硼修飾染料敏化太陽能電池光陽極的制備方法
【專利摘要】硼修飾染料敏化太陽能電池光陽極的制備方法，本發(fā)明涉及一種染料敏化太陽能電池光陽極的制備方法，它要解決現有染料敏化太陽能電池光陽極的光電轉換效率低的問題。制備方法：一、制備硼酸溶液；二、向硼酸溶液中加入HNO3溶液；三、再滴加異丙醇鈦，然后置于水浴中進行反應，得到白色反應溶液；四、白色反應溶液轉移至高壓反應裝置中進行水熱處理，得到鈦鹽溶液；五、鈦鹽溶液離心處理，沉淀物經洗滌后恒溫加熱制得硼摻雜的TiO2粉體；六、攪拌制成漿料；七、漿料進行絲網印刷得到光陽極；八、對電池光陽極進行燒結，完成太陽能電池光陽極的制備。通過本發(fā)明制備方法得到的光陽極組裝成電池后光電轉換效率可達2.39%。
【專利說明】硼修飾染料敏化太陽能電池光陽極的制備方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種染料敏化太陽能電池光陽極的制備方法。
【背景技術】
[0002]能源問題與能源問題衍生出的環(huán)境問題是當今社會面臨的兩大亟待解決的重大問題，太陽能電池成為了解決能源環(huán)境問題的最有前景的方式之一。染料敏化太陽能電池以其低成本、無污染以及壽命長的優(yōu)點備受科研工作者的追捧。然而傳統(tǒng)的染料敏化太陽能效率較低不足以滿足商業(yè)應用。傳統(tǒng)染料敏化太陽能電池光陽極材料采用Ti02、ZnO或者SnO2，然而單一的使用TiO2等光陽極材料，由于TiO2等材料只能吸收紫外區(qū)的太陽光(如TiO2吸收閾值為380nm)，因此在接收染料傳輸來的激發(fā)態(tài)電子時，受到一定的限制，從而阻礙了染料敏化太陽能電池的發(fā)展。

【發(fā)明內容】

[0003]本發(fā)明的目的是為了解決現有制備方法得到的染料敏化太陽能電池光陽極的光電轉換效率低的問題，而提供硼修飾染料敏化太陽能電池光陽極的制備方法。
[0004]本發(fā)明硼修飾染料敏化太陽能電池光陽極的制備方法按下列步驟實現:
[0005]一、在室溫下將0.2088?0.6264g的B2O3溶于40?80mL去離子水中，攪拌溶解后形成硼酸溶液；
[0006]二、向步驟一得到的硼酸溶液中加入0.2?0.6mL質量濃度為63%?67%的HNO3溶液，得到酸化的硼酸溶液；
[0007]三、在攪拌的條件下，向酸化的硼酸溶液中滴加5?15mL的異丙醇鈦，得到白色懸濁液，把白色懸濁液置于70?90°C的水浴中，反應至白色懸濁液的體積減少到15?25mL，得到白色反應溶液；
[0008]四、將步驟三得到的白色反應溶液轉移至高壓反應裝置中，以445?455°C的溫度進行水熱處理，處理16?28h后得到鈦鹽溶液；
[0009]五、對步驟四的鈦鹽溶液進行離心處理，收集的沉淀物用去離子水和無水乙醇分別洗滌3?5次，烘干后再置于馬弗爐中，以I?5°C /min的速度升溫到445?455°C，恒溫加熱5?7h，研磨制得硼摻雜的TiO2粉體；
[0010]六、按質量比為1: (0.17?0.37): (4.58?4.78)將硼摻雜的TiO2粉體與乙基纖維素及松油醇混合，攪拌均勻形成漿料；
[0011]七、將步驟六的漿料使用絲網進行絲網印刷，印刷4?7層得到電池光陽極；
[0012]八、把步驟七制備的電池光陽極放入馬弗爐中以0.5?1.5°C /min的升溫速度升溫至445?455°C進行燒結，保溫10?20min得到硼修飾染料敏化太陽能電池光陽極。
[0013]本發(fā)明涉及硼修飾染料敏化太陽能電池光陽極的方法，通過本發(fā)明，硼原子進入到TiO2晶格中，替代部分Ti原子，形成T1-O-B鍵，而T1-O-B鍵的形成有利于提高粉體的光電性能。與此同時，硼修飾使得光陽極燒結后粉體顆粒團聚減少，孔隙率適中，有利于電子的傳輸，通過硼修飾降低了 TiO2的禁帶寬度，增強電池光陽極的光電流及效率，使電池的光電流密度達到5.9mA/cm2，相較于空白TiO2制備的電池光電流密度4.4mA/cm2增強達34%。而光電轉換效率也從2.0%提高到2.39%，提高幅度達到19.5%。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0014]圖1為各實施例得到的粉體的標準XRD圖，I一實施例一步驟五得到的硼摻雜的TiO2粉體的譜線，2—實施例二步驟五得到的硼摻雜的TiO2粉體的譜線，3—實施例三步驟五得到的硼摻雜的TiO2粉體的譜線，4一對比實施例得到的TiO2粉體的譜線；
