜，不利用大規(guī)模生產(chǎn)應(yīng)用?；诒景l(fā)明的染料敏化太陽(yáng)能電池光陽(yáng)極薄膜光散射層及其制備方法，通過(guò)在光陽(yáng)極薄膜上直接熱分解霧化的鈦源即可完成，不但大大簡(jiǎn)化工藝流程，而且能夠顯著提高光陽(yáng)極薄膜對(duì)太陽(yáng)光的吸收，提高染料敏化太陽(yáng)能電池的光電轉(zhuǎn)換效率。
[0004]本發(fā)明開(kāi)發(fā)了一種染料敏化太陽(yáng)能電池光陽(yáng)極薄膜光散射層及其制備方法，制備工藝簡(jiǎn)單、制備條件溫和、成本低、所需設(shè)備簡(jiǎn)單、易于實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)。所制備的染料敏化太陽(yáng)能電池光陽(yáng)極薄膜光散射層能夠顯著提高光陽(yáng)極薄膜對(duì)太陽(yáng)光的吸收，提高染料敏化太陽(yáng)能電池的光電轉(zhuǎn)換效率。根據(jù)本發(fā)明制備的染料敏化太陽(yáng)能電池光陽(yáng)極薄膜光散射層，在組裝染料敏化太陽(yáng)能電池之后，獲得了 7.5%的光電轉(zhuǎn)換效率，與沒(méi)有制作光散射層的的染料敏化太陽(yáng)能電池相比，光電轉(zhuǎn)換效率提高了 23%。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的是提供一種染料敏化太陽(yáng)能電池光陽(yáng)極薄膜光散射層及其制備方法。其特征是用噴霧器將鈦源溶液(鈦源與溶劑的體積比為1:1?1:10)噴出霧化到預(yù)先加熱到一定溫度(400?550°C)的染料敏化太陽(yáng)能電池光陽(yáng)極薄膜上，通過(guò)熱分解鈦源生成二氧化鈦納米顆粒而制備光散射層。根據(jù)本發(fā)明制備的染料敏化太陽(yáng)能電池光陽(yáng)極薄膜光散射層，在組裝染料敏化太陽(yáng)能電池之后，獲得了 7.5%的光電轉(zhuǎn)換效率，與沒(méi)有制作光散射層的的染料敏化太陽(yáng)能電池相比，光電轉(zhuǎn)換效率提高了 23%。
[0006]本發(fā)明提供一種染料敏化太陽(yáng)能電池光陽(yáng)極薄膜光散射層及其制備方法。包括以下幾個(gè)步驟:
步驟1:在噴霧器中配制鈦源溶液(鈦源與溶劑的體積比為1:1?1:10)；
步驟2:將染料敏化太陽(yáng)能電池光陽(yáng)極薄膜加熱到400?550°C ；
步驟3:將鈦源溶液噴出霧化到預(yù)先加熱的染料敏化太陽(yáng)能電池光陽(yáng)極薄膜上，通過(guò)熱分解霧化的鈦源生成二氧化鈦納米顆粒而獲得光散射層。
[0007]其中鈦源是乙酰丙酮鈦、鈦酸四丁酯、鈦酸四乙酯、鈦酸四丙酯、四氯化鈦中的一種。
[0008]其中溶解鈦源的溶劑是乙醇或丙酮。
[0009]其中鈦源與溶劑的體積比為1:1?1:10，霧化熱解的溫度為400?550°C。
[0010]本發(fā)明的有益效果在于:提出了一種染料敏化太陽(yáng)能電池光陽(yáng)極薄膜光散射層及其制備方法。該光散射層通過(guò)在光陽(yáng)極薄膜上直接熱分解霧化的鈦源即可完成，不但大大簡(jiǎn)化工藝流程，而且制備條件溫和、成本低、所需設(shè)備簡(jiǎn)單、生產(chǎn)安全性強(qiáng)，易于實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)。所制備的染料敏化太陽(yáng)能電池光陽(yáng)極薄膜光散射層能夠顯著提高光陽(yáng)極薄膜對(duì)太陽(yáng)光的吸收，提高染料敏化太陽(yáng)能電池的光電轉(zhuǎn)換效率。根據(jù)本發(fā)明制備的染料敏化太陽(yáng)能電池光陽(yáng)極薄膜光散射層，在組裝染料敏化太陽(yáng)能電池之后，獲得了 7.5%的光電轉(zhuǎn)換效率，與沒(méi)有制作光散射層的的染料敏化太陽(yáng)能電池相比，光電轉(zhuǎn)換效率提高了 23%。
【專(zhuān)利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0011]下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步說(shuō)明。
