CN102354606B - 一种染料敏化太阳能电池光阳极的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种染料敏化太阳能电池光阳极的制备方法，它下述步骤：先将导电玻璃基片清洗干净后，放入去离子水中静置待用；接着将导电玻璃基片放入由纯氟钛酸铵(NH₄)₂TiF₆、硼酸H₃BO₃和聚乙二醇PEG-400混合的反应液中，沉积若干小时后取出，用去离子水冲洗干净，室温下吹干；然后烧结半小时后取出；最后将含有二氧化钛薄膜导电玻璃基片浸泡的染料N719中，若干小时后取出晾干，即可形成染料敏化太阳能电池光阳极。本发明染料敏化太阳能电池光阳极的制备方法具有简便易行、对基底无限制、安全性较高、且适于大批量工业化生产的优点。

Description

一种染料敏化太阳能电池光阳极的制备方法

技术领域

本发明涉及太阳能电池，具体是指一种染料敏化太阳能电池光阳极的制备方法。

背景技术

1991年，瑞士Gratzel教授等人开发出了基于多孔二氧化钛薄膜及有机染料构成的染料敏化太阳能电池，其光电转化效率可达7.1％-7.9％。染料敏化太阳能电池以原材料丰富，成本低，制备工艺相对简单等优点，成为太阳能行业新的研究热点。染料敏化太阳能电池主要由涂覆在导电基底上的多孔二氧化钛薄膜，染料敏化剂，电解质，对电极构成。其中二氧化钛薄膜在电池中起着分离电荷和运输电子的作用，是染料敏化太阳能电池的重要组成部分。

目前二氧化钛薄膜的制备方法主要有水热合成法、溶胶-凝胶法、粉末涂覆法、电化学沉积法、磁控溅射和离子喷涂等方法。其中最常使用的方法是溶胶-凝胶法。传统溶胶-凝胶法制备二氧化钛薄膜的过程是：先将钛酸酯类化合物为前躯体水解制备出二氧化钛胶体，再经200℃的高压釜处理，滤除溶剂后加表面活性剂研磨制得二氧化钛胶体。然后经直接涂膜，丝网印刷，旋涂等方法在导电基底上沉积二氧化钛，再经500℃烧结制备出二氧化钛电极。因为在溶胶-凝胶法制备二氧化钛的工艺中需要经过高压热釜处理，导致这种工艺能耗大，危险性高，且后续的涂膜过程不适用于复杂形状基底，不利于批量化生产。

专利号为ZL200910218663、公告号为CN101354968B的中国发明专利，公开了一种染料敏化太阳能电池光阳极及其制备方法，包括下述步骤：(1)将颗粒尺寸为10～50nm，厚度为10～50um的二氧化钛纳米多孔薄膜放入10^-5～10^-3mol/L染料的乙醇溶液中浸泡1～24小时，用无水乙醇冲洗后晾十；(2)将上述染料敏化后的纳米多孔薄膜放入体积比为1∶10～1∶50的正硅酸乙酷和环己烷的混合溶液中，按混合溶液体积的1％～5％加入表面活性剂，混合均匀后浸泡20～60分钟，按正硅酸乙酷体积的40％～70％加入氨水，室温浸泡1～12小时，反应沉积一层纳米二氧化硅层；(3)将上述步骤修饰后所得到的纳米多孔薄膜在10^-5～10^-3mol/L染料的乙醇溶液中浸泡1～24小时，用无水乙醇冲洗后晾干，即形成染料敏化太阳能电池光阳极。上述方法也避免了现有传统的溶胶-凝胶法的不足，得制得的染料敏化太阳能电池光阳极在生产应用中的性能还不是很理想。

发明内容

本发明的目的是提供一种简便易行、对基底无限制、安全性较高、且适于大批量工业化生产的染料敏化太阳能电池光阳极的制备方法

本发明可以通过以下技术方案来实现：

本发明公开了一种染料敏化太阳能电池光阳极的制备方法，包括下述步骤：(1)将导电玻璃基片清洗干净后，放入去离子水中静置待用；(2)在室温下，配制浓度为0.1～0.9mol/L的纯氟钛酸铵(NH₄)₂TiF₆水溶液和浓度为0.1～0.9mol/L的硼酸H₃BO₃水溶液，将纯氟钛酸铵(NH₄)₂TiF₆和硼酸H₃BO₃混合均匀后加入聚乙二醇PEG-400，即制得反应液；(3)将步骤(1)中的导电玻璃基片放入步骤(2)制得的反应液中，沉积2～36h后取出，用去离子水冲洗干净，室温下吹干；然后再在350～560℃下烧结15～50分钟后后取出，完成在导电玻璃基片的表面的二氧化钛薄膜的制备；(4)将步骤(3)制备的含有二氧化钛薄膜导电玻璃基片浸泡在浓度为4×10^-4～2×10^-4mol/L的染料N719中，5～8h后取出晾干，即可形成染料敏化太阳能电池光阳极。

