[发明专利]一种利用高烧失硅藻蛋白石制作染敏电池光阳极的方法

说明书

本发明涉及一种利用高烧失硅藻蛋白石制作染敏电池光阳极材料的方法。本发明将硅藻蛋白石的多孔性、TiO₂的光电活性以及高烧失硅藻蛋白石中附着的生物质三者有机结合起来，制备出低成本、高活性的DSSC光阳极材料。本发明首先通过还原煅烧将高烧失量硅藻蛋白石表面沉积的生物质原位还原为多孔含碳前驱体，再引入无机钛盐在水热条件下与碳化硅藻蛋白石表面活性成分反应，从而改善TiO₂纳米晶的结晶程度、分散性和附着牢固性。该方法生产工艺简单，对设备要求低，容易实现工业化生产，原料成本低，对环境适应性强，得到光阳极材料具有较高的性价比和染料饱和吸附量，显著提升染料敏化太阳能电池的短路电流和效能。

技术领域

本发明属于矿物材料开发利用领域，特别涉及一种基于高烧失硅藻蛋白石矿物的高性能光电转换功能材料制备，既一种染料敏化太阳能电池阳极的制备方法。

背景技术

随着能源危机以及环境污染、温室效应和臭氧层破坏等问题日益严重，人们对可再生绿色能源的需求持续的增加。太阳能因其清洁、无污染等特点而成为一种理想的备受关注的新能源。太阳能电池是开发利用太阳能最有效的方式之一。自从1991年瑞士洛桑联邦理工学院GraetZel教授成功制备了染料敏化太阳能电池(DSSC)以来，其效率已逐渐接近商用太阳能电池的水平，作为一种价廉的非传统的太阳能电池，显示出极好的发展前景。

制造高性能的多孔TiO₂光阳极薄膜，一直是有效提升DSSC电池效率的关键。人们不断尝试提升TiO₂光阳极的光利用率、光电转化率、电荷传输性能，降低团聚，改善薄膜的孔道结构等方式，制作高性能的DSSC光阳极材料。如【CN 102568854 A】介绍了一种低带隙半导体氧化物以及制造方法同时包含染料敏化太阳能电池。通过将碳、氮、氟和其组合的阴离子掺杂入纳米TiO₂中，降低半导体氧化物的带隙能，从而提高染料敏化太阳能电池的能量转换率。【CN 102222575 A】介绍了一种利用磁控溅射法制备染料敏化太阳能电池光阳极的方法，在FTO导电玻璃的表面溅射一层约50-300nm厚的致密半导体层作为阻隔层，而后在醇溶液中通过电泳法将半导体颗粒沉积到具有致密阻隔层的FTO导电基上。此方法能够做到在短时间内在导电基底上获得数量较多的晶向取向较好的半导体晶体薄膜层。【CN102496478 A】公开了一种碳纳米管与四氯化钛协同提高染料敏化电池纳米纤维膜性能的方法。该方法首先在TiO₂前驱体纺丝液中掺入多壁碳纳米管，静电纺丝后烧结得到TiO₂纳米纤维膜，最后用四氯化钛水溶液后处理。在碳纳米管掺杂与四氯化钛处理的协同作用下，使其染料敏化太阳电池总的光电转换效率提高了15％-23％。研究表明，向TiO₂中掺入碳、改善TiO₂的多孔性都有利于提升DSSC光阳极的性能。

硅藻蛋白石也称硅藻土，是由非晶态氧化硅组成的天然多孔矿物，它是海洋或湖泊中生长的硅藻类残骸在水底沉积、经自然环境作用而逐渐形成的生物成因硅质沉积岩。硅藻壳的表面及其微孔中有大量羧基覆盖，且有氢键存在，因而显弱酸性，故也被称为固体酸。硅藻蛋白石因具有独特的壳体结构，强吸附性，大比表面积，高孔隙度及耐高温等优良性质而广泛应用于化工、石油、建材和食品等领域。【CN 102568854 A】介绍了一种染料敏化太阳能电池的制备方法，将硅藻土粉和二氧化钛粉按一定配比进行混合，光阳极二氧化钛涂层中硅藻土掺杂量为5％-50％，涂层厚度0.5-3μm。这种方法虽然能够大幅度降低染料敏化太阳能电池光阳极的成本和吸附、耐候性，有助于DSSC的推广应用，但硅藻土本身导电性差，不利于光生电荷的传输，直接与氧化钛混合难以实现提升电池效率的效果。