一种染料敏化太阳能电池NiO光阴极的制备方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于染料敏化太阳能电池光电极制备技术领域，具体涉及一种染料敏化太 阳能电池 Ni0光阴极的制备方法。
【背景技术】
[0002] 自2000年Lindquist等人提出p-n型叠层电池，p-型电池的研究即成为热点。 2008年Hagfeldt and Sun等人第一次提出P-型染料敏化电池，染料作为敏化剂成功敏化 氧化镍作为光阴极。2010年该课题组提出氧化镍作为光阴极材料，有机物作为敏化剂，制备 的染料敏化太阳能电池的短路光电流为5. 48mA · cm 2。与此同时，Bauerle and Bach等人 采用PMI-6T-TAPdye制备的短路电池光电流为7. 0 mA · cm 2。目前所知，Cheng Yibing课 题组采用〇13順种13/附0作为光阴极，短路电池光电流达到了9.47 11^〇112。虽然该类型 染料敏化太阳能电池的短路光电流已经有大幅度的提高，但是成效并不是非常明显，并且 有机染料造价高、污染严重。
【发明内容】
[0003] 本发明目的在于克服现有技术缺陷，提供一种染料敏化太阳能电池 NiO光阴极的 制备方法。
[0004] 为实现上述目的，本发明采用如下技术方案： 一种染料敏化太阳能电池 NiO光阴极的制备方法，其包括如下步骤： 1) 在NiO水溶胶中添加乙基纤维素或羧甲基纤维素，混匀后刮涂或丝网印刷在透明导 电玻璃衬底上，自然晾干，然后于350 - 500°C下煅烧30 - 60min(用以除去残留的有机物） 获得厚度300nm - 1. 6 μ m的NiO纳米晶多孔薄膜；其中以NiO计，乙基纤维素或羧甲基纤 维素的添加量为NiO重量的3 - 40% ; 2) 将分散在甲苯中的CdSe1 {,量子点电沉积在NiO纳米晶多孔薄膜上(沉积电压为 50V)即得，其中0 < X < 1。
[0005] 具体的，步骤2 )所述CdSe1义量子点采用热注入法制备获得，具体为：将 0. 386mmol氧化锦加入到I. 63mmol油酸与IOml十八稀的混合物中获得体系一，于80°C通 入惰性气体Ih以去除空气，然后加热(约需180 - 300°C)至体系一变澄清；将硒粉、硫粉的 油胺溶液混合后，注入到变澄清的体系一中反应30 - 180s，加入正丁醇使量子点沉淀，洗 涤沉淀即得。
[0006] 本发明的理论依据为：在NiO水溶胶(可采用本领域常规技术制备获得）中添加乙 基纤维素或羧甲基纤维素等有机高分子添加剂，增加其成膜性能，以制备无裂纹的NiO纳 米晶多孔薄膜。通过控制Se元素在Se+S中的比例，调控CdSe1 {,量子点的吸光范围和能 级结构，以提高NiO光阴极的光吸收效率及光生电子的收集效率，从而制备出高效的染料 敏化太阳能电池 NiO光阴极。
[0007] 和现有技术相比，本发明的有益效果： 本发明利用CdSe1 XSX量子点敏化NiO纳米晶多孔薄膜，制备获得高效的染料敏化太阳 能电池 NiO光阴极，其具有较高的短路光电流，可以实现与染料敏化太阳能电池光阳极的 匹配，满足制备高效p-n型叠层电池的需求。此外，通过调控Se、S的比例来控制光阴极吸 收太阳光的波长范围，从而制备不同光吸收波段的光阴极。制备所得光阴极经优化后，光电 转换效率为1. 02%。
【附图说明】
[0008] 图1为采用未添加乙基纤维素的NiO水溶胶制备的NiO薄膜SEM图； 图2为采用添加乙基纤维素的NiO水溶胶制备的NiO薄膜SEM图，图中（a)为表面；（b) 为横截面； 图3为不同Se与Se+S比例的量子点溶液的吸收光谱图。
【具体实施方式】
[0009] 以下结合实施例对本发明的技术方案作进一步地详细介绍，但本发明的保护范围 并不局限于此。