所述的导电玻璃基片的清洗过程如下：先将导电玻璃基片放在洗涤剂中浸泡6～20分钟，用超声波清洗；接着将上述步骤处理后的导电玻璃基片放入有去离子水、氨水和过氧化氢配成的清洗液超声波清洗6～20分钟；然后将上述步骤处理后的导电玻璃基片放入由去离子水、盐酸和过氧化氢组成的清洗液超声清洗6～20分钟；最后将上述步骤处理后的导电玻璃基片用去离子水冲洗干净，放入去离子水中静置待用。

所述的纯氟钛酸铵(NH₄)₂TiF₆和硼酸H₃BO₃的混合液中，进行下列的配位体交换反应：[TiF₆]^2-+nH₂O<＝>TiF_6-n(OH)_n ²⁺+nHF，加入的硼酸与F^-反应形成络离子使这个平衡反应向右移动并加速了配位体的交换反应：H₃BO₃+4HF<＝>BF₄ ^-+H₃O⁺+2H₂O，最终消耗了未配位的F^-，加速了水解反应的进行，由[TiF₆]^2-的水解形成的[Ti(OH)₆]^2-脱水，使TiO₂薄膜在浸入溶液的导电玻璃基片上形成。

本发明染料敏化太阳能电池光阳极的制备方法采用液相沉积法制备二氧化钛薄膜，液相沉积法既不需要高压热釜的过程也不需要后续的涂膜过程，直接在室温将导电基底浸泡在氟钛酸铵、硼酸和表面活性剂的混合液中，沉积一段时间后取出烧结，便制备出二氧化钛电极。基于氟钛酸铵在弱酸环境中的水解作用，向其中加入高分子化合物(充当表面活性剂)，在导电玻璃基板上沉积二氧化钛薄膜，避免长时间的高温热釜反应及繁杂的涂膜过程，同时可制得与溶胶-凝胶法光电转化效率相当的染料敏化太阳能电池。

相对于传统的溶胶-凝胶法制备染料敏化太阳能电池的二氧化钛薄膜，本发明的优势在于，不需要高温高压的热釜反应及涂膜过程，仅需沉积就可完成整个二氧化钛膜的制备，方法简单，反应条件温和，工艺可靠安全。

附图说明

附图1为本发明染料敏化太阳能电池光阳极的制备方法的生产流程示意图；

附图2为本发明染料敏化太阳能电池光阳极的制备方法的光阳极组装的电池的电流电压曲线图。

具体实施方式

下面将结合说明书附图来对本发明作进一步描述：

实施例一

如附图1所示，本发明公开了一种染料敏化太阳能电池光阳极的制备方法，包括下述步骤：(1)将导电玻璃基片清洗干净后，放入去离子水中静置待用；(2)在室温下(25℃)，配制浓度为配制浓度为0.3mol/L的(NH₄)₂TiF₆水溶液，硼酸浓度为0.2mol/L，取每种药品4ml混合均匀后加入0.48g的PEG-400；(3)配置好反应液后，将导电玻璃基板放置其中，沉积24h后取出，用去离子水冲洗干净，室温下吹干；(4)然后再在450℃下烧结半小时后取出，完成二氧化钛薄膜的制备；(5)上述得到光阳极在3×10-4mol/L的染料的有机溶剂中浸泡8个小时，取出晾干，即可形成染料敏化太阳能电池光阳极，将染料敏化太阳能电池光阳极采用碘/碘化锂电解质，镀铂的导电玻璃作为对电极，组装成电池，并进行光电性能测试。

所述的导电玻璃基片的清洗过程如下：先将导电玻璃基片放在洗涤剂中浸泡10分钟，用超声波清洗；接着将上述步骤处理后的导电玻璃基片放入有去离子水、氨水和过氧化氢配成的清洗液超声波清洗10分钟；然后将上述步骤处理后的导电玻璃基片放入由去离子水、盐酸和过氧化氢组成的清洗液超声清洗10分钟；最后将上述步骤处理后的导电玻璃基片用去离子水冲洗干净，放入去离子水中静置待用。

