复合光阳极的制备方法
【技术领域】
[0001 ] 本发明涉及材料领域中用于染料敏化太阳能电池的Zn0/Sn02复合光阳极的制备 方法。
【背景技术】
[0002] 随着社会经济的不断发展，传统化石能源将逐渐枯竭，能源危机不可避免，因此寻 找可替代新能源已成为世界各国发展的首要问题。在目前的新能源领域中，太阳能以其资 源丰富、分布广、无污染，以及"取之不尽、用之不竭"等优点，将成为最有希望的未来可持续 能源之一。在此背景下，太阳能光伏发电已成为近几十年来发展迅猛的可再生能源技术。
[0003]目前，太阳能电池已从第一代的硅基太阳能电池，第二代的多元化合物薄膜太阳 能电池发展到第三代的纳米晶太阳能电池。染料敏化太阳能电池OyeSensitizedSolar Cells，简称DSSC)就是第三代电池的典型代表。该类电池以其制备成本低廉、安全无毒、原 材料丰富、工艺技术相对简单等优势，被认为是实现太阳能大规模利用的主要后备军。
[0004]染料敏化太阳能电池主要由光阳极（透明导电基底、纳米半导体薄膜、染料敏化 剂）、电解质和对电极三部分组成。从DSSC的工作原理来讲，只要满足能量匹配原则，能够 吸附足量染料的半导体均可用作染料敏化太阳能电池的光阳极。ZnO和Sn02禁带宽度分别 为3. 2eV和3. 5eV，均与N719染料的能带结构有较好的匹配度。但是ZnO光阳极薄膜在酸 性N719染料中的稳定性差，易被酸性染料腐蚀，形成聚集体，进而影响电池的光电转换效 率；Sn02导带能级较低，电子注入过程中能量损失较大，使得电池的开路电压仅有0. 45V左 右，限制了电池效率的提升。另一方面，311〇2的物理和化学特性稳定，当与ZnO-起制备成 复合光阳极时，可明显提高ZnO的稳定性，抑制酸性染料对ZnO薄膜的腐蚀；其次，ZnO的 导带位略高于Sn02，可改善Sn02电子注入效率低的问题；再者，ZnO的电子迀移率为200? 1000cm2 ?T1 ?S'而Sn02电子迀移率为100?200cm2 ?T1 ?S'复合结构中的电子传输速 度必定高于纯Sn02基光阳极薄膜中的电子传输速度，这对提高载流子的传输速度、抑制载 流子复合有着很大的帮助。所以，为实现光电转换效率的提升，制备Zn0/Sn02复合光阳极， 提高电池的稳定性及改善电子注入效率，具有重要的科学意义和应用价值。
[0005]目前，染料敏化太阳能电池所使用的光阳极均为纳米半导体薄膜材料。关于纳米 材料的制备方法有很多，其中水热法、气相沉积法、共沉淀法、溶胶凝胶法等在染料敏化太 阳能电池上的应用较为广泛。但在实际生产中，这些方法的生产成本相对较高、生产周期 长、产率低，在很大程度上制约了该类太阳能电池的规模性生产。两步固相法（第一步低热 固相法，第二步中温固相法）在制备211〇/511〇 2复合纳米光阳极材料方面具有生产成本低、 生产效率高、产物纯度高、绿色环保、设备简单、操作简单等特点，在看重经济效益的太阳能 电池领域，具有明显的优势。
【发明内容】
[0006] 本发明的目的在于提供用于染料敏化太阳能电池的Zn0/Sn02复合光阳极的制备 方法，使得Zn0、Sn02两种半导体材料能均匀的分散混合在一起，形成质量优良的薄膜材料， 不仅提高了ZnO在酸性染料中的稳定性，同时改善了Sn02i子注入效率低的问题，进而增 强电池的稳定性，加快载流子的传输速度，提高电池的光电转换效率。本发明成本低、生产 效率高、绿色环保，原理可靠、操作简单且有利于实际生产，为染料敏化太阳能电池的产业 化提供了一条新途径，具有广阔的市场前景。
[0007] 为达到以上技术目的，本发明提供以下技术方案：
[0008] 用于染料敏化太阳能电池的211〇/511〇2复合光阳极的制备方法，依次包括以下步 骤：
[0009] (1)用低热固相法制备Zn0/Sn02复合前驱体：
