本申請(qǐng)涉及染料敏化太陽(yáng)能電池領(lǐng)域，尤其涉及一種包含優(yōu)化結(jié)構(gòu)光電極的染料敏化太陽(yáng)能電池。
背景技術(shù)：
為了促進(jìn)未來(lái)社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展，太陽(yáng)能等可再生綠色能源的研究和利用對(duì)解決環(huán)境污染和能量短缺有著重要的意義。隨著不同材料體系電池的出現(xiàn)和優(yōu)化，光伏器件的能量轉(zhuǎn)換效率逐步提高。
近年來(lái)將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為電能的研究發(fā)展很快，作為太陽(yáng)能電池，已知有單晶硅太陽(yáng)能電池、多晶硅太陽(yáng)能電池、非晶硅太陽(yáng)能電池、化合物半導(dǎo)體太陽(yáng)能電池等。近年來(lái)，單晶硅太陽(yáng)能電池、多晶硅太陽(yáng)能電池等硅類太陽(yáng)能電池是主流。
但是，硅類太陽(yáng)能電池需要高純度的硅材料，而且需要在高溫和高真空下進(jìn)行制造，所以制造成本高。于是，近年來(lái)，染料敏化型太陽(yáng)能電池受到關(guān)注。染料敏化型太陽(yáng)能電池因結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單所以能夠容易地制造，作為構(gòu)成材料也能夠從豐富的材料中選擇，并且具有較高的光電轉(zhuǎn)換效率。染料敏化太陽(yáng)能電池的優(yōu)點(diǎn)十分突出：1、制作簡(jiǎn)單，成本低；2、所使用的染料敏化劑可以在很低的光能量下達(dá)到飽和，因此可在各種光照條件下使用；3、可以在很寬的溫度范圍內(nèi)正常工作；4、可以制成透明的產(chǎn)品，應(yīng)用于門窗、屋頂以及汽車頂。因此其迅速成為世界各國(guó)的研究重點(diǎn)和熱點(diǎn)，取得了豐富的成果。
染料敏化太陽(yáng)能電池從最開(kāi)始的實(shí)驗(yàn)室研究已經(jīng)發(fā)展到向產(chǎn)業(yè)化過(guò)渡的階段，在現(xiàn)有技術(shù)的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步提高效率、降低成本、提高穩(wěn)定性，最終實(shí)現(xiàn)工業(yè)化是必然的發(fā)展趨勢(shì)。
染料敏化太陽(yáng)能電池作為第三代太陽(yáng)能電池，是目前最有潛力的硅太陽(yáng)能電池廉價(jià)替代物，它以廉價(jià)的寬帶隙氧化物半導(dǎo)體制備成具有多孔結(jié)構(gòu)、高比表面積的納米晶薄膜，薄膜上吸附光敏染料，并選用適當(dāng)?shù)难趸€原電解質(zhì)，利用染料來(lái)俘獲太陽(yáng)光。
現(xiàn)階段的染料敏化太陽(yáng)能電池中，其光陽(yáng)極一般由tio2納米顆粒構(gòu)成，相比其它氧化物半導(dǎo)體材料，其可以得到更好的光電性能；而在影響光電性能的因素中，tio2電極的比表面積、光捕獲效率和載流子遷移率是三個(gè)重要的因素，當(dāng)tio2納米顆粒的粒徑越小時(shí)，其比表面積越大，但是小顆粒的tio2不僅會(huì)增加電子的傳輸路徑，提高光生電子的復(fù)合，而且光利用率低，因此開(kāi)發(fā)一種能夠同時(shí)兼?zhèn)涓弑缺砻娣e和高散射能力的tio2材料具有積極意義。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
在現(xiàn)有技術(shù)的基礎(chǔ)上，本發(fā)明旨在提供一種包含優(yōu)化結(jié)構(gòu)光電極的染料敏化太陽(yáng)能電池，以解決上述提出問(wèn)題。
本發(fā)明的實(shí)施例中提供了一種包含優(yōu)化結(jié)構(gòu)光電極的染料敏化太陽(yáng)能電池，該染料敏化太陽(yáng)能電池包括光陽(yáng)極、對(duì)電極和電解液層，光陽(yáng)極和對(duì)電極隔著電解液層相對(duì)設(shè)置；所述光陽(yáng)極，在fto基底上設(shè)置tio2納米棒層，在tio2納米棒層上涂覆tio2顆粒層。