所述的纯氟钛酸铵(NH₄)₂TiF₆和硼酸H₃BO₃的混合液中，进行下列的配位体交换反应：[TiF₆]^2-十nH₂O<＝>TiF_6-n(OH)_n ^2-+nHF，加入的硼酸与F^-反应形成络离子使这个平衡反应向右移动并加速了配位体的交换反应：H₃BO₃+4HF<＝>BF₄ ^-+H₃O⁺+2H₂O，最终消耗了未配位的F^-，加速了水解反应的进行，由[TiF₆]^2-的水解形成的[Ti(OH)₆]^2-脱水，使TiO₂薄膜在浸入溶液的导电玻璃基片上形成。

实施例二

与实施例一不同的是：在室温下(25℃)，配制浓度为配制浓度为0.3mol/L的(NH₄)₂TiF₆水溶液，硼酸浓度为0.2mol/L，取每种药品4ml混合均匀后加入0.96g的PEG-400。配置好反应液后，将导电玻璃基板放置其中，沉积24h后取出，用去离子水冲洗干净，室温下吹干。然后再在450℃下烧结半小时后取出，完成二氧化钛薄膜的制备。将上述得到光阳极在3×10-4mol/L的染料的有机溶剂中浸泡8个小时，取出晾干，采用碘/碘化锂电解质，镀铂的导电玻璃作为对电极，组装成电池，并进行光电性能测试。

图2为采用液相沉积法制备的光阳极组装的染料敏化电池的光电流电压曲线图。由图可计算出采用液相沉积法制备的光阳极组装的电池电流密度为13.05mA/cm^-2，开路电压为0.742V，填充因子为0.63，光电转化效率为6.1％。

以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制；凡本行业的普通技术人员均可按说明书附图所示和以上所述而顺畅地实施本发明；但是，凡熟悉本专业的技术人员在不脱离本发明技术方案范围内，可利用以上所揭示的技术内容而作出的些许更动、修饰与演变的等同变化，均为本发明的等效实施例；同时，凡依据本发明的实质技术对以上实施例所作的任何等同变化的更动、修饰与演变等，均仍属于本发明的技术方案的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种染料敏化太阳能电池光阳极的制备方法，其特征在于，包括下述步骤：

(1)将导电玻璃基片清洗干净后，放入去离子水中静置待用；

(2)在室温下，配制浓度为0.1～0.9mol/L的纯氟钛酸铵(NH₄)₂TiF₆水溶液和浓度为0.1～0.9mol/L的硼酸H₃BO₃水溶液，将纯氟钛酸铵(NH₄)₂TiF₆和硼酸H₃BO₃混合均匀后加入聚乙二醇PEG-400，即制得反应液；

(3)将步骤(1)中的导电玻璃基片放入步骤(2)制得的反应液中，沉积2～36h后取出，用去离子水冲洗干净，室温下吹干；然后再在350～560℃下烧结15～50分钟后取出，完成在导电玻璃基片的表面的二氧化钛薄膜的制备；

(4)将步骤(3)制备的含有二氧化钛薄膜导电玻璃基片浸泡在浓度为4×10^-4～2×10^-4mol/L的染料N719中，5～8h后取出晾干，即可形成染料敏化太阳能电池光阳极。

2.根据权利要求1所述的染料敏化太阳能电池光阳极的制备方法，其特征在于，所述的导电玻璃基片的清洗过程如下：先将导电玻璃基片放在洗涤剂中浸泡6～20分钟，用超声波清洗；接着将上述步骤处理后的导电玻璃基片放入有去离子水、氨水和过氧化氢配成的清洗液超声波清洗6～20分钟；然后将上述步骤处理后的导电玻璃基片放入由去离子水、盐酸和过氧化氢组成的清洗液超声清洗6～20分钟；最后将上述步骤处理后的导电玻璃基片用去离子水冲洗干净，放入去离子水中静置待用。

3.根据权利要求1或2所述的染料敏化太阳能电池光阳极的制备方法，其特征在于，所述的纯氟钛酸铵(NH₄)₂TiF₆和硼酸H₃BO₃的混合液中，进行下列的配位体交换反应：[TiF₆]^2-+nH₂O<＝>TiF_6-n(OH)_n ²⁺+nHF，加入的硼酸与F-反应形成络离子使这个平衡反应向右移动并加速了配位体的交换反应：H₃BO₃+4HF<＝>BF₄ ^-+H₃O⁺+2H₂O，最终消耗了未配位的F^-，加速了水解反应的进行，由[TiF₆]^2-的水解形成的[Ti(OH)₆]^2-脱水，使TiO₂薄膜在浸入溶液的导电玻璃基片上形成。

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