染料敏化Zn₂TiO₄纳米晶薄膜太阳能电池及其制备方法

专利名称：染料敏化Zn₂TiO₄纳米晶薄膜太阳能电池及其制备方法
技术领域：
本发明属于太阳能电池技术领域，更具体涉及一种染料敏化Si2TiO4纳米晶薄膜太阳能电池及其制备方法。
背景技术：
染料是染料敏化太阳能电池(Dye-sensitized Solar Cell, DSSC)的核心部分之一，其作用是吸收太阳光，产生光电子，并将光电子传输到氧化物半导体导带上。因此，染料敏化剂性能的优劣对整个电池装置的光电转化效率起着决定性作用。目前，仍以利用稀有金属钌配合物染料敏化TiO2纳米晶太阳能电池的光电转化效率最高为ll.Sc/ο.由于单一的染料敏化受到染料吸收光谱的限制，很难与太阳的发射光谱相匹配，所以为了达到最佳的敏化效果，集结各种染料的优点，采用多种染料协同敏化成为DSSC研究的重点之一。 Zn2TiO4纳米晶是一种可作为负极的半导体材料。但是，目前还未天然染料与钌染料协同敏化Si2TiO4纳米晶薄膜太阳能电池相关专利报道。

发明内容
本发明的目的是提供一种天然染料与钌染料协同敏化Si2TiO4纳米晶薄膜太阳能电池及其制备方法，该太阳能电池制备简单，电池性能好，具有优异的经济效益。本发明的天然染料与钌染料协同敏化Si2TiO4纳米晶薄膜太阳能电池所述太阳能电池为三明治结构的太阳能电池；所述太阳能电池的两边分别是导电玻璃FTO和对电极，中间两部分分别为浸渍天然染料和钌染料的Si2TiO4纳米晶和电解质溶液。对电极为带 AU镀层的导电玻璃FTO。(正确的)作为优选，天然染料是从月季中提取的，钌染料为N719。作为优选，Zn2TiO4纳米晶的粒径为10-15nm。太薄和太后都敏化效果不好。该太阳能电池的制备方法的具体步骤为(1)天然染料的制备将采集到的月季叶子洗净凉干，称量后用研钵磨碎放到棕色试剂瓶中，加入无水乙醇，在黑暗处浸泡一周以上。将滤液浓缩，得到天然色素的乙醇溶液，装入棕色试剂瓶备用。(2)Zn2TiO4纳米晶薄膜电极的制备①用钛酸丁酯、二乙醇胺、去离子水和无水乙醇，按体积比3 :1:1: 12的比例配制成透明溶胶I。②用二水合醋酸锌为反应前驱体，乙醇胺为稳定剂，乙二醇甲醚为溶剂。按乙醇胺与锌离子的摩尔比为1 1的比例配制Si2+浓度为0. 5-0. 6mol/l的溶胶II。③分别量取一定体积的溶胶I和II，按Si与Ti 的摩尔比2 1进行混合，并磁力搅拌使之混合均勻，再加入适量的表面活性剂，如聚乙二醇PEG400，并搅拌均勻，得到胶体III。④取制备好的胶体III滴于导电玻璃上，用旋涂成膜法在导电面上涂均勻；将涂覆好胶体的FTO干燥10-15min，重复涂膜以控制膜厚；然后在 450-550°C，烧结60-90min，即制备成纳米结构Si2TiO4薄膜电极。(3)染料敏化太阳能电池的组装将上述制备好的Si2TiO4电极玻璃片浸入到制备好的月季叶染料的乙醇溶液中，室温浸泡36-48小时，取出后用无水乙醇清洗干净，晾干， 然后浸入到钌染料N719的溶液中12-M小时后取出晾干，即为染料敏化的Si2TiO4电极。再把它与对电极和注入的液态电解质溶液组装在一起，形成三明治的染料敏化太阳能电池。与不同染料敏化剂混合后一次浸染相比，分开浸染的光电转换效率更高，可能与混合后两种敏化剂产生化学反应有关，而分开浸染敏化的吸收效果更好。