本發(fā)明的實(shí)施例提供的技術(shù)方案可以包括以下有益效果：
本發(fā)明的染料敏化太陽(yáng)能電池包括光陽(yáng)極、對(duì)電極和電解液層，光陽(yáng)極和對(duì)電極隔著電解液層相對(duì)設(shè)置；所述光陽(yáng)極，在fto基底上設(shè)置tio2納米棒層，在tio2納米棒層上涂覆tio2顆粒層：
1.在tio2顆粒層中，包括tio2顆粒和銀包tio2顆粒，其能夠形成維連續(xù)的孔結(jié)構(gòu)，具有高的比表面積和易擴(kuò)散網(wǎng)絡(luò)通道的作用，能夠?yàn)槿玖戏肿訚B入到tio2顆粒層的深處提供理想的通道，從而使光陽(yáng)極能夠有效的吸附染料分子，其次，電解質(zhì)溶液能夠通過(guò)這些孔結(jié)構(gòu)及時(shí)有效的還原氧化態(tài)的染料，保證電池循環(huán)有效的持續(xù)進(jìn)行；
2.在tio2顆粒層與fto基底之間設(shè)有tio2納米棒層，該tio2納米棒能夠同時(shí)與fto基底和tio2顆粒層相接觸，并且提供了電子傳輸?shù)耐ǖ?，同時(shí)，tio2納米棒與tio2顆粒同屬tio2材料，有效提高了電子傳輸?shù)倪B通性。
本申請(qǐng)附加的方面和優(yōu)點(diǎn)將在下面的描述中部分給出，部分將從下面的描述中變得明顯，或通過(guò)本申請(qǐng)的實(shí)踐了解到。應(yīng)當(dāng)理解的是，以上的一般描述和后文的細(xì)節(jié)描述僅是示例性和解釋性的，并不能限制本申請(qǐng)。
附圖說(shuō)明
利用附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明，但附圖中的實(shí)施例不構(gòu)成對(duì)本發(fā)明的任何限制，對(duì)于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員，在不付出創(chuàng)造性勞動(dòng)的前提下，還可以根據(jù)以下附圖獲得其它的附圖。
圖1是本發(fā)明染料敏化太陽(yáng)能電池的結(jié)構(gòu)示意圖；
其中，1-光陽(yáng)極，2-對(duì)電極，3-電解液層，4-fto基底，5-tio2納米棒層，6-tio2顆粒層。
具體實(shí)施方式
這里將詳細(xì)地對(duì)示例性實(shí)施例進(jìn)行說(shuō)明，其示例表示在附圖中。下面的描述涉及附圖時(shí)，除非另有表示，不同附圖中的相同數(shù)字表示相同或相似的要素。以下示例性實(shí)施例中所描述的實(shí)施方式并不代表與本發(fā)明相一致的所有實(shí)施方式。相反，它們僅是與如所附權(quán)利要求書中所詳述的、本發(fā)明的一些方面相一致的裝置和方法的例子。
本申請(qǐng)的實(shí)施例涉及一種包含優(yōu)化結(jié)構(gòu)光電極的染料敏化太陽(yáng)能電池，如圖1所示，該染料敏化太陽(yáng)能電池包括光陽(yáng)極1、對(duì)電極2和電解液層3，光陽(yáng)極1和對(duì)電極2隔著電解液層3相對(duì)設(shè)置；該對(duì)電極2是在fto基底表面印刷鉑電極形成的；該電解液制備過(guò)程為：稱取一定量的乙腈溶液，向其中加入0.1m的碘化鋰，0.1m的單質(zhì)碘，0.6m的4-叔丁基吡啶和0.6m的四丁基碘化銨，然后避光超聲10min，磁力攪拌，使其充分溶解。
所述光陽(yáng)極1，如圖1所示，在fto基底4上設(shè)置tio2納米棒層5，在tio2納米棒層5上涂覆tio2顆粒層6，由于在tio2納米棒之間存在空隙，該tio2顆粒能夠?qū)⑵涮畛洌w上該tio2納米棒層和tio2顆粒層構(gòu)成一種復(fù)合結(jié)構(gòu)的光陽(yáng)極。
通常情況下，染料敏化太陽(yáng)能電池的光陽(yáng)極是由tio2薄膜構(gòu)成，本申請(qǐng)基于優(yōu)化光陽(yáng)極結(jié)構(gòu)，在fto基底上設(shè)置tio2納米棒層，在tio2納米棒層上涂覆tio2顆粒層，實(shí)現(xiàn)了tio2光陽(yáng)極的多功能化。