[0015]圖2為實施例一步驟五得到的硼摻雜的TiO2粉體的SEM圖；
[0016]圖3為實施例一步驟五得到的硼摻雜的TiO2粉體的TEM圖；
[0017]圖4為各實施例得到的粉體的IR圖，I一實施例一步驟五得到的硼摻雜的TiO2粉體的譜線，2—實施例二步驟五得到的硼摻雜的TiO2粉體的譜線，3—實施例三步驟五得到的硼摻雜的TiO2粉體的譜線，4一對比實施例得到的TiO2粉體的譜線；
[0018]圖5為實施例一步驟五得到的硼摻雜的TiO2粉體的XPS全譜圖；
[0019]圖6為實施例一步驟五得到的硼摻雜的TiO2粉體的高分辨XPS譜圖；
[0020]圖7為各實施例得到的粉體的UV-Vis圖，□表示實施例一步驟五得到的硼摻雜的TiO2粉體的曲線，?表示實施例二步驟五得到的硼摻雜的TiO2粉體的曲線，Λ表示實施例三步驟五得到的硼摻雜的TiO2粉體的曲線，▽表示對比實施例得到的TiO2粉體的曲線；
[0021]圖8各實施例得 到的染料敏化太陽能電池光陽極組裝成電池的J-V曲線圖，I一實施例一得到的染料敏化太陽能電池光陽極的曲線，2—實施例二得到的染料敏化太陽能電池光陽極的曲線，3—實施例三得到的染料敏化太陽能電池光陽極的曲線，4一對比實施例得到的染料敏化太陽能電池光陽極的曲線。
【具體實施方式】
[0022]【具體實施方式】一:本實施方式硼修飾染料敏化太陽能電池光陽極的制備方法按下列步驟實施:
[0023]一、在室溫下將0.2088~0.6264g的B2O3溶于40~80mL去離子水中，攪拌溶解后形成硼酸溶液；
[0024]二、向步驟一得到的硼酸溶液中加入0.2~0.6mL質量濃度為63%~67%的HNO3溶液，得到酸化的硼酸溶液；
[0025]三、在攪拌的條件下，向酸化的硼酸溶液中滴加5~15mL的異丙醇鈦，得到白色懸濁液，把白色懸濁液置于70~90°C的水浴中，反應至白色懸濁液的體積減少到15~25mL，得到白色反應溶液；
[0026]四、將步驟三得到的白色反應溶液轉移至高壓反應裝置中，以445~455°C的溫度進行水熱處理，處理16~28h后得到鈦鹽溶液；
[0027]五、對步驟四的鈦鹽溶液進行離心處理，收集的沉淀物用去離子水和無水乙醇分別洗滌3~5次，烘干后再置于馬弗爐中，以I~5°C /min的速度升溫到445~455°C，恒溫加熱5~7h，研磨制得硼摻雜的TiO2粉體；
[0028]六、按質量比為1: (0.17~0.37): (4.58~4.78)將硼摻雜的TiO2粉體與乙基纖維素及松油醇混合，攪拌均勻形成漿料；
[0029]七、將步驟六的漿料使用絲網進行絲網印刷，印刷4?7層得到電池光陽極；
[0030]八、把步驟七制備的電池光陽極放入馬弗爐中以0.5?1.50C /min的升溫速度升溫至445?455°C進行燒結，保溫10?20min得到硼修飾染料敏化太陽能電池光陽極。
[0031]本實施方式步驟四所述的高壓反應裝置為申請?zhí)?200710071931.0，申請日:2007.3.23發(fā)明名稱為氨氣調控氮摻雜改性TiO2薄膜的制備方法及高壓反應裝置的專利中所涉及的高壓反應裝置。
[0032]本實施方式染料敏化太陽能電池光陽極的制備方法結合直接水解法與固相反應法，提高了反應生成物的純度，利于工業(yè)化大規(guī)模生產。
[0033]【具體實施方式】二:本實施方式與【具體實施方式】一不同的是步驟三以10?30滴/min的速度向酸化的硼酸溶液中滴加異丙醇鈦。其它步驟及參數與【具體實施方式】一相同。
[0034]【具體實施方式】三:本實施方式與【具體實施方式】一或二不同的是步驟四以450°C的溫度進行水熱處理。其它步驟及參數與【具體實施方式】一或二相同。
