[发明专利]一种卟啉染料敏化太阳能电池光阳极的敏化方法

说明书

技术领域

本发明涉及染料敏化太阳能电池材料领域，尤其涉及一种采用卟啉染料对光阳极进行敏化的方法。。

背景技术

随着各国对环境保护的重视和对可再生清洁能源的巨大需求，太阳能电池的应用已经从军事领域、航天领域进入工业、商业、农业、通讯、家用电器以及公用设施等部门，尤其可以分散地在边远地区、高山、沙漠、海岛和农村使用。在多种太阳能电池中，染料敏化太阳能电池原料来源丰富、成本低廉、对生产设备要求低、生产工艺简单、能耗低，原材料和生产工艺无毒、无污染，部分材料可以得到充分回收，同时，在大面积工业化生产中具有较大的优势。自从1991年瑞士洛桑高工(EPFL)M. Grätzel教授领导的研究小组在该技术上取得突破以来，此类电池得到了长足的发展。

典型的染料敏化太阳能电池（DSC）具有三明治结构，主要由纳米多孔半导体薄膜、染料敏化剂、氧化还原电解质、对电极和导电基底等几部分组成。纳米多孔半导体薄膜通常为金属氧化物(TiO₂、SnO₂、ZnO等)，聚集在有透明导电膜的玻璃板上作为DSC的负极。对电极作为还原催化剂，通常在带有透明导电膜的玻璃上镀上铂。敏化染料吸附在纳米多孔二氧化钛表面上。正负极间填充的是含有氧化还原电对的电解质。为使之真正走向产业化，服务于人类，还需要在高效率、稳定性和耐久性等方面进一步发展提高。

DSC电池的关键原理是将光吸收过程和电子收集过程分开，即分别由敏化剂和半导体光阳极来完成。敏化剂是吸附在纳米晶薄膜表面的单层染料分子，它在电池中吸收太阳光并引发最初的电子转移反应，是整个电池系统的核心部分，对电池的光电转换效率有着极为重要的影响。半导体光阳极通常是由二氧化钛纳米晶烧结在一起形成的介孔氧化物半导体层。在光阳极材料的研究方面，人们广泛地开展了诸如新型光阳极材料的开发、光阳极微/纳米结构的调控、光阳极的界面修饰及体相掺杂、复合光阳极等探索。染料敏化太阳能电池产生光电流时，敏化剂染料首先受光激发由基态跃迁到激发态，然后，染料激发态分子将电子注入到半导体导带中。这个过程一方面受到半导体光阳极和敏化剂各自性质的影响，另一方面又受敏化剂与纳米半导体颗粒结合紧密度的影响，受到到敏化方法的影响。

现有技术中，提高半导体纳米二氧化钛与敏化剂吸附能力的敏化措施主要是在敏化剂分子中引入羧基、磺酸基、磷酸基等官能团，或者引入适当长度的烃基链段。传统敏化方法是，将制备好的纳米薄膜电极在70℃-80℃温度下保温干燥一定时候后取出，直接浸入敏化剂染料中，避光静置后取出，置于干燥器中干燥，即可得到染料敏化的纳米二氧化钛薄膜电极。上述敏化方法通常单独考虑半导体薄膜的改性，或者单独对敏化剂染料分子进行优化，二者缺乏配合性，也很少将二者视为一个整体综合考虑。目前，虽然染料敏化太阳能电池可以吸收太阳光,进行光电转换，但是其对太阳能的利用率很低，导致光电转换效率低下。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对现有技术中存在的上述不足，提供一种光阳极敏化方法，在对光阳极进行改性的同时，改进卟啉类染料的轴向配位作用，从而使得卟啉染料敏化剂与半导体纳米颗粒之间敏化效果提高，最终提高染料敏化太阳能电池的光电转换效率。

解决本发明技术问题所采用的技术方案是分别对半导体纳米颗粒和卟啉染料进行改性，以实现二者之间的最佳敏化效果。对半导体纳米颗粒采用超强酸改性，对卟啉染料采用稀土元素进行改性。

为达到上述发明创造目的,本发明采用下述技术方案：

一种卟啉染料敏化太阳能电池光阳极的敏化方法，其特征是所述敏化方法包括三个步骤：

（1）采用超强酸对半导体纳米材料进行改性，具体步骤是，首先将超强酸溶于溶剂中，然后加入半导体纳米粒子，浸润，反应0.5-24小时；然后，用溶剂反复洗涤，以除去未反应的酸。

优选方案是超强酸采用硫酸、氟磺酸、三氟甲磺酸、碳硼烷酸中的一种或几种，用于溶解超强酸的溶剂选自水、二甲亚砜、N,N-二甲基甲酰胺、乙腈、三甲氧基丙腈中的一种或几种；超强酸在溶剂中的质量百分比浓度为1%-20%。

（2）采用稀土元素对卟啉染料进行改性；

优选方案是，将卟啉染料加入稀土溶液中，搅拌0.5-24小时，然后分离、干燥，即得稀土改性卟啉染料。稀土溶液由稀土氯化物、硝酸盐或醋酸盐中的一种溶于适当溶剂得到；优选的稀土是镧、锕、铱、镱、铌、铥、铈、铕、钬、钕、镨中的一种或几种；卟啉染料与稀土元素的物质的量比例是2.5~0.5:1；。