在該光陽(yáng)極1中，該tio2納米棒能夠提供電子傳輸?shù)耐ǖ?，從而提高載流子的遷移速率，提高光電轉(zhuǎn)換效率；該tio2顆粒表現(xiàn)為大孔/介孔結(jié)構(gòu)，具有高的光散射性，有利于光散射，增大染料對(duì)光能的吸附率；此外，tio2納米棒與tio2顆粒均具有較大的比表面積，兩者結(jié)合，能夠最大限度地提高了其比表面積，增大了染料的吸附效率。
所述光陽(yáng)極1，該tio2顆粒層6厚度為30μm，該tio2顆粒層6中，包括tio2顆粒和銀包tio2顆粒，兩者物質(zhì)的量比例為3:1；其中，銀包tio2顆粒中，tio2顆粒粒徑為5μm，銀包層厚度為100nm。
在該tio2顆粒層6中，上述所述的tio2顆粒和銀包tio2顆粒緊密團(tuán)聚，形成三維連續(xù)的孔結(jié)構(gòu)，該孔結(jié)構(gòu)的直徑為200～400nm，孔壁厚度為100～300nm，該孔結(jié)構(gòu)的孔壁是由緊密團(tuán)聚的tio2顆粒和銀包tio2顆粒組成的；這些孔結(jié)構(gòu)同時(shí)具有高的比表面積和易擴(kuò)散網(wǎng)絡(luò)通道的作用，能夠?yàn)槿玖戏肿訚B入到tio2顆粒層的深處提供理想的通道，從而使光陽(yáng)極能夠有效的吸附染料分子，其次，電解質(zhì)溶液能夠通過(guò)這些孔結(jié)構(gòu)及時(shí)有效的還原氧化態(tài)的染料，保證電池循環(huán)有效的持續(xù)進(jìn)行。
本申請(qǐng)中，將tio2顆粒和銀包tio2顆?；旌?，整體呈現(xiàn)一種三維連續(xù)的孔結(jié)構(gòu)，表現(xiàn)為分等級(jí)海綿狀的大孔/介孔tio2，大大提升了比表面積，并且，該銀包tio2顆粒中，由于銀包層的設(shè)置，能夠明顯增強(qiáng)對(duì)光的散射、反射，使得更多的光被染料吸附，增加光電轉(zhuǎn)換效率。
所述光陽(yáng)極1，該tio2納米棒層5厚度為10μm，tio2納米棒直徑為200nm。
由于上述的tio2顆粒層表現(xiàn)為三維連續(xù)的孔結(jié)構(gòu)，存在很多的空隙，如果將其直接涂覆于fto基底上，其與fto基底接觸性能并不好，并且這些空隙增加了光生電子在tio2顆粒層與fto基底界面處與氧化還原電解液的復(fù)合，基于優(yōu)化光陽(yáng)極的結(jié)構(gòu)，在本申請(qǐng)中，在tio2顆粒層與fto基底之間設(shè)有tio2納米棒層，該tio2納米棒能夠同時(shí)與fto基底和tio2顆粒層相接觸，并且提供了電子傳輸?shù)耐ǖ溃瑫r(shí)，tio2納米棒與tio2顆粒同屬tio2材料，有效提高了電子傳輸?shù)倪B通性。
下面通過(guò)實(shí)施例比較本申請(qǐng)的光陽(yáng)極(實(shí)施例1)與沒(méi)有設(shè)置tio2顆粒層(對(duì)照例1)或沒(méi)有設(shè)置tio2納米棒層(對(duì)照例2)光陽(yáng)極的性能。
實(shí)施例1
在本實(shí)施例的染料敏化太陽(yáng)能電池中，該光陽(yáng)極包括fto基底，在fto基底上設(shè)置tio2納米棒層，在tio2納米棒層上涂覆tio2顆粒層，所述光陽(yáng)極的制備過(guò)程如下：
步驟1，清洗fto基底
選fto基底，將其裁剪、然后放入丙酮、乙醇、去離子水中依次超聲清洗30min；
步驟2，制備tio2納米棒層
將50ml的鹽酸和50ml的去離子水混合攪拌均勻，然后用取5ml的ti(oc4h9)4逐滴滴加到正在攪拌的上述鹽酸水溶液中，不斷攪拌超過(guò)30min，得到前驅(qū)體溶液，將此前驅(qū)體溶液轉(zhuǎn)移到水熱釜中，然后往水熱釜中放入清洗后的fto基底，導(dǎo)電面朝上，220℃下水熱2h，取出fto基底用去離子水和乙醇反復(fù)清洗干凈，在空氣中晾干，即可在fto基底上得到tio2納米棒層；
步驟3，制備tio2顆粒層
a)將10ml的ti(oc4h9)4逐滴滴加到100ml的去例子水中，靜置24h后，過(guò)濾得到白色沉淀物，將該白色沉淀物放到85℃干燥箱中干燥15h；
b)取上述的白色沉淀物和一定量的銀包tio2顆粒混合，得到混合顆粒，兩者物質(zhì)的量之比為2:5，然后磁力攪拌均勻；
