稀土均苯三甲酸配合物/三氧化二钇/二氧化钛复合光阳极及其构筑方法与流程

本发明复合光阳极及其构筑领域。

背景技术：

染料敏化太阳能电池(dye-sensitizedsolarcells，简称为dsscs)因其绿色环保的特性以及成本低、操作简单易行等优势，在新能源领域广受关注，并在理论和实践应用双重领域迅速发展。影响染料敏化太阳能电池光电性能的因素主要有光阳极材料结构、电解质组成、对电极性能、染料吸收光谱等。目前体系中常用的染料为n3、n719、c101和c103等，其光谱吸收范围仅占太阳光谱的45％左右，由于光谱匹配问题使得部分光子不能被电池有效利用，这在一定程度上限制了dsscs光转换效率的进一步提升。通过制备高效宽光谱吸收染料、微观调控半导体材料的结构和组成、加大染料和光阳极半导体材料之间的吸附结合力、增大电子传输效率，进而提升了dsscs光转换效率。光阳极作为染料敏化太阳能电池最重要的组成部分，起着负载敏化剂以及收集和传输电子的作用，一直以来是解决dsscs光电转换效率研究领域的主要攻破方向。

技术实现要素：

本发明要解决现有光阳极作为染料敏化太阳能电池光电转换效率低的技术问题，而提供稀土均苯三甲酸配合物/三氧化二钇/二氧化钛复合光阳极及其构筑方法。

稀土均苯三甲酸配合物/三氧化二钇/二氧化钛复合光阳极的制备材料包括ln(btc)/y2o3:ln³⁺复合物、tio2和fto导电玻璃；其中fto导电玻璃为掺杂f的导电玻璃；ln(btc)/y2o3:ln³⁺复合物和tio2的质量比为1∶(100～1000)。

ln(btc)/y2o3:ln³⁺复合物的制备方法按以下步骤进行：

一、将均苯三甲酸和n,n-二甲基甲酰胺混合溶解，加入到氯化物水溶液中，获得混合物；

二、将步骤一获得的混合物进行溶剂热处理，溶剂热处理温度为60～100℃，处理时间为12～24h，然后用甲醇洗涤离心，将离心获得的沉淀物干燥，干燥温度为60～80℃，得到稀土均苯三甲酸配合物晶体；

三、将步骤二获得的稀土均苯三甲酸配合物晶体放入马弗炉中进行高温煅烧，高温煅烧温度为400～450℃，制得ln(btc)/y2o3:ln³⁺复合物。

所述的稀土均苯三甲酸配合物/三氧化二钇/二氧化钛复合光阳极的构筑方法，具体按以下步骤进行：

a、将ln(btc)/y2o3:ln³⁺复合物与tio2混合，获得混合溶胶；

b、采用刮涂法将步骤a获得的混合溶胶均匀刮涂在fto玻璃表面，然后煅烧，自然冷却，再采用刮涂法刮涂一层步骤a获得的混合溶胶，再次煅烧，自然冷却，然后放入染料中浸泡，用无水乙醇冲洗，即完成所述稀土均苯三甲酸配合物/三氧化二钇/二氧化钛复合光阳极的构筑方法。

其中步骤b中煅烧后得到的预制复合光阳极，如保存一段时间后进行染料，则在放入染料前，在温度为85℃条件下，干燥25h再进行染料。

本发明的有益效果是：

本发明通过优化半导体材料的比表面积，增大染料的吸附量，进而提升光捕获能力，改善光电性能。本发明将制备的无机-有机杂化材料引入到传统的tio2光阳极中，并在其中摻入具有特殊物理、化学特性的稀土元素，将下转换发光材料引入到太阳能电池中，提高了光电流和光利用率，拓宽光谱吸收范围，从而提高电池效率。并且下转换发光可以降低紫外线对染料的影响，减少氧化还原电对的消耗，对于电池的稳定性也有一定帮助。本发明ln(btc)/y2o3:ln³⁺/tio2复合光阳极制备的操作简单易行、成本低廉、生产危险性较低。稀土的掺杂有益于拓宽光阳极的光响应区域，降低紫外光对于染料的影响；ln(btc)/y2o3:ln³⁺复合物比表面积较大，进而提高了光阳极对于染料分子的吸附。电池的光电转换效率和稳定性得以提升，可有效实现工业化生产。

经验证本发明得到的稀土均苯三甲酸配合物/三氧化二钇/二氧化钛复合光阳极电池的光电转换效率相较传统的tio2光阳极电池提升了10.9％。

本发明制备的稀土均苯三甲酸配合物/三氧化二钇/二氧化钛复合光阳极用于光阳极电池中。

附图说明

图1为实施例一制得的ln(btc)/y2o3:ln³⁺复合物的透射电子显微镜照片；

图2为实施例一制得的ln(btc)/y2o3:ln³⁺复合物的xrd图谱；

图3为实施例一所得的稀土均苯三甲酸配合物/三氧化二钇/二氧化钛复合光阳极组成染料敏化太阳能电池的光电流密度-光电压曲线图，a代表实施例一得到的稀土均苯三甲酸配合物/三氧化二钇/二氧化钛复合光阳极，b代表传统的tio2光阳极。

具体实施方式

本发明技术方案不局限于以下所列举的具体实施方式，还包括各具体实施方式之间的任意组合。

具体实施方式一：本实施方式稀土均苯三甲酸配合物/三氧化二钇/二氧化钛复合光阳极的制备材料包括ln(btc)/y2o3:ln³⁺复合物、tio2和fto导电玻璃；其中fto导电玻璃为掺杂f的导电玻璃；ln(btc)/y2o3:ln³⁺复合物和tio2的质量比为1∶(100～1000)。

