染料敏化太陽(yáng)能電池光陽(yáng)極的修飾方法
【專利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種染料敏化太陽(yáng)能電池光陽(yáng)極的修飾方法，步驟如下：將M金屬鹽離子化合物加入到已配好的40mM的TiCl4溶液中，在室溫條件下按照離子摩爾比配制成M:Ti=0.25-2%的光陽(yáng)極修飾溶液；再將經(jīng)過(guò)500℃煅燒處理后的二氧化鈦多孔薄膜靜置于所配制的光陽(yáng)極修飾溶液中，并于70℃保溫30min，用去離子水沖洗后，再經(jīng)過(guò)500℃煅燒30min，得到修飾后的二氧化鈦多孔膜，然后將修飾后的二氧化鈦多孔膜浸泡于N719染料中，靜置24小時(shí)，然后取出，用乙醇清洗后，冷風(fēng)吹干，即得到經(jīng)M金屬離子摻雜阻隔層修飾的涂覆有二氧化鈦多孔薄膜的光陽(yáng)極，本發(fā)明能顯著提高染料敏化太陽(yáng)能電池光電性能。
【專利說(shuō)明】染料敏化太陽(yáng)能電池光陽(yáng)極的修飾方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種染料敏化太陽(yáng)能電池的制備方法，特別是涉及一種染料敏化太陽(yáng) 能電池的光陽(yáng)極的處理方法，應(yīng)用于提高染料敏化太陽(yáng)能電池光電性能【技術(shù)領(lǐng)域】。

【背景技術(shù)】
[0002] 隨著人們對(duì)環(huán)境問(wèn)題的日益關(guān)注，廣大科研工作者致力于尋找可持續(xù)的清潔能 源，隨之開(kāi)始關(guān)注氫能，水能，風(fēng)能，太陽(yáng)能，而太陽(yáng)能作為一種取之不盡用之不竭的能源而 備受青睞。從第一代單晶硅太陽(yáng)能電池，到第二代的薄膜太陽(yáng)能電池，再到新型的第三代太 陽(yáng)能電池，太陽(yáng)能電池領(lǐng)域也在經(jīng)歷著革新，而作為第三代太陽(yáng)能電池之一的染料敏化太 陽(yáng)能電池因其環(huán)境友好，成本低，制作工藝簡(jiǎn)單而成為該領(lǐng)域的寵兒。目前已經(jīng)報(bào)道在實(shí)驗(yàn) 室中得到的傳統(tǒng)的染料敏化太陽(yáng)能電池的最高轉(zhuǎn)換效率約I 3%，距離產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用還有較大 差距。
[0003] 染料敏化太陽(yáng)能電池中主要涉及以下幾個(gè)步驟： 1.吸附在半導(dǎo)體材料表面的染料的激發(fā)；2.激發(fā)電子注入半導(dǎo)體材料的導(dǎo)帶并隨之 傳導(dǎo)到導(dǎo)電玻璃；3.激發(fā)后的染料即氧化態(tài)的染料被電解質(zhì)中氧化還原電對(duì)還原以不斷 激發(fā)電子；4.被氧化的電解質(zhì)中的氧化還原電對(duì)被對(duì)電極的Pt還原以達(dá)到循環(huán)利用的效 果。在這些過(guò)程中會(huì)存在其它過(guò)程的發(fā)生，比如注入到半導(dǎo)體材料的電子如果沒(méi)有及時(shí)傳 導(dǎo)就會(huì)與電解質(zhì)中的氧化還原電對(duì)或氧化態(tài)的染料發(fā)生復(fù)合，如果能有效的減少這部分電 子的復(fù)合，染料敏化太陽(yáng)能電池的短路電流和開(kāi)路電壓將均有所提高，從而光電轉(zhuǎn)換效率 將得到改善。