c)取0.5g的混合顆粒，將其分散到90ml的去離子水中，然后轉(zhuǎn)移到水熱釜中，在195℃下水熱30h，結(jié)束后，將水熱釜中混合沉淀物過(guò)濾分離并用去離子水反復(fù)沖洗干凈，最后，80℃干燥15h；
d)將上述干燥后的混合沉淀物制備成漿料，涂覆于步驟2中得到的fto基底表面，將其轉(zhuǎn)移到馬弗爐中在480℃退火30min，然后再510℃退火30min，自然晾干，即得光陽(yáng)極。
對(duì)照例1
在本實(shí)施例的染料敏化太陽(yáng)能電池中，該光陽(yáng)極包括fto基底，在fto基底上設(shè)置tio2納米棒層，所述光陽(yáng)極的制備過(guò)程如下：
步驟1，清洗fto基底
選取fto基底，將其裁剪、然后放入丙酮、乙醇、去離子水中依次超聲清洗30min；
步驟2，制備tio2納米棒層
將50ml的鹽酸和50ml的去離子水混合攪拌均勻，然后用取5ml的ti(oc4h9)4逐滴滴加到正在攪拌的上述鹽酸水溶液中，不斷攪拌超過(guò)30min，得到前驅(qū)體溶液，將此前驅(qū)體溶液轉(zhuǎn)移到水熱釜中，然后往水熱釜中放入清洗后的fto基底，導(dǎo)電面朝上，220℃下水熱2h，取出fto基底用去離子水和乙醇反復(fù)清洗干凈，在空氣中晾干，即可在fto基底上得到tio2納米棒層，即得光陽(yáng)極。
對(duì)照例2
在本實(shí)施例的染料敏化太陽(yáng)能電池中，該光陽(yáng)極包括fto基底，在fto基底上涂覆tio2顆粒層，所述光陽(yáng)極的制備過(guò)程如下：
步驟1，清洗fto基底
選fto基底，將其裁剪、然后放入丙酮、乙醇、去離子水中依次超聲清洗30min；
步驟2，涂覆tio2顆粒層
a)將10ml的ti(oc4h9)4逐滴滴加到100ml的去例子水中，靜置24h后，過(guò)濾得到白色沉淀物，將該白色沉淀物放到85℃干燥箱中干燥15h；
b)取上述的白色沉淀物和一定量的銀包tio2顆?；旌希玫交旌项w粒，兩者物質(zhì)的量之比為2:5，然后磁力攪拌均勻；
c)取0.5g的混合顆粒，將其分散到90ml的去離子水中，然后轉(zhuǎn)移到水熱釜中，在195℃下水熱30h，結(jié)束后，將水熱釜中混合沉淀物過(guò)濾分離并用去離子水反復(fù)沖洗干凈，最后，80℃干燥15h；
d)將上述干燥后的混合沉淀物制備成漿料，涂覆于步驟1中得到的fto基底表面，將其轉(zhuǎn)移到馬弗爐中在480℃退火30min，然后再510℃退火30min，自然晾干，即得光陽(yáng)極。
將制備好的上述三種光陽(yáng)極放入50mmol/ln719釕染料的無(wú)水乙醇溶液中浸泡24h，取出后用無(wú)水乙醇洗去表面殘留的染料敏化劑，吹干后避光保存；在事先打過(guò)一個(gè)小孔并清洗干凈的fto基底上印刷一層鉑漿料，在馬弗爐中420℃下燒結(jié)30min，得到負(fù)載有鉑電極的對(duì)電極。
然后將上述得到的吸附有染料的三種光陽(yáng)極分別與對(duì)電極對(duì)疊，封裝，注入電解液，封住小孔，組裝成染料敏化太陽(yáng)能電池。
其中，以實(shí)施例1所制備的光陽(yáng)極得到的電池記為電池1，以對(duì)照例1所制備的光陽(yáng)極得到的電池記為電池2，以對(duì)照例2所制備的光陽(yáng)極得到的電池記為電池3。
在氙燈光源(光電流強(qiáng)度7.0ma)下進(jìn)行測(cè)試，得到的電池1～3的i-v特征曲線，從測(cè)試結(jié)果中得到三種染料電池的開(kāi)路電壓voc，短路電流密度jsc，光電轉(zhuǎn)換效率η，其結(jié)果如下表1三種不同染料敏化太陽(yáng)能電池性能對(duì)照表。
表1三種不同染料敏化太陽(yáng)能電池性能對(duì)照表
對(duì)比電池1～3，可以發(fā)現(xiàn)，電池1的光陽(yáng)極包括tio2納米棒層、tio2空心球?qū)雍蛕no微球?qū)樱溟_(kāi)路電壓為0.84v，短路電流密度為19.64ma/cm2，光電轉(zhuǎn)換效率為10.56％，相較于電池2、電池3，表現(xiàn)較高的光電轉(zhuǎn)換效率。
以上所述僅為本發(fā)明的較佳方式，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。