[0035]【具體實施方式】四:本實施方式與【具體實施方式】一至三之一不同的是步驟五烘干后再置于馬弗爐中，其中烘干的溫度為100°c。其它步驟及參數與【具體實施方式】一至三之一相同。
[0036]【具體實施方式】五:本實施方式與【具體實施方式】一至四之一不同的是步驟五以5°C /min的速度升溫到450°C。其它步驟及參數與【具體實施方式】一至四之一相同。
[0037]【具體實施方式】六:本實施方式與【具體實施方式】一至五之一不同的是步驟七漿料使用250目絲網進行絲網印刷，印刷6層得到電池光陽極。其它步驟及參數與【具體實施方式】
一至五之一相同。
[0038]實施例一:本實施例硼修飾染料敏化太陽能電池光陽極的制備方法按下列步驟實施:
[0039]一、在室溫下將0.2088g的B2O3溶于60mL去離子水中，攪拌溶解后形成硼酸溶液；
[0040]二、向步驟一得到的硼酸溶液中加入0.42mL質量濃度為63%的HNO3溶液，得到酸化的硼酸溶液；
[0041]三、在劇烈攪拌的條件下，以20滴/min的速度向酸化的硼酸溶液中滴加IOmL的異丙醇鈦，得到白色懸濁液，把白色懸濁液置于80°C的水浴中，反應至白色懸濁液的體積減少到20mL，得到白色反應溶液；
[0042]四、將步驟三得到的白色反應溶液轉移至高壓反應裝置中，以450°C的溫度進行水熱處理，處理24h后得到鈦鹽溶液；
[0043]五、對步驟四的鈦鹽溶液進行離心處理，收集的沉淀物用去離子水和無水乙醇分別洗滌3次，烘干后再置于馬弗爐中，以5°C /min的速度升溫到450°C，恒溫加熱6h，研磨制得硼摻雜的TiO2粉體；
[0044]六、將0.168g硼摻雜的TiO2粉體與0.045g的乙基纖維素及0.787g的松油醇混合，攪拌均勻形成漿料；
[0045]七、將步驟六的漿料使用250目的絲網進行絲網印刷，印刷6層得到電池光陽極；
[0046]八、把步驟七制備的電池光陽極放入馬弗爐中以1°C /min的升溫速度升溫至450°C進行燒結，保溫15min得到硼修飾染料敏化太陽能電池光陽極。[0047]從圖1可知本實施例步驟五得到的硼摻雜TiO2粉體為銳鈦礦相，從圖2和圖3可知硼摻雜TiO2粉體為圓球顆粒，顆粒尺寸為納米級，顆粒均一。
[0048]通過圖4的IR圖可以看出硼摻雜TiO2產生了一個新的1390CHT1處的紅外峰，此峰歸屬于T1-O-B鍵的振動。而通過圖5和圖6的XPS圖顯示出硼摻雜TiO2粉體主要包含T1、O、B和C元素，其中硼元素以B-O鍵和T1-O-B鍵兩種形式，192.2eV歸屬于T1-O-B鍵，193.1eV歸屬于B-O鍵。
[0049]通過圖7的UV-Vis圖可以看出硼摻雜TiO2的特征峰發(fā)生紅移，禁帶寬度明顯變窄，本實施例硼摻雜TiO2的禁帶寬度為3.13eV。
[0050]本實施例得到的硼修飾染料敏化太陽能電池的J-V曲線圖如圖8所示，從中可知染料敏化太陽能電池光陽極組裝成電池后光電流有所增強，短路光電流從4.4mA/cm2提高到4.9mA/cm2，其中染料敏化太陽能電池的敏化劑溶液使用0.03mM濃度的N719絕對乙醇溶液，使用的對電極是將商購的Pt漿料用250目絲網印刷到導電玻璃導電面上，靜置24h后轉移至馬弗爐中以420°C燒結得到的。測試是在AM1.5G和光強度為lOOmW/cm2的條件進行的。
[0051]實施例二:本實施例與實施例一不同的是在室溫下將0.4176g的B2O3溶于60mL去離子水中。其它步驟及參數與實施例一相同。
[0052]本實施例得到硼摻雜TiO2的禁帶寬度為3.12eV。
[0053]將本實施例得到的硼修飾染料敏化太陽能電池光陽極組裝成染料敏化太陽能電池，測試太陽能電池的短路光電流為5.4mA/cm2。
[0054]實施例三:本實施例與實施例一不同的是在室溫下將0.6264g的B2O3溶于60mL去離子水中。其它步驟及參數與實施例一相同。
[0055]本實施例得到硼摻雜TiO2的禁帶寬度為3.10eV。