具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：fto导电玻璃的面电阻为30ω/cm²，长度为2cm，宽度为1.5cm，厚度为3mm。其它与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二不同的是：ln(btc)/y2o3:ln³⁺复合物的制备方法按以下步骤进行：

一、将均苯三甲酸和n,n-二甲基甲酰胺混合溶解，加入到氯化物水溶液中，获得混合物；

二、将步骤一获得的混合物进行溶剂热处理，溶剂热处理温度为60～100℃，处理时间为12～24h，然后用甲醇洗涤离心，将离心获得的沉淀物干燥，干燥温度为60～80℃，得到稀土均苯三甲酸配合物晶体；

三、将步骤二获得的稀土均苯三甲酸配合物晶体放入马弗炉中进行高温煅烧，高温煅烧温度为400～450℃，制得ln(btc)/y2o3:ln³⁺复合物。其它与具体实施方式一或二相同。

具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是：步骤一中氯化物水溶液为氯化铕水溶液、氯化钇水溶液、氯化铽水溶液和氯化铒水溶液中的一种或者其中几种的混合，氯化物水溶液的浓度为0.05mol/l，氯化物水溶液中氯化物与均苯三甲酸物质的量的比值为1∶1。其它与具体实施方式一至三之一相同。

具体实施方式五：稀土均苯三甲酸配合物/三氧化二钇/二氧化钛复合光阳极的构筑方法，具体按以下步骤进行：

a、将ln(btc)/y2o3:ln³⁺复合物与tio2混合，获得混合溶胶；

b、采用刮涂法将步骤a获得的混合溶胶均匀刮涂在fto玻璃表面，然后煅烧，自然冷却，再采用刮涂法刮涂一层步骤a获得的混合溶胶，再次煅烧，自然冷却，然后放入染料中浸泡，用无水乙醇冲洗，即完成所述稀土均苯三甲酸配合物/三氧化二钇/二氧化钛复合光阳极的构筑方法。

具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式五不同的是：步骤a中ln(btc)/y2o3:ln³⁺复合物与tio2的质量比为1∶(100～1000)。其它与具体实施方式五相同。

具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式五或六不同的是：步骤b中两次刮涂混合溶胶的厚度均为5～10μm。其它与具体实施方式五或六相同。

具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式五至七之一不同的是：步骤b中两次刮涂混合溶胶的厚度均为8μm。其它与具体实施方式五至七之一相同。

具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式五至八之一不同的是：步骤b中两次煅烧温度均为460℃，煅烧时间为40min，升温速率为25℃/min。其它与具体实施方式五至八之一相同。

具体实施方式十：本实施方式与具体实施方式五至九之一不同的是：步骤b中染料为n719染料，染料的密度为4.0×10^-4g/ml，浸泡时间为75h。其它与具体实施方式五至九之一相同。

采用以下实施例验证本发明的有益效果：

实施例一：

本实施例稀土均苯三甲酸配合物/三氧化二钇/二氧化钛复合光阳极的构筑方法，具体按以下步骤进行：

a、将ln(btc)/y2o3:ln³⁺复合物与商业tio2(p25)按照质量比为1∶1000混合，获得混合溶胶；

b、采用刮涂法将步骤a获得的混合溶胶均匀刮涂在fto玻璃表面，刮涂混合溶胶的厚度为8μm，然后在空气气氛下煅烧，控制升温速率为25℃/min，煅烧温度为460℃，煅烧时间为40min，自然冷却，再采用刮涂法刮涂一层步骤a获得的混合溶胶，刮涂混合溶胶的厚度为8μm，再次煅烧，控制升温速率为25℃/min，煅烧温度为460℃，煅烧时间为40min，自然冷却，然后放入染料中浸泡75h，用无水乙醇冲洗，即完成所述稀土均苯三甲酸配合物/三氧化二钇/二氧化钛复合光阳极的构筑方法。

步骤b染料为n719染料，密度为4.0×10^-4g/ml。

其中步骤a中ln(btc)/y2o3:ln³⁺复合物的制备方法按以下步骤进行：

一、将0.0210g均苯三甲酸和n,n-二甲基甲酰胺混合溶解，加入到0.06mmol氯化铕和0.94mmol氯化钇混合水溶液中，获得混合物；均苯三甲酸和n,n-二甲基甲酰胺的质量比为1∶3600；

二、将步骤一获得的混合物进行溶剂热处理，溶剂热处理温度为80℃，处理时间为20h，然后用甲醇洗涤离心，将离心获得的沉淀物干燥，干燥温度为70℃，得到稀土均苯三甲酸配合物晶体；

三、将步骤二获得的稀土均苯三甲酸配合物晶体放入马弗炉中进行高温煅烧，高温煅烧温度为420℃，制得ln(btc)/y2o3:ln³⁺复合物。

本实施例制得的ln(btc)/y2o3:ln³⁺复合物的透射电子显微镜照片如图1所示；本实施例制得的ln(btc)/y2o3:ln³⁺复合物的xrd图谱如图2所示；本实施例所得的稀土均苯三甲酸配合物/三氧化二钇/二氧化钛复合光阳极组成染料敏化太阳能电池的光电流密度-光电压曲线图如图3所示，a代表本实施例得到的稀土均苯三甲酸配合物/三氧化二钇/二氧化钛复合光阳极，b代表传统的tio2光阳极，经验证本实施例得到的稀土均苯三甲酸配合物/三氧化二钇/二氧化钛复合光阳极电池的光电转换效率相较传统的tio2光阳极电池提升了10.9％。