[0004]近20年來(lái)廣大科研工作者們從各個(gè)方面致力于研究提高光電轉(zhuǎn)換效率的方法， 在抑制電子復(fù)合方面，主要有通過(guò)在半導(dǎo)體材料的表層包覆絕緣材料如在氧化鈦表面包 覆氧化鋅以減少回傳電子從而提高染料敏化太陽(yáng)能電池性能（Solid-State Electronics 2013，87,8 - 103)。再如在氧化鈦表面包覆Al2〇3以抑制電子復(fù)合（journal of power Sources 2010，1% (15)，5138 - 5143)。但是缺點(diǎn)是包覆的絕緣層在一定程度會(huì)阻礙激 發(fā)電子向半導(dǎo)體導(dǎo)帶注入，即減少注入電子。用TiCl4作為前驅(qū)體溶液對(duì)光陽(yáng)極處理的方 法逐漸被大家所采納，這種方法有效地提高了染料敏化太陽(yáng)能電池的效率，使染料敏化太 陽(yáng)能電池的光電轉(zhuǎn)化效率達(dá)到7. 36%。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]為了解決現(xiàn)有技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明的目的在于克服已有技術(shù)存在的不足，提供一種 染料敏化太陽(yáng)能電池光陽(yáng)極的修飾方法，利用金屬離子摻雜阻隔層修飾光陽(yáng)極的方式形成 摻雜的光陽(yáng)極修飾層，來(lái)提高染料敏化太陽(yáng)能電池光電性能，該方法通過(guò)摻雜修飾光陽(yáng)極 界面，摻雜后能夠提高半導(dǎo)體的導(dǎo)帶位置從而抑制復(fù)合，從而有效提高染料敏化太陽(yáng)能電 池的光電轉(zhuǎn)換效率。
[0006]為達(dá)到上述發(fā)明創(chuàng)造目的，本發(fā)明采用下述技術(shù)方案： 一種染料敏化太陽(yáng)能電池光陽(yáng)極的修飾方法，采用金屬離子摻雜阻隔層處理二氧化鈦 納米多孔薄膜，其包括如下步驟： a. 光陽(yáng)極修飾溶液的配制：將Μ金屬鹽離子化合物以一定比例加入到已配好的40mM 的TiCl4溶液中，在室溫的條件下按照離子的摩爾比配制成M :Ti=0. 25-2%的光陽(yáng)極修飾溶 液；優(yōu)選配制成摩爾比M :Ti=0. 75%的光陽(yáng)極修飾溶液；Μ金屬鹽離子優(yōu)選采用Al3+、Mg2+、 Zn2+、Fe3+、Fe2+和Li+中的任意一種離子或任意幾種離子；Μ金屬鹽離子化合物優(yōu)選采用硝 酸鹽或氯化物鹽； b. 光陽(yáng)極的修飾：將經(jīng)過(guò)50(TC煅燒處理后的二氧化鈦多孔薄膜靜置于在所述步驟a 中配制的光陽(yáng)極修飾溶液中，并于7(TC保溫30min，用去離子水沖洗后,再經(jīng)過(guò)50(TC煅燒 30min，得到修飾后的二氧化鈦多孔膜，然后將修飾后的二氧化鈦多孔膜浸泡于 N719染料 中，靜置24小時(shí)，然后取出，用乙醇清洗后，冷風(fēng)吹千，即得到經(jīng)μ金屬離子摻雜阻隔層修飾 的涂覆有二氧化鈦多孔薄膜的光陽(yáng)極。
[0007]本發(fā)明利用金屬離子摻雜阻隔層修飾光陽(yáng)極的方式提高染料敏化太陽(yáng)能電池光 電性能的方法修飾后的浸泡染料的光陽(yáng)極與相同面積的鉬對(duì)電極組裝在一起，中間灌注電 解液，即得到染料敏化太陽(yáng)能電池。
[000S]本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比較，具有如下顯而易見(jiàn)的突出實(shí)質(zhì)性特點(diǎn)和顯著優(yōu)點(diǎn)： 1·本發(fā)明通過(guò)金屬離子摻雜阻隔層修飾光陽(yáng)極，有效地抑制了電子的復(fù)合，從而提高 電池的開(kāi)路電壓以及短路電流，提高了染料敏化太陽(yáng)能電池的光電轉(zhuǎn)換效率； 2·本發(fā)明工藝簡(jiǎn)單，反應(yīng)條件溫和，不需要昂貴的設(shè)備和原料，有利于工業(yè)推廣應(yīng)用。

【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0009]圖1是通過(guò)對(duì)比例和本發(fā)明實(shí)施例制備出的染料敏化太陽(yáng)能電池的j-ν曲線進(jìn)行 比較的示意圖。