[0010] 下述实施例中，NiO水溶胶的制备以氯化镍为原料，具体可参照文献（Syntheses of NiO nanoporous films using nonionic triblock co-polymer templates and their application to photo-cathodes of p-type dye-sensitized solar cells， Seiichi Sumikura, Shogo Mori, Shinya Shimizu, Hisanao Usami, Eiji Suzuki， Journal of Photochemistry and Photobiology A: Chemistry, 2008，199: 1-7)进行。
[0011] 实施例1 NiO纳米晶多孔薄膜的制备：将NiO水溶胶刮涂在透明导电玻璃衬底上，自然晾干，然 后于400°C下煅烧30min获得厚度约为400nm的NiO纳米晶多孔薄膜，其SEM照片见图1。 由图1可以看出：所制备的NiO薄膜由NiO纳米颗粒组成，但薄膜中存在大量裂纹，甚至导 致NiO薄膜从导电玻璃衬底上脱落。
[0012] 实施例2 NiO纳米晶多孔薄膜的制备：在NiO水溶胶中添加乙基纤维素，混匀后刮涂在透明导电 玻璃衬底上，自然晾干，然后于400°C下煅烧30min获得厚度约为1 μ m的NiO纳米晶多孔薄 膜；其中以NiO计，乙基纤维素的添加量为NiO重量的30% ;其SEM照片见图2。由图2可以 看出：添加有机高分子添加剂乙基纤维素后，制备的NiO薄膜颗粒大小均一，薄膜平整无裂 纹，NiO薄膜与导电玻璃衬底结合牢固。
[0013] 将实施例2所得NiO纳米晶多孔薄膜用于下述实施例3至7所述染料敏化太阳 能电池 NiO光阴极的制备。下述实施例3至7中的CdSe1 XSX量子点经下述方法获得：将 0. 386mmol氧化锦加入到I. 63mmol油酸与IOml十八稀的混合物中获得体系一，于80°C通 入惰性气体Ih以去除空气，然后加热300°C至体系一变澄清；将适量硒粉的油胺溶液与硫 粉的油胺溶液混合后，注入到变澄清的体系一中反应60s，加入正丁醇使量子点沉淀，洗涤 沉淀即得。CdSe量子点、CdS量子点可参照制备。
[0014] 实施例3 将分散在甲苯中的CdSe量子点电沉积在NiO纳米晶多孔薄膜上(沉积电压为50V)获 得染料敏化太阳能电池 NiO光阴极。
[0015] 利用0. 99876g硫酸铜与0. 15224g硫脲分别溶解在40ml去离子水中，采用热反应 法在100°C下加热8h制备的硫化铜电极作为对电极；由0. 8g硫、6g-水合硫化钠、0.1 g氢 氧化钠溶解于25ml水中制备的水溶液作为电解质，在lOOmW/cm2模拟太阳光光强下，进行 光电测量。
[0016] 实施例4 将分散在甲苯中的CdSe1 ,^量子点电沉积在NiO纳米晶多孔薄膜上(沉积电压为 50V)，获得染料敏化太阳能电池 NiO光阴极，其中Cd:Se: (Se+S)为3. 5:1:3. 5。
[0017] 利用0. 99876g硫酸铜与0. 15224g硫脲分别溶解在40ml去离子水中，采用热反应 法在100°C下加热8h制备的硫化铜电极作为对电极；由0. 8g硫、6g-水合硫化钠、0.1 g氢 氧化钠溶解于25ml水中制备的水溶液作为电解质，在lOOmW/cm2模拟太阳光光强下，进行 光电测量。
[0018] 实施例5 将分散在甲苯中的CdSe1 ,^量子点电沉积在NiO纳米晶多孔薄膜上(沉积电压为 50V)，获得染料敏化太阳能电池 NiO光阴极，其中Cd:Se: ( Se+S)为6:1:6。
[0019] 利用0. 99876g硫酸铜与0. 15224g硫脲分别溶解在40ml去离子水中，采用热反应 法在100°C下加热8h制备的硫化铜电极作为对电极；由0. 8g硫、6g-水合硫化钠、0.1 g氢 氧化钠溶解于25ml水中制备的水溶液作为电解质，在lOOmW/cm2模拟太阳光光强下，进行 光电测量。
