一種量子點敏化太陽能電池的TiO2光陽極及其制備方法技術

本發明專利技術公開了一種用于量子點敏化太陽能電池的微納復合孔隙結構TiO

TiO2 light anode of quantum dot sensitized solar cell and preparation method thereof

The invention discloses a micro nano composite pore structure for a quantum dot sensitized solar cell TiO

【技術實現步驟摘要】
一種量子點敏化太陽能電池的TiO2光陽極及其制備方法
本專利技術屬于太陽能
，具體涉及一種用于量子點敏化太陽能電池的微納復合孔隙結構TiO2光陽極的制備方法。
技術介紹
高效率、低成本太陽能電池是解決化石能源枯竭、氣候變暖等社會問題的有效途徑。染料敏化太陽能電池（DSSC）由于具有較高的光電轉換效率、低廉的生產成本以及簡易的生產過程，近年來受到了極大的關注。DSSC的一個重要分支是量子點敏化太陽能電池（QDSSC），它的器件結構和工作原理與DSSC非常相似，主要由透明導電玻璃基底（FTO或ITO），多孔TiO2納米晶薄膜、量子點光敏劑、電解液和對電極幾部分組成。與染料敏化劑相比，量子點具有可調的能帶結構、較高的消光系數、較大的固有偶極矩和多激子再生效應（參見M.C.Beardetal,NanoLetters,2007,7,2506-2512）等獨特的優點，被認為是極具潛力的低成本第三代太陽電池。盡管量子點具有諸多優點，但就目前的研究而言，QDSSC的最高光電轉換效率仍然落后于傳統的染料敏化太陽能電池（~13%），距離其商業化應用還有很長的路。其中一個重要原因在于目前QDSSC的結構還不盡合理，目前研究中使用最多的TiO2光陽極通常是由粒徑為10~20nm的納米晶構成的介孔結構，這種電極對于染料分子來說可能是最優的結構，但是當用量子點代替染料作為光敏劑時，這種電極結構就會出現很多問題。首先，從尺寸上來說，染料分子的尺寸大都小于1nm，而量子點加上表面配體的尺寸通常是大于5nm，甚至更大（參見S.Giménezetal,Nanotechnology,2009,20,295204），這就對TiO2光陽極的孔徑尺寸提出了不同要求，如果光陽極的孔洞小于10nm就會嚴重阻礙量子點在其中的滲透，造成量子點吸附量的減少。而DSSC中最優的光陽極結構通常是10~20nm的TiO2納米晶相連形成的介孔結構，這些小粒徑的納米晶提供了巨大的表面積，但是堆積形成的孔洞尺寸大部分都小于15nm，與量子點的尺寸很接近，這就給量子點在電極內部的滲透帶來了嚴重困難，不利于量子點敏化電池光電性能的提升。特別是對于膠體量子點來說，這種不利影響表現的更為明顯，文獻中已經證明膠體量子點可以實現對平面TiO2電極100%的覆蓋率，但是當采用介孔TiO2電極時，量子點覆蓋率急劇下降到14%（參見N.Guijarroetal,J.Phys.Chem.C,2009,113,4208-4214）。此外，與染料相比，量子點具有更高的消光系數，這就意味著要實現對太陽光的完全吸收，QDSSC中TiO2電極的表面積并不需要像DSSC中那樣大，事實上，使用納米線（參見J.Tianetal.,J.Mater.Chem.A,2013,1,6770-6775）、納米管（參見Q.Zhangetal.,Phys.Chem.Chem.Phys.,2012,14:6479-6486）、反蛋白石（參見L.J.Diguna,Appl.Phys.Lett.,2007,91,023116）等具有更開闊的孔洞結構和更小表面積納米結構電極的QDSSC也獲得了可喜的結果。所以，有必要對用于QDSSC的TiO2電極的微結構進行優化設計，使膠體量子點能充分滲入到TiO2電極內部，從而提高量子點對TiO2的覆蓋率，改善QDSSC的光電轉換性能。
技術實現思路
本專利技術所要解決的問題是針對介孔TiO2納米晶光陽極應用于QDSSC時容易發生孔道堵塞，造成電池轉換效率偏低的問題，提供一種更適用于QDSSC的微納復合孔隙結構TiO2光陽極以提高電池的光電轉換效率。為實現上述目的，本專利技術采用的技術方案是：a)制備單分散聚苯乙烯（PS）微球將裝有磁子和導氣管的四頸燒瓶放入水浴裝置中，通入氮氣10min，待氧氣排盡后，將9.6g苯乙烯單體與一定質量的甲基丙烯酸（MAA）混合均勻后注入燒瓶中，再加入80ml溶解有0.24g碳酸氫鈉的去離子水，攪拌均勻后將混合溶液升溫至60℃，溫度穩定后再加入20ml溶解有0.08g過硫酸銨引發劑的去離子水，然后升溫至70℃，反應24h后停止加熱，溶液變成乳白色膠體。將制備的PS球溶液用濾瓶過濾清洗，獲得的PS球粉末超聲分散在去離子水中，再次過濾清洗，最后放入鼓風干燥箱中干燥。b)制備TiO2-PS混合漿料將TiO2粉末放入研缽中，隨后加入乙酸、去離子水和乙醇進行研磨，研磨均勻后用乙醇將TiO2漿料轉移到稱量瓶中攪拌，隨后加入松油醇和溶解在乙醇中的乙基纖維素作為流平劑和粘結劑，攪拌分散均勻形成懸濁液。將一定質量的PS球粉末超聲分散于乙醇中，然后加入到制備好的TiO2懸濁液中，隨后將TiO2-PS混合溶液放入水浴中加熱攪拌，蒸發掉乙醇和去離子水后獲得TiO2-PS漿料。c)制備微納復合孔隙結構TiO2光陽極采用絲網印刷法或者刮刀法將TiO2-PS混合漿料涂覆在清洗干凈的FTO導電玻璃表面，隨后放入鼓風干燥箱中固化10min，為了獲得目標厚度，固化后再涂覆第二和第三層，最后將薄膜放入馬弗爐中進行燒結以去除PS球，燒結完成后自然冷卻到室溫即可形成微納復合孔隙結構TiO2光陽極。進一步，步驟（a）中苯乙烯單體和甲基丙烯酸的質量比為30:1~9:1，通過控制二者之間的比例，可以對PS球的粒徑進行調節，此外，PS球的干燥溫度為60~80℃，以防止PS球發生軟化。進一步，步驟（b）中，TiO2與PS球的質量比為10:1~4:3，通過控制二者之間的比例，可以獲得不同結構的微納復合孔隙結構TiO2電極，PS球越多，TiO2電極中的孔道就越大，當PS球過多的時候，TiO2電極發生脫落。由于PS球的玻璃化轉變溫度在100℃左右，TiO2-PS漿料的蒸發溫度限定在60~80℃。進一步，步驟（c）中，TiO2-PS薄膜的燒結溫度為500℃，燒結時間為1~3h，以徹底去除PS球，升溫速率不宜過快，防止TiO2膜的開裂和脫落，所以升溫速率為1~3℃/min，獲得的微納復合孔隙結構TiO2光陽極的厚度約為10μm。進一步，本專利技術所述的微納復合孔隙結構TiO2光陽極制備過程中，亞微米級大孔尺寸由PS球模板決定，孔徑在200~500nm范圍內可調，納米級小孔尺寸由TiO2納米晶顆粒決定，孔徑在10~30nm范圍內可調。與現有技術相比，本專利技術的有益成果在于：利用PS模板制備的微納復合孔隙結構TiO2光陽極不但拓寬了TiO2的孔道，而且具有較大的比表面積，有利于膠體量子點在其中的滲透，實現量子點對TiO2電極的均勻覆蓋，從而使電解液和量子點充分接觸，促進電子空穴對的分離和傳輸，減少電子的損失；同時，這種結構可以對太陽光產生較強的漫反射，對太陽光有較強的捕獲能力，增加了光束在TiO2電極中的反射次數，從而增強量子點對入射光的吸收，最終提高QDSSC的光電轉換效率。附圖說明圖1實施例1（a）和例4（b）制備的PS球自組裝薄膜掃描電鏡圖，圖2實施例1制備的微納復合孔隙結構TiO2光陽極表面掃描電鏡圖，圖3實施例1制備的傳統介孔TiO2納米晶光陽極表面掃描電鏡圖，圖4實施例2制備的微納復合孔隙結構TiO2光陽極斷面掃描電鏡圖，圖5實施例3制備的微納復合孔隙結構TiO2光陽極表面掃描電鏡圖，圖6實施例1~3制備的三種納本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種用于量子點敏化太陽能電池的TiO