【具體實(shí)施方式】 t〇〇i〇] 本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例詳述如下： 實(shí)施例1 一種染料敏化太陽(yáng)能電池光陽(yáng)極的修飾方法，采用金屬離子摻雜阻隔層處理二氧化鈦 納米多孔薄膜，提高染料敏化太陽(yáng)能電池光電性能，其步驟如下： a. 光陽(yáng)極修飾溶液的配制： 將AICI3以一定比例加入到已配好的40mM的TiCl4溶液中，在室溫的條件下，攪拌 30min，按照離子摩爾比配置成A1 : Ti=0. 25%的溶液； b. 光陽(yáng)極的修飾： 將500°C鍛燒處理后的二氧化鈦多孔薄膜靜置于步驟&配制的光陽(yáng)極修飾溶液，于 70°C保溫30min，用去離子水沖洗后，500°C煅燒30min。將修飾后的二氧化鈦多孔膜浸泡于 階19染料中，靜置Μ小時(shí)，然后取出，用乙醇清洗后，用冷風(fēng)吹干，即得到經(jīng)金屬離子摻雜 阻隔層修飾的涂覆有二氧化鈦多孔薄膜的光陽(yáng)極。
[0011]實(shí)施例利用金屬離子摻雜阻隔層修飾光陽(yáng)極的方式提高染料敏化太陽(yáng)能電池光 電注1?的方法修飾后的浸泡染料的光陽(yáng)極與相問(wèn)面積的銷對(duì)電極組裝在一起，中間灌注電 解液，即可得到染料敏化太陽(yáng)能電池。
[0012] 參見(jiàn)表1和圖1，圖中曲線4為采用本實(shí)施例染料敏化太陽(yáng)能電池光陽(yáng)極的修飾方 法制備的染料敏化太陽(yáng)能電池的J-V曲線。
[0013] 實(shí)施例2 本實(shí)施例與實(shí)施例1基本相同，特別之處在于： 一種染料敏化太陽(yáng)能電池光陽(yáng)極的修飾方法，采用金屬離子摻雜阻隔層處理二氧化鈦 納米多孔薄膜，提高染料敏化太陽(yáng)能電池光電性能，其步驟如下： a. 光陽(yáng)極修飾溶液的配制： 將A1C13以一定比例加入到已配好的40mM的溶液中，在室溫的條件下，攪拌 30min,按照離子摩爾比配置成A1 :Ti=0. 5%的溶液； b. 光陽(yáng)極的修飾： 將500°C煅燒處理后的二氧化鈦多孔薄膜靜置于步驟a配制的光陽(yáng)極修飾溶液，于 70°C保溫3〇min，用去離子水沖洗后，50(TC鍛燒30min。將修飾后的二氧化鈦多孔膜浸泡于 N719染料中，靜置24小時(shí)，然后取出，用乙醇清洗后，用冷風(fēng)吹干，即得到經(jīng)金屬離子摻雜 阻隔層修飾的涂覆有二氧化鈦多孔薄膜的光陽(yáng)極。
[00M]本實(shí)施例利用金屬離子摻雜阻隔層修飾光陽(yáng)極的方式提高染料敏化太陽(yáng)能電池 光電性能的方法修飾后的浸泡染料的光陽(yáng)極與相同面積的鉬對(duì)電極組裝在一起，中間灌注 電解液，即可得到染料敏化太陽(yáng)能電池。
[0015]參見(jiàn)表1和圖1，圖中曲線5為采用本實(shí)施例染料敏化太陽(yáng)能電池光陽(yáng)極的修飾方 法制備的染料敏化太陽(yáng)能電池的J-V曲線。
[0016] 實(shí)施例3 本實(shí)施例與前述實(shí)施例基本相同，特別之處在于： 一種染料敏化太陽(yáng)能電池光陽(yáng)極的修飾方法，采用金屬離子摻雜阻隔層處理二氧化鈦 納米多孔薄膜，提高染料敏化太陽(yáng)能電池光電性能，其步驟如下： a. 光陽(yáng)極修飾溶液的配制： 將A1C13以一定比例加入到已配好的40mM的TiCl4溶液中，在室溫的條件下，攪拌 3〇min，按照離子摩爾比配置成A1 : Ti=0. 75%的溶液； b. 光陽(yáng)極的修飾： 將500°C煅燒處理后的二氧化鈦多孔薄膜靜置于步驟a配制的光陽(yáng)極修飾溶液，于 70°C保溫3〇min，用去離子水沖洗后，5〇〇°C煅燒3〇min。將修飾后的二氧化鈦多孔膜浸泡于 N719染料中，靜置24小時(shí)，然后取出，用乙醇清洗后，用冷風(fēng)吹干，即得到經(jīng)金屬離子摻雜 阻隔層修飾的涂覆有二氧化鈦多孔薄膜的光陽(yáng)極。