所使用的液态电解质溶液采用常规的染料敏化太阳能电池电解质溶液。本发明的显著优点是本发明的Si2TiO4纳米晶是一种很好的半导体材料，小粒径的Si2TiO4纳米晶制备过程简单，纯度高，较大比表面能吸附的染料，从而增加了光的利用率，本发明首次提供一种天然染料和钌染料协同敏化Si2TiO4纳米晶薄膜太阳能电池及其制备方法，光电能量转化效率达到3. 81 %以上，制备方法，简单具有良好的电学性能，具有很好的经济效益。


图1是本发明的三明治结构的染料敏化太阳能电池的示意图，1导电玻璃FT0; 2Zn2Ti04纳米晶；3染料敏化剂4电解质溶液；5Au镀层6导电玻璃FTO
具体实施例方式实施例1染料敏化Si2TiO4纳米晶薄膜太阳能电池的制备方法天然染料的制备(1)天然染料的制备将采集到的月季叶子洗净烘干，称量后用研钵磨碎放到棕色试剂瓶中，加入无水乙醇，在黑暗处浸泡一周以上。将滤液浓缩，得到天然色素的乙醇溶液，装入棕色试剂瓶备用。Zn2TiO4纳米晶薄膜电极的制备①用钛酸丁酯、二乙醇胺、去离子水和无水乙醇， 按体积比3 :1:1: 12的比例配制成透明溶胶I。②用二水合醋酸锌为反应前驱体，乙醇胺为稳定剂，乙二醇甲醚为溶剂。按乙醇胺与锌离子的摩尔比为1 1的比例配制Si2+浓度为0. 5mol/l的溶胶II。③分别量取一定体积的溶胶I和II，按Si与Ti的摩尔比2 1 进行混合，并磁力搅拌使之混合均勻，再加入适量的表面活性剂聚乙二醇PEG400，并搅拌均勻，得到胶体III。④取制备好的胶体III滴于导电玻璃上，用旋涂成膜法在导电面上涂均勻；将涂覆好胶体的FTO干燥lOmin，重复涂膜以控制膜厚；然后在550°C，烧结60min，即制备成纳米结构Si2TiO4薄膜电极。染料敏化太阳能电池的组装将上述制备好的Si2TiO4电极玻片。浸入到制备好的月季叶染料的乙醇溶液中，室温浸泡48小时，取出后用无水乙醇清洗干净，晾干，然后浸入到钌染料N719的溶液中M小时后取出，即为染料敏化的Si2TiO4电极。再把它与对电极和注入的液态电解质溶液组装在一起，形成三明治的染料敏化太阳能电池。实施例2染料敏化Si2TiO4纳米晶薄膜太阳能电池的制备方法(1)天然染料的制备将采集到的月季叶子洗净凉干，称量后用研钵磨碎放到棕色试剂瓶中，加入无水乙醇，在黑暗处浸泡一周以上。将滤液浓缩，得到天然色素的乙醇溶液，装入棕色试剂瓶备用。(2)Zn2TiO4纳米晶薄膜电极的制备①用钛酸丁酯、二乙醇胺、去离子水和无水乙醇，按体积比3 :1:1: 12的比例配制成透明溶胶I。②用二水合醋酸锌为反应前驱体，乙醇胺为稳定剂，乙二醇甲醚为溶剂。按乙醇胺与锌离子的摩尔比为1 1的比例配制Si2+ 浓度为0. 6mol/l的溶胶II。③分别量取一定体积的溶胶I和II，按Si与Ti的摩尔比2 1 进行混合，并磁力搅拌使之混合均勻，再加入适量的表面活性剂，如聚乙二醇PEG400，并搅拌均勻，得到胶体III。④取制备好的胶体III滴于导电玻璃上，用旋涂成膜法在导电面上涂均勻；将涂覆好胶体的FTO干燥15min，重复涂膜以控制膜厚；然后在550°C，烧结90min， 即制备成纳米结构Si2TiO4薄膜电极。(3)染料敏化太阳能电池的组装将上述制备好的Si2TiO4电极玻璃片浸入到制备好的月季叶染料的乙醇溶液中，室温浸泡36小时，取出后用无水乙醇清洗干净，晾干，然后浸入到钌染料N719的溶液中12小时后取出晾干，即为染料敏化的Si2TiO4电极。再把它与对电极和注入的液态电解质溶液组装在一起，形成三明治的染料敏化太阳能电池。实施例3不同染料敏化太阳能电池性能测试以氙灯为模拟太阳光源，在光强lOOMw/cm2，AMI. 5条件下测试其光电转换效率。
