[发明专利]一种用于太阳能电池中双功能核壳上转换材料的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种双功能核壳结构上转换纳米发光材料的制备方法及其在染料敏化太阳能电池中的应用。

背景技术

以石油、煤、天然气等化石能源为主导的传统能源体系正经受着资源枯竭和环境压力的巨大考验，大力发展水、风、太阳能、核聚变等可再生清洁能源已成为全世界的共识。而太阳能电池在新能源体系中充当了极为重要的角色。迄今已发展的多种太阳能电池中，染料敏化太阳能电池(dye-sensitized solar cell，DSSC)因其成本低、制备易和寿命长的特点最引人关注。如今DSSC已成为世界性的研究热点之一。典型的DSSC由光电极、电解液和对电极组成。其工作原理为：阳光中的可见光激发染料，激发态染料把电子传递给二氧化钛(TiO₂)的导带，TiO₂收集电子后经外电路到对电极，经电解液返回染料，使染料还原，再开始新的循环。当阳光穿过玻璃层，经导电层到达TiO₂层和染料层时，高性能的二(四丁基铵)顺式-双(异硫氰基)双(2，2′-联吡啶-4，4′-二羧酸)钌(II)(N3)、二(四丁基铵)顺式-双(异硫氰基)双(2，2′-联吡啶-4，4′-二羧酸)钌(II)(N719)等钌系染料可吸收可见光的大部分；同时，导电玻璃阻挡了波长小于320nm紫外光(约占太阳光谱能量5％)的透过，而大于800nm的红外光(占太阳光谱能量43％)也未能被染料吸收和利用(H.Hafez et al.Journal of Power Sources.2011，196：5792-5796)。如何扩大DSSC对红外部分能量的利用，成为当前研究提高DSSC效率的关键问题之一。

上转换发光作用能将红外光转换为可见光，在过去的二十几年里，上转换发光在显示、通信、太阳能电池、传感器、上转换激光器和生物医学等各个领域的应用，使之成为发光研究中的一个热点。稀土元素独特的4f电子构型赋予了稀土化合物特殊的光、电、磁等特性。其中，稀土发光材料以其机械性能好、稳定性高和使用寿命长等优点，成为了研究上转换发光的理想材料，在以稀土的氟化物、氧化物、磷酸盐等为基质，饵(Er)、钬(Ho)、铥(Tm)等为激活剂，镱(Yb)、钐(Sm)等为敏化剂为代表的上转换发光纳米材料中，以四氟钇钠(NaYF₄)为基质的上转换发光材料的上转换发光效率最高。

如果能够把上转换发光材料引入染料敏化太阳能电池，同时又不明显影响光电极的电性能，那么就可将太阳光中的红外光部分转换成电池能够吸收利用的可见光，使染料敏化太阳能电池对光的吸收利用范围扩大，进而提高电池效率。迄今，上转换材料在太阳能电池方面的应用还不是很多，已有的方法是采用普通掺杂的办法，把上转换材料与传统的光阳极材料二氧化钛(TiO₂)混合制成光电极，如华侨大学的吴季怀等(专利号：CN201010152512)，介绍的一种合成稀土掺杂二氧化钛的方法，是通过将稀土硝酸盐与二氧化钛溶胶于高压釜中高温处理后制得稀土掺杂的二氧化钛粉体，并将其应用作染料敏化太阳能电池的光阳极的技术。该方法一方面要求比较苛刻的条件，如需高压设备；另一方面由于方法本身的限制，制得的材料在结构上具有很大的随机性，在体现了上转换材料的上转换特性的同时，因上转换纳米粒子不导电而影响了电极的整体导电性能，因而所制备的稀土掺杂染料敏化太阳能电池，虽然能够在一定程度上起到提高电池效率的作用，但是整体效果并不显著。

发明内容

针对普通掺杂存在的问题，本发明的目的是提供一种用于太阳能电池中双功能核壳上转换纳米材料的制备方法，即把上转换纳米粒子表面经阳离子表面活性剂改性后，利用简单的壳体材料前驱体水解，在核上直接包覆TiO₂或ZnO壳层，并通过进一步的热处理形成具有上转换和半导体特性的双功能核壳结构的纳米粒子。

本发明的优点在于新形成的双功能核壳结构纳米粒子不但具有了上转化纳米材料的核，使粒子具备了上转换发光的功能，还具有了半导体材料的外壳，保持了TiO₂或ZnO的高电荷传输能力，将其应用于DSSC时，使电池既能够吸收红外光部分，扩大对光的利用范围，又保持了光电极整体的导电性能，从而可显著提高DSSC的光转化效率。另外本发明方法简单、易操作，成本低，大大提高了核壳结构生成率，减少了游离TiO₂或ZnO的产生。

制备双功能核壳上转换纳米材料包括以下步骤：