[0020] 实施例6 将分散在甲苯中的CdSe1 ,^量子点电沉积在NiO纳米晶多孔薄膜上(沉积电压为 50V)，获得染料敏化太阳能电池 NiO光阴极，其中Cd:Se: ( Se+S)为26:1:26。
[0021] 利用0. 99876g硫酸铜与0. 15224g硫脲分别溶解在40ml去离子水中，采用热反应 法在100°C下加热8h制备的硫化铜电极作为对电极；由0. 8g硫、6g-水合硫化钠、0.1 g氢 氧化钠溶解于25ml水中制备的水溶液作为电解质，在lOOmW/cm2模拟太阳光光强下，进行 光电测量。
[0022] 实施例7 将分散在甲苯中的CdS量子点电沉积在NiO纳米晶多孔薄膜上(沉积电压为50V)获得 染料敏化太阳能电池 NiO光阴极。
[0023] 利用0. 99876g硫酸铜与0. 15224g硫脲分别溶解在40ml去离子水中，采用热反应 法在100°C下加热8h制备的硫化铜电极作为对电极；由0. 8g硫、6g-水合硫化钠、0.1 g氢 氧化钠溶解于25ml水中制备的水溶液作为电解质，在lOOmW/cm2模拟太阳光(采用Newport Oriel公司的AAA级太阳光模拟器生成）光强下，进行光电测量，有效光照面积为0. 25cm2。
[0024] 上述实施例3至7所得染料敏化太阳能电池 NiO光阴极的光电测试结果见下表和 图3。由下表可以看出：CdSe1 A量子点的成分对NiO光阴极的性能有很大的影响，当X为 〇或1时，光阴极的开路光电压和短路光电流均较小，光电转换效率较低；当〇 < X < 1时， 光阴极的开路光电压和短路光电流显著增大，光电转换效率较高，最高可达1. 02%。由图3 可以看出：随着CdSe1 XSX量子点Se与Se+S的比例变化，量子点的光吸收范围发生了明显 的变化，因此可通过调控Se、S的比例来控制光阴极吸收太阳光的波长范围，从而制备不同 光吸收波段的光阴极。
【主权项】
1. 一种染料敏化太阳能电池NiO光阴极的制备方法，其特征在于，包括如下步骤： 1) 在NiO水溶胶中添加乙基纤维素或羧甲基纤维素，混匀后刮涂或丝网印刷在透明导 电玻璃衬底上，自然晾干，然后于350 - 500°C下煅烧30 - 60min获得厚度300nm-I. 6ym 的NiO纳米晶多孔薄膜；以NiO计，乙基纤维素或羧甲基纤维素的添加量为NiO重量的3 - 40% ； 2) 将分散在甲苯中的CdSe1 {,量子点电沉积在NiO纳米晶多孔薄膜上即得，其中0 <X < 1〇2. 如权利要求1所述染料敏化太阳能电池NiO光阴极的制备方法，其特征在于，步骤 2)中所述CdSe1XSX量子点采用热注入法制备获得，具体为：将0. 386mmol氧化镉加入到 I. 63mmol油酸与IOml十八稀的混合物中获得体系一，于80°C通入惰性气体Ih以去除空 气，然后加热至体系一变澄清；将硒粉、硫粉的油胺溶液混合后，注入到变澄清的体系一中 反应30 - 180s，加入正丁醇使量子点沉淀，洗涤沉淀即得。
【专利摘要】本发明公开了一种染料敏化太阳能电池NiO光阴极的制备方法，其在NiO水溶胶中添加乙基纤维素或羧甲基纤维素等有机物，利用刮涂、丝网印刷技术制备厚度300nm－1.6μm的NiO纳米晶多孔薄膜，然后利用CdSe1-xSx量子点敏化该NiO薄膜得到染料敏化太阳能电池NiO光阴极。通过调控Se、S的比例来控制光阴极吸收太阳光的波长范围，从而制备不同光吸收波段的光阴极。制备所得光阴极经优化后，光电转换效率可达1.02%。
【IPC分类】H01G9/042, H01G9/20
【公开号】CN105225841
【申请号】CN201510647275
【发明人】李胜军, 陈增, 孔文平, 李永军, 张伟风
【申请人】河南大学
【公开日】2016年1月6日
【申请日】2015年10月9日