[0010] 1)按1?3:1?3的摩尔比称取六水合硝酸锌（Zn(N03)2 *6H20)和五水四氯化锡 (SnCl4 ? 5H20)，在室温条件下，将其混合放置于玛瑙研钵中，进行研磨，得到Zn(N03)2 ? 6H20 和SnCl4 ? 5H20混合物；
[0011] 2)按照Zn(N03)2 ? 6H20:SnCl4 ? 5H20:NaHC03= 1 ?3:1 ?3:6 ?14 的摩尔比称 量碳酸氢钠（NaHC03)，NaHC03可以用NaOH、Na2C03替换，缓慢加入到上述混合物中研磨，形 成均匀细小的白色糊状（因水合物放出水所致）前驱体，放入50?80°C的烘箱中反应5? 12h；
[0012] 3)用去离子水、无水乙醇对白色糊状前驱体进行洗涤、过滤，采用0. 1?lmol七1 硝酸银（AgN〇3)溶液对滤液中的cr进行检测，直到无Cllt出为止，将过滤后的前驱体进 行干燥，干燥温度90?100°C，时间4?8h，得到Zn0/Sn02复合前驱体。
[0013] (2)用中温固相法制备Zn0/Sn02复合纳米粉体：
[0014] 将Zn0/Sn02复合前驱体进行中温处理，控制温度在400?600°C范围，保温时间 1?2h，随炉冷却，研磨后得到211〇/311〇2复合纳米粉体。
[0015] (3)制备Zn0/Sn02复合光阳极：
[0016] 1)称量0? 8?1. 2§211〇/511〇2复合纳米粉体、0? 3?0? 36g乙基纤维素、3. 2?3. 8mL 松油醇、0. 1?0. 2mL乙酸和30?50mL无水乙醇，配制成薄膜衆料；
[0017] 2)采用刮涂法制备Zn0/Sn02光阳极薄膜，在60?80°C条件下烘干；
[0018] 3)将烘干后的薄膜在325?500°C进行灼烧，随炉冷却获得Zn0/Sn02复合光阳极 薄膜。
[0019] 采用0. 2?0. 3mmol?I71的N719染料对ZnO/SnO2光阳极薄膜进行敏化处理，并 与Pt对电极组装在一起，加入I3_/T电解质，制备出Zn0/Sn02S染料敏化太阳能电池，用于 电池光电性能的表征，检测电池的光电转换性能。
[0020] 与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
[0021] (1)本发明提供的采用两步固相法制备染料敏化太阳能电池光阳极材料，可直接 简便获得Zn0/Sn02的纳米复合体，避免在液相体系中生成Zn(OH)dPSn(OH) 4，进而转化成 羟基锡酸锌Zn2Sn(0H) 8或Zn#11〇4的问题，为电池的产业化提供重要参考；
[0022](2)本发明所制备的光阳极提高了ZnO在酸性染料中的稳定性，以及降低了Sn02 薄膜中的电子注入损耗，加快了载流子的传输速度，降低了电池的暗电流，电池的光电转换 效率提高到6. 25 %，分别较单一ZnO基和Sn02基光阳极提高了约2. 3倍和6倍；
[0023] (3)本发明可广泛应用于染料敏化太阳能电池领域，生产成本低廉、操作简单、绿 色环保、生产效率高，具有广阔的市场前景。
【附图说明】
[0024] 图1是211〇/511〇2复合纳米粉体的XRD图；
[0025] 图2是211〇/511〇2复合纳米光阳极薄膜的SEM图；
[0026] 图3是ZnO基、Sn02基、ZnO/SnO2复合光阳极太阳能电池J-V曲线；
[0027] 图4是ZnO基、Sn02基、ZnO/SnO2复合光阳极太阳能电池暗电流曲线。
【具体实施方式】
[0028] 以下结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
[0029] 对于本领域下的普通技术人员说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发 明进行若干修饰和改进，这些修饰和改进也落入本发明的保护范围内。
[0030] 一 .Zn0/Sn02复合光阳极的制备
[0031] 实施例1 :
[0032]