[0056]將本實施例得到的硼修飾染料敏化太陽能電池光陽極組裝成染料敏化太陽能電池，測試太陽能電池的短路光電流為5.9mA/cm2。
[0057]對比實施例:本實施例染料敏化太陽能電池光陽極的制備方法按下列步驟實施:
[0058]一、向60mL水中加入0.42mL質量濃度為63%的HNO3溶液，得到酸化的水溶液；
[0059]二、在劇烈攪拌的條件下，以20滴/min的速度向酸化的水溶液中滴加IOmL的異丙醇鈦，得到白色懸濁液，把白色懸濁液置于80°C的水浴中，反應至白色懸濁液的體積減少到20mL，得到白色反應溶液；
[0060]三、將步驟二得到的白色反應溶液轉移至高壓反應裝置中，以450°C的溫度進行水熱處理，處理24h后得到鈦鹽溶液；
[0061]四、對步驟三的鈦鹽溶液進行離心處理，收集的沉淀物用去離子水和無水乙醇分別洗滌3次，烘干后再置于馬弗爐中，以5°C /min的速度升溫到450°C，恒溫加熱6h，研磨制得TiO2粉體；
[0062]五、將0.168g TiO2粉體與0.045g放入乙基纖維素及0.787g的松油醇混合,攪拌均勻形成衆(zhòng)料；
[0063]六、將步驟五的漿料采用250目的絲網進行絲網印刷，印刷6層得到電池光陽極；
[0064]七、把步驟六制備的電池光陽極放入馬弗爐中以1°C /min的升溫速度升溫至450°C進行燒結，保溫15min得到染料敏化太陽能電池光陽極。[0065]按相同方法將對比實施例的染料敏化太陽能電池光陽極組裝成染料敏化太陽能電池,測試太陽能電池的短路光電流為4.4mA/cm2。
【權利要求】
1.硼修飾染料敏化太陽能電池光陽極的制備方法，其特征在于硼修飾染料敏化太陽能電池光陽極的制備方法按下列步驟實現: 一、在室溫下將0.2088?0.6264g的B2O3溶于40?80mL去離子水中，攪拌溶解后形成硼酸溶液； 二、向步驟一得到的硼酸溶液中加入0.2?0.6mL質量濃度為63%?67%的HNO3溶液，得到酸化的硼酸溶液； 三、在攪拌的條件下，向酸化的硼酸溶液中滴加5?15mL的異丙醇鈦，得到白色懸濁液，把白色懸濁液置于70?90°C的水浴中，反應至白色懸濁液的體積減少到15?25mL，得到白色反應溶液； 四、將步驟三得到的白色反應溶液轉移至高壓反應裝置中，以445?455°C的溫度進行水熱處理，處理16?28h后得到鈦鹽溶液； 五、對步驟四的鈦鹽溶液進行離心處理，收集的沉淀物用去離子水和無水乙醇分別洗漆3?5次,烘干后再置于馬弗爐中，以I?5°C /min的速度升溫到445?455°C,恒溫加熱5?7h，研磨制得硼摻雜的TiO2粉體； 六、按質量比為1: (0.17?0.37): (4.58?4.78)將硼摻雜的TiO2粉體與乙基纖維素及松油醇混合，攪拌均勻形成漿料； 七、將步驟六的漿料使用絲網進行絲網印刷，印刷4?7層得到電池光陽極； 八、把步驟七制備的電池光陽極放入馬弗爐中以0.5?1.5°C /min的升溫速度升溫至445?455°C進行燒結，保溫10?20min得到硼修飾染料敏化太陽能電池光陽極。
2.根據權利要求1所述的硼修飾染料敏化太陽能電池光陽極的制備方法，其特征在于步驟三以10?30滴/min的速度向酸化的硼酸溶液中滴加異丙醇鈦。
3.根據權利要求1所述的硼修飾染料敏化太陽能電池光陽極的制備方法，其特征在于步驟四以450°C的溫度進行水熱處理。
4.根據權利要求1所述的硼修飾染料敏化太陽能電池光陽極的制備方法，其特征在于步驟五烘干后再置于馬弗爐中，其中烘干的溫度為100°C。
5.根據權利要求1所述的硼修飾染料敏化太陽能電池光陽極的制備方法，其特征在于步驟五以5°C /min的速度升溫到450°C。
6.根據權利要求1所述的硼修飾染料敏化太陽能電池光陽極的制備方法，其特征在于步驟七漿料使用250目絲網進行絲網印刷，印刷6層得到電池光陽極。
【文檔編號】H01G9/042GK103531359SQ201310532607
【公開日】2014年1月22日 申請日期:2013年10月31日 優(yōu)先權日:2013年10月31日
【發(fā)明者】楊玉林, 李亮, 李碩, 樊蕭, 徐睿 申請人:哈爾濱工業(yè)大學