[0012]圖1是包含根據(jù)本發(fā)明制備的光散射層的染料敏化太陽(yáng)能電池光陽(yáng)極薄膜結(jié)構(gòu)示意圖。從圖中可以看出，該染料敏化太陽(yáng)能電池光陽(yáng)極薄膜由三部分組成，分別是導(dǎo)電玻璃1、由小粒徑的TiO2納米顆粒所形成的光吸收層2，以及由大粒徑的TiO2納米顆粒所形成的光散射層3。
[0013]圖2是根據(jù)本發(fā)明制備的染料敏化太陽(yáng)能電池光陽(yáng)極薄膜光散射層的正面掃描電鏡圖。從圖中可以看出，形成光散射層的TiO2納米顆粒的粒徑為200納米左右。[0014]圖3是根據(jù)本發(fā)明制備的染料敏化太陽(yáng)能電池光陽(yáng)極薄膜光散射層的側(cè)面掃描電鏡圖。從圖中可以看出，光散射層與光吸收層之間沒(méi)有間隙，說(shuō)明光散射層與光吸收層的結(jié)合效果良好。
[0015]圖4是根據(jù)本發(fā)明制備的染料敏化太陽(yáng)能電池光陽(yáng)極薄膜光散射層的X射線衍射譜圖。從圖中可以看出，主要成分為T(mén)i02。
[0016]圖5是基于無(wú)光散射層的光陽(yáng)極薄膜所組裝的染料敏化太陽(yáng)能電池的光電流-光電壓曲線圖(曲線I)和基于本發(fā)明制備的染料敏化太陽(yáng)能電池光陽(yáng)極薄膜光散射層所組裝的染料敏化太陽(yáng)能電池的光電流-光電壓曲線圖(曲線2)。從圖中可以看出，基于本發(fā)明制備的染料敏化太陽(yáng)能電池光陽(yáng)極薄膜光散射層所組裝的染料敏化太陽(yáng)能電池的光電性能得到了明顯的改善。
【具體實(shí)施方式】
[0017]實(shí)施例1:以乙酰丙酮鈦為鈦源，以丙酮為溶劑，制備染料敏化太陽(yáng)能電池光陽(yáng)極薄膜光散射層。在噴霧器中預(yù)先加入IOOml丙酮，將10?IOOml的乙酰丙酮鈦攪拌下緩慢滴入噴霧器中，繼續(xù)攪拌5min后配制成鈦源溶液。將染料敏化太陽(yáng)能電池光陽(yáng)極薄膜置于加熱板上，加熱到400?550°C。將鈦源溶液噴出霧化到預(yù)先加熱的染料敏化太陽(yáng)能電池光陽(yáng)極薄膜上，熱分解霧化的鈦源，保溫時(shí)間lh，自然降溫后，即獲得光散射層。
[0018]實(shí)施例2:以鈦酸四丁酯為鈦源，以乙醇為溶劑，制備染料敏化太陽(yáng)能電池光陽(yáng)極薄膜光散射層。在噴霧器中預(yù)先加入IOOml乙醇，將10?IOOml的鈦酸四丁酯攪拌下緩慢滴入噴霧器中，繼續(xù)攪拌5min后配制成鈦源溶液。將染料敏化太陽(yáng)能電池光陽(yáng)極薄膜置于加熱板上，加熱到400?550°C。將鈦源溶液噴出霧化到預(yù)先加熱的染料敏化太陽(yáng)能電池光陽(yáng)極薄膜上，熱分解霧化的鈦源，保溫時(shí)間lh，自然降溫后，即獲得光散射層。
[0019]實(shí)施例3:以鈦酸四乙酯為鈦源，以乙醇為溶劑，制備染料敏化太陽(yáng)能電池光陽(yáng)極薄膜光散射層。在噴霧器中預(yù)先加入IOOml乙醇，將10?IOOml的鈦酸四乙酯攪拌下緩慢滴入噴霧器中，繼續(xù)攪拌5min后配制成鈦源溶液。將染料敏化太陽(yáng)能電池光陽(yáng)極薄膜置于加熱板上，加熱到400?550°C。將鈦源溶液噴出霧化到預(yù)先加熱的染料敏化太陽(yáng)能電池光陽(yáng)極薄膜上，熱分解霧化的鈦源，保溫時(shí)間lh，自然降溫后，即獲得光散射層。
[0020]實(shí)施例4:以鈦酸四丙酯為鈦源，以乙醇為溶劑，制備染料敏化太陽(yáng)能電池光陽(yáng)極薄膜光散射層。在噴霧器中預(yù)先加入IOOml乙醇，將10?IOOml的鈦酸四丙酯攪拌下緩慢滴入噴霧器中，繼續(xù)攪拌5min后配制成鈦源溶液。將染料敏化太陽(yáng)能電池光陽(yáng)極薄膜置于加熱板上，加熱到400?550°C。將鈦源溶液噴出霧化到預(yù)先加熱的染料敏化太陽(yáng)能電池光陽(yáng)極薄膜上，熱分解霧化的鈦源，保溫時(shí)間lh，自然降溫后，即獲得光散射層。
