[发明专利]染料敏化太阳能电池用分级结构光阳极及其制备方法

说明书

技术领域：

本发明涉及一种染料敏化太阳能电池光阳极及其制备方法，尤其是一种可 有效提高染料吸附量、提高光的利用效率，从而进一步提高染料敏化太阳电池 光电转换效率的染料敏化太阳能电池用分级结构光阳极及其制备方法。

背景技术：

染料敏化太阳能电池(DSC)光阳极的染料吸附量、光的利用效率是直接 影响染料敏化太阳电池光电转换效率的主要因素，为此光阳极材料不但要具有 大的比表面积，而且光生电子还能够在光阳极中快速传递。研究表明，只有化 学吸附在半导体表面的单层染料分子才能产生有效的敏化效率，而多层染料会 阻碍电子的传输，为此，以往的染料敏化太阳能电池光阳极是在导电玻璃上覆 有单层的二氧化钛(TiO2)膜并吸附光敏化剂(染料)。然而，因单层二氧化钛 (TiO2)膜单位面积内所含的二氧化钛质量小，所以单位面积膜所具有的表面 积就小，单层吸附的染料分子数也随之减少，故单层染料分子仅能有效利用1 ％的入射光，从而导致染料敏化太阳能电池光生电流及总能量转化效率较低。 除此之外，以往光阳极的单层TiO2膜最常用的是基于TiO2纳米粒子的纳晶多 孔薄膜，因在TiO2纳米粒子之间的界面上存在晶界(grain boundary，GB)，该 晶界破坏了电子流经材料时的转移，进一步降低了光电转换效率。

为了解决传统染料敏化太阳能电池所存在的光电转换效率低的问题，近几 年来，研究人员不断设计出新型TiO2形态，即一维纳米结构，如纳米纤维、纳 米杆、纳米线、纳米管、核壳结构等，且这些结构已经取代半导体的多孔薄膜 层被应用到DSC的光阳极。相比于传统的TiO2纳米颗粒，一维纳米结构具有 可控的单向电子通道，因而晶界效果能被有效抑制，同时具有较大的比表面积。 在相同的膜厚度条件下，一维纳米材料相比于纳米粒子染料导入量更大，表面 氧空位减少，更好的电子转移性质，从而减缓电子-空穴再结合，增加光捕获效 率和光电流，提高了光电转换效率。虽然光电转换效率可达7％，但是并没有达 到最理想的效果。

发明内容：

本发明是为了解决现有技术所存在的上述问题，提供一种可有效提高染料 吸附量、提高光的利用效率，从而进一步提高染料敏化太阳电池的光电转换效 率的染料敏化太阳能电池用分级结构光阳极及其制备方法。

本发明的技术解决方案是：一种染料敏化太阳能电池用分级结构光阳极， 有导电玻璃及覆在导电玻璃上的吸附染料层，其特征在于：所述吸附染料层是 TiO2-醋酸盐分级结构膜，初级结构为TiO2纳米纤维或/和TiO2纳米管，次级 结构为由半导体纳米纤维或/和半导体纳米管构筑的半导体纳米粒子、半导体纳 米杆及半导体纳米线中的至少一种。

所述半导体为TiO2、ZnO、SnO2、MgO、NiO、MnO2或Co3O4。

一种上述的染料敏化太阳能电池用分级结构光阳极的制备方法，其特征在 于按如下步骤进行：

a.将1～10毫升的有机钛醇盐加入到10～20毫升的无水乙醇中，搅拌均匀 后，加入0.1～1.5毫升醋酸，继续搅拌至形成微黄色透明澄清的溶液，得到TiO2 溶胶液；

b.取0.5～2克半导体醋酸盐溶解于10～20毫升无水乙醇中，搅拌至形成 透明澄清的溶液，得到醋酸盐溶液；

c.取0.1～2毫升TiO2溶胶液，加入到0.1～2毫升醋酸盐溶液中，搅拌至 形成黄色透明澄清的溶液，得到TiO2-醋酸盐混合溶液；

d.将0.1～3毫升TiO2-醋酸盐溶液加入到15～40％质量浓度的5～20毫升 聚合物乙醇溶液中，搅拌120分钟～180分钟，得到TiO2-醋酸盐/聚合物纺丝溶 液；

e.采用静电纺丝技术在导电玻璃上制备TiO2-醋酸盐/聚合物复合纳米纤维 膜，膜厚度为1～20微米。

f.将覆有0.1克～3克TiO2-醋酸盐/聚合物复合纳米纤维膜的导电玻璃浸入 草酸-乙醇溶液中，草酸与乙醇的体积配比为100∶0～100，30～70℃下放置在 摇床中，反应1～24小时，待自然冷却至室温后，经洗涤、干燥，最后以升温速 率为1～10℃/min，从室温加热到400～800℃，并恒温焙烧1～4小时，TiO2/半导 体分级结构膜沉积在导电玻璃上；

g.将f步骤所得表面沉积TiO2/半导体分级结构的导电玻璃置于80℃的烘 箱中，烘干后，立即放入0.1～1mmol/L的光敏化剂溶液中浸泡0.5～10小时，取 出后用无水乙醇冲洗。