【技術特征摘要】
1.一種用于量子點敏化太陽能電池的TiO2光陽極，其特征在于：所制備的光陽極具有PS球模板燒結后留下的亞微米級大孔結構，同時具有TiO2納米晶顆粒形成的納米級小孔結構。2.一種用于量子點敏化太陽能電池的TiO2電極的制備方法，其特征在于：包括以下步驟：（1）制備單分散聚苯乙烯（PS）微球，將裝有磁子和導氣管的四頸燒瓶放入水浴裝置中，通入氮氣10min，待氧氣排盡后，將9.6g苯乙烯單體與一定質量的甲基丙烯酸（MAA）混合均勻后注入燒瓶中，再加入80ml溶解有0.24g碳酸氫鈉的去離子水，攪拌均勻后將混合溶液升溫至60℃，溫度穩定后再加入20ml溶解有0.08g過硫酸銨引發劑的去離子水，然后升溫至70℃，反應24h后停止加熱，溶液變成乳白色膠體；將制備的PS球溶液用濾瓶過濾清洗，獲得的PS球粉末超聲分散在去離子水中，再次過濾清洗，最后放入鼓風干燥箱中干燥；(2)制備TiO2-PS混合漿料，將TiO2粉末放入研缽中，隨后加入乙酸、去離子水和乙醇進行研磨，研磨均勻后用乙醇將TiO2漿料轉移到稱量瓶中攪拌，隨后加入松油醇和溶解在乙醇中的乙基纖維素作為流平劑和粘結劑，攪拌分散均勻形成懸濁液；將一定質量的PS球粉末超聲分散于乙醇中，然后加入到制備好的TiO2懸濁液中，隨后將TiO2-PS混合溶液放入水浴中加熱攪拌，蒸發掉乙醇和去離子水后獲得TiO2-PS混合漿料；(3)制備微納復合孔隙結構TiO2光陽極，將TiO2-PS混合漿料涂覆在清洗干凈的FTO導電玻璃表...

【專利技術屬性】
技術研發人員：宋孝輝，王永永，董曉，王金鳳，宋桂林，
申請(專利權)人：河南師范大學，
類型：發明
國別省市：河南,41