[0021]實(shí)施例5:以四氯化鈦為鈦源，以乙醇為溶劑，制備染料敏化太陽(yáng)能電池光陽(yáng)極薄膜光散射層。在噴霧器中預(yù)先加入IOOml乙醇，將IOml的四氯化鈦劇烈攪拌下緩慢滴入噴霧器中，繼續(xù)攪拌5min后配制成鈦源溶液。將染料敏化太陽(yáng)能電池光陽(yáng)極薄膜置于加熱板上，加熱到400?550°C。將鈦源溶液噴出霧化到預(yù)先加熱的染料敏化太陽(yáng)能電池光陽(yáng)極薄膜上，熱分解霧化的鈦源，保溫時(shí)間lh，自然降溫后，即獲得光散射層。
[0022]本發(fā)明所制備的染料敏化太陽(yáng)能電池光陽(yáng)極薄膜光散射層通過(guò)在光陽(yáng)極薄膜上直接熱分解霧化的鈦源即可獲得，不但大大簡(jiǎn)化工藝流程，而且制備條件溫和、成本低、所需設(shè)備簡(jiǎn)單、生產(chǎn)安全性強(qiáng)，易于實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)。所制備的染料敏化太陽(yáng)能電池光陽(yáng)極薄膜光散射層能夠顯著提高光陽(yáng)極薄膜對(duì)太陽(yáng)光的吸收，提高染料敏化太陽(yáng)能電池的光電轉(zhuǎn)換效率。
[0023]以上所述，僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已。并非對(duì)本發(fā)明作任何形式上的限制；凡熟悉本專(zhuān)業(yè)的普通技術(shù)人員均可按說(shuō)明書(shū)附圖和以上所述而順暢地實(shí)施本發(fā)明；但是，凡熟悉本專(zhuān)業(yè)的技術(shù)人員在不脫離本發(fā)明技術(shù)方案范圍內(nèi)，可利用以上所揭示的技術(shù)內(nèi)容而作出的些許更改、修飾與演變的等同變化，均為本發(fā)明的等效實(shí)施例；同時(shí)，凡依據(jù)本發(fā)明的實(shí)施技術(shù)對(duì)以上實(shí)施例所作的任何等同變化的更動(dòng)、修飾與演變等，均屬于本發(fā)明的技術(shù)方案的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.本發(fā)明的目的是提供一種染料敏化太陽(yáng)能電池光陽(yáng)極薄膜光散射層及其制備方法，其特征是用噴霧器將鈦源的乙醇溶液噴出霧化到預(yù)先加熱到一定溫度的染料敏化太陽(yáng)能電池光陽(yáng)極薄膜上，通過(guò)熱分解鈦源生成二氧化鈦納米顆粒而制備光散射層，該光散射層的制備包括以下幾個(gè)步驟: 步驟1:在噴霧器中配制鈦源溶液(鈦源與溶劑的體積比為1:1?1:10)； 步驟2:將染料敏化太陽(yáng)能電池光陽(yáng)極薄膜加熱到400?550°C ； 步驟3:將鈦源溶液噴出霧化到預(yù)先加熱的染料敏化太陽(yáng)能電池光陽(yáng)極薄膜上，通過(guò)熱分解霧化的鈦源生成二氧化鈦納米顆粒而獲得光散射層。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的染料敏化太陽(yáng)能電池光陽(yáng)極薄膜光散射層及其制備方法，其中鈦源是乙酰丙酮鈦、鈦酸四丁酯、鈦酸四乙酯、鈦酸四丙酯、四氯化鈦中的一種。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的染料敏化太陽(yáng)能電池光陽(yáng)極薄膜光散射層及其制備方法，其中溶解鈦源的溶劑是乙醇或丙酮。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的染料敏化太陽(yáng)能電池光陽(yáng)極薄膜光散射層及其制備方法，其中鈦源與溶劑的體積比為1:1?1:10，霧化熱解的溫度為400?550°C。
【文檔編號(hào)】H01G9/20GK103871749SQ201410103901
【公開(kāi)日】2014年6月18日 申請(qǐng)日期:2014年3月19日 優(yōu)先權(quán)日:2014年3月19日
【發(fā)明者】楊廣武, 賀冰, 苗程成, 郭文躍 申請(qǐng)人:中國(guó)石油大學(xué)(華東)