权利要求
1.一种染料敏化Si2TiO4纳米晶薄膜的太阳能电池，其特征在于所述太阳能电池为三明治结构的太阳能电池；所述太阳能电池的两边分别是导电玻璃FTO和对电极，中间两部分分别为浸渍天然染料和钌染料的Si2TiO4纳米晶和电解质溶液。
2.根据权利要求ι所述的染料敏Kai2TiO4纳米晶薄膜的太阳能电池，其特征在于天然染料是从月季中提取的，钌染料为N719。
3.根据权利要求ι所述的染料敏Kai2Tio4纳米晶薄膜的太阳能电池，其特征在于 Zn2TiO4纳米晶的粒径为10-15nm。
4.一种权利要求1或2所述的染料敏Kai2TiO4纳米晶薄膜的太阳能电池的制备方法， 其特征在于所述制备方法的步骤(1)天然染料的制备将采集的月季叶子，洗净烘干，称量后用研钵磨碎放到棕色试剂瓶中，加入无水乙醇，在黑暗处浸泡一周以上；滤液浓缩，得到天然色素的乙醇溶液，装入棕色试剂瓶备用；(2)Zn2TiO4纳米晶薄膜电极的制备①用钛酸丁酯、二乙醇胺、去离子水和无水乙醇， 按体积比3 :1:1: 12的比例配制成透明溶胶I ；②用二水合醋酸锌为反应前驱体，乙醇胺为稳定剂，乙二醇甲醚为溶剂，按乙醇胺与锌离子的摩尔比为1 1的比例配制Si2+浓度为0. 5-0. 6mol/l的溶胶II ；③分别量取一定体积的溶胶I和II，按Si与Ti的摩尔比2 1 进行混合，并磁力搅拌使之混合均勻，再加入适量的表面活性剂，如聚乙二醇PEG400，并搅拌均勻，得到胶体III ；④取制备好的胶体III滴于导电玻璃上，用旋涂成膜法在导电面上涂均勻；将涂覆好胶体的FTO干燥10-15min，重复涂膜以控制膜厚；然后在450_550°C，烧结60-90min，即制备成纳米结构Zn2TiO4薄膜电极；(3)染料敏化太阳能电池的组装将上述制备好的Si2TiO4电极玻璃片浸入到制备好的月季叶染料的乙醇溶液中，室温浸泡36-48小时，取出后用无水乙醇清洗干净，晾干，然后浸入到钌染料N719的溶液中12-24小时后取出晾干，即为染料敏化的Si2TiO4电极。再把它与对电极和注入的液态电解质溶液组装在一起，形成三明治的染料敏化太阳能电池。
全文摘要
本发明提供一种染料敏化Zn2TiO4纳米晶薄膜的太阳能电池及其制备，该太阳能电池为三明治结构的天然染料敏化太阳能电池；所述太阳能电池的两边部分别为导电玻璃FTO和对电极，中间两部分分别为浸渍有天然染料和钌染料的Zn2TiO4纳米晶和电解质溶液。制备步骤包括Zn2TiO4纳米晶薄膜层的制备，天然染料的制备和组装染料敏化太阳能电池。本发明制备方法简单，成本降低，电池性能好，具有优异的经济效益。
文档编号H01G9/042GK102509636SQ20111035968
公开日2012年6月20日 申请日期2011年11月14日 优先权日2011年11月14日
发明者何祖明, 唐斌, 夏咏梅, 曹先胜, 黄正逸 申请人:常州大学