[0017]本實(shí)施例利用金屬離子摻雜阻隔層修飾光陽(yáng)極的方式提高染料敏化太陽(yáng)能電池 光電性能的方法修飾后的浸泡染料的光陽(yáng)極與相同面積的鉑對(duì)電極組裝在一起，中間灌注 電解液，即可得到染料敏化太陽(yáng)能電池。
[0018] 參見(jiàn)表1和圖1，圖中曲線6為采用本實(shí)施例染料敏化太陽(yáng)能電池光陽(yáng)極的修飾方 法制備的染料敏化太陽(yáng)能電池的J-V曲線。
[0019] 實(shí)施例4 本實(shí)施例與前述實(shí)施例基本相同，特別之處在于： 一種染料敏化太陽(yáng)能電池光陽(yáng)極的修飾方法，采用金屬離子摻雜阻隔層處理二氧化鈦 納米多孔薄膜，提高染料敏化太陽(yáng)能電池光電性能，其步驟如下： a.光陽(yáng)極修飾溶液的配制： 將A1C13以一定比例加入到已配好的40mM的TiCl4溶液中，在室溫的條件下，攪拌 30min，按照離子摩爾比配置成A1 :Ti=2%的溶液； (2)光陽(yáng)極的修飾： 將500°C煅燒處理后的二氧化鈦多孔薄膜靜置于步驟a配制的光陽(yáng)極修飾溶液中，于 70°C保溫30min，用去離子水沖洗后，500°C鍛燒30min。將修飾后的二氧化鈦多孔膜浸泡于 N719染料中，靜置24小時(shí)，然后取出，用乙醇清洗后，用冷風(fēng)吹干，即得到經(jīng)金屬離子摻雜 阻隔層修飾的涂覆有二氧化鈦多孔薄膜的光陽(yáng)極。
[0020]本實(shí)施例利用金屬離子摻雜阻隔層修飾光陽(yáng)極的方式提高染料敏化太陽(yáng)能電池 光電性能的方法修飾后的浸泡染料的光陽(yáng)極與相同面積的鉑對(duì)電極組裝在一起，中間灌注 電解液，即可得到染料敏化太陽(yáng)能電池。
[0021]參見(jiàn)表1和圖1，圖中曲線7為采用本實(shí)施例染料敏化太陽(yáng)能電池光陽(yáng)極的修飾方 法制備的染料敏化太陽(yáng)能電池的J-V曲線。
[0022] 對(duì)比例1 : 為了進(jìn)行對(duì)比，本對(duì)比例提供僅TiCl4處理作為阻隔層的染料敏化太陽(yáng)能電池的制備 方法，其步驟如下： 將500°C煅燒處理后的二氧化鈦多孔薄膜靜置于40mM的TiCl4溶液，于70?保溫 30min，用去離子水沖洗后，500°C煅燒30min。將該二氧化鈦多孔膜浸泡于N719染料中，靜 置24小時(shí)，然后取出，用乙醇清洗后，用冷風(fēng)吹千，即得到僅TiCl 4處理作為阻隔層的光陽(yáng) 極。
[0023] 經(jīng)本對(duì)比例得到的涂覆有二氧化鈦多孔薄膜的光陽(yáng)極與相同面積的怕對(duì)電極組 裝在一起，中間灌注電解液，即可得到染料敏化太陽(yáng)能電池。
[0024] 參見(jiàn)表1和圖1，圖中曲線1為采用本對(duì)比例用TiCl4作為前驅(qū)體溶液對(duì)光陽(yáng)極處 理的方法制備的染料敏化太陽(yáng)能電池的J-ν曲線。
[0025] 對(duì)比例2 : 為了進(jìn)行對(duì)比，本對(duì)比例例提供的僅A1C13處理最為阻隔層的染料敏化太陽(yáng)能電池的 制備方法，步驟與對(duì)比例1基本相同，特別之處在于，包括如下步驟： (1) 阻隔層溶液的配制： 將A1C13配置成40mM的水溶液在室溫的條件下，攪拌30min ; (2) 光陽(yáng)極的制備： 將500°C煅燒處理后的二氧化鈦多孔薄膜靜置于步驟（1)配制的40mM的A1C13阻隔層 溶液，于70°C保溫30min，用去離子水沖洗后,500°C煅燒30min。將該二氧化鈦多孔膜浸泡 N719染料中，靜置24小時(shí)，然后取出，用乙醇清洗后，用冷風(fēng)吹干，即得到單純A1C13溶液處 理作為阻隔層的涂覆有二氧化鈦多孔薄膜的光陽(yáng)極。
[0026] 經(jīng)本對(duì)比例得到的單純A1C13溶液處理作為阻隔層的涂覆有二氧化鈦多孔薄膜的 光陽(yáng)極與相同面積的怕對(duì)電極組裝在一起，中間灌注電解液，即可得到染料敏化太陽(yáng)能電 池。
[0027] 參見(jiàn)表1和圖1，圖中曲線2為采用本對(duì)比例用A1C13溶液對(duì)光陽(yáng)極處理的方法制 備的染料敏化太陽(yáng)能電池的J-V曲線。
[0028] 對(duì)比例3 : 為了進(jìn)行對(duì)比，本對(duì)比例提供了利用絕緣層包覆光陽(yáng)極的方法，步驟與對(duì)比例2基本 相同,特別之處在于，其包括如下步驟： (1) 包覆光陽(yáng)極的絕緣層溶液的配制： 將A1C13配置成40mM的水溶液在室溫的條件下，攪拌3〇min ; (2) 光陽(yáng)極的修飾： 將5〇0°C煅燒處理后的二氧化鈦多孔薄膜靜置于40mM的TiCl4溶液中，于70?保溫 3〇min，用去離子水沖洗后，500?鍛燒30min。將該二氧化鈦多孔膜靜置于步驟（1)配制的 40mM A1C13溶液，于7(TC保溫30min，用去離子水沖洗后，500?煅燒30min。將包覆絕緣層 后的二氧化鈦多孔膜浸泡于N719染料中，靜置24小時(shí)，然后取出，用乙醇清洗后，用冷風(fēng)吹 干，即得到絕緣層包覆的二氧化鈦多孔薄膜的光陽(yáng)極。
[0029] 經(jīng)本對(duì)比例利用絕緣層包覆光陽(yáng)極的方法修飾后的浸泡染料的光陽(yáng)極與相同面 積的怕對(duì)電極組裝在一起，中間灌注電解液，即可得到染料敏化太陽(yáng)能電池。
[0030] 參見(jiàn)表1和圖1，圖中曲線3為采用本對(duì)比例利用絕緣層包覆光陽(yáng)極的方法制備的 染料敏化太陽(yáng)能電池的J-V曲線。
[0031] 表1.通過(guò)對(duì)比例和本發(fā)明實(shí)施例廣4制備的染料敏化太陽(yáng)能電池的測(cè)試結(jié)果

【權(quán)利要求】
1. 一種染料敏化太陽(yáng)能電池光陽(yáng)極的修飾方法，其特征在于，采用金屬離子摻雜阻隔 層處理二氧化鈦納米多孔薄膜，其包括如下步驟： a. 光陽(yáng)極修飾溶液的配制：將Μ金屬鹽離子化合物以一定比例加入到已配好的40mM 的TiCl4溶液中，在室溫的條件下按照離子的摩爾比配制成M :Ti=0. 25-2%的光陽(yáng)極修飾 溶液； b. 光陽(yáng)極的修飾：將經(jīng)過(guò)500°C煅燒處理后的二氧化鈦多孔薄膜靜置于在所述步驟a 中配制的光陽(yáng)極修飾溶液中，并于70°C保溫30min，用去離子水沖洗后，再經(jīng)過(guò)500°C煅燒 30min，得到修飾后的二氧化鈦多孔膜，然后將修飾后的二氧化鈦多孔膜浸泡于N719染料 中，靜置24小時(shí)，然后取出，用乙醇清洗后，冷風(fēng)吹干，即得到經(jīng)Μ金屬離子摻雜阻隔層修飾 的涂覆有二氧化鈦多孔薄膜的光陽(yáng)極。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的染料敏化太陽(yáng)能電池光陽(yáng)極的修飾方法，其特征在于： 在所述步驟a中，Μ金屬鹽離子采用Al3+、Mg 2+、Zn2+、Fe3+、Fe2+和Li+中的任意一種離子或任 意幾種離子，再經(jīng)過(guò)所述步驟b，形成對(duì)應(yīng)的金屬離子摻雜。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的染料敏化太陽(yáng)能電池光陽(yáng)極的修飾方法，其特征在于： 在所述步驟a中，Μ金屬鹽離子化合物為硝酸鹽或氯化物鹽。
【文檔編號(hào)】H01G9/20GK104240957SQ201410474338
【公開(kāi)日】2014年12月24日 申請(qǐng)日期:2014年9月17日 優(yōu)先權(quán)日:2014年9月17日
【發(fā)明者】施利毅, 袁帥, 侯睿恩, 趙尹, 王竹儀, 張美紅 申請(qǐng)人:上海大學(xué)