一種氧化釔復(fù)合有序二氧化鈦光陽(yáng)極及制備和應(yīng)用
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種上轉(zhuǎn)換發(fā)光材料氧化釔復(fù)合二氧化鈦光陽(yáng)極的制備方法。該方法首先采用水熱法在FTO導(dǎo)電玻璃上生長(zhǎng)有序二氧化鈦微納米花薄膜，二氧化鈦納米花由納米線組成。然后采用二次水熱法，使上轉(zhuǎn)換發(fā)光材料生長(zhǎng)于二氧化鈦納米花的表面。最后浸泡染料，封裝制作得到染料敏化太陽(yáng)能電池。該制備方法工藝和流程簡(jiǎn)便，無(wú)需燒結(jié)處理，參數(shù)可調(diào)范圍寬，可重復(fù)性強(qiáng)，對(duì)環(huán)境無(wú)污染，是可制備光譜范圍寬、轉(zhuǎn)換效率高的染料敏化太陽(yáng)能電池。
【專利說(shuō)明】
一種氧化釔復(fù)合有序二氧化鈦光陽(yáng)極及制備和應(yīng)用
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及一種上轉(zhuǎn)換發(fā)光材料復(fù)合二氧化鈦光陽(yáng)極及其制備方法，屬于無(wú)機(jī)納米材料及合成技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]染料敏化太陽(yáng)電池的結(jié)構(gòu)分為光吸收材料和電荷傳輸層，光吸收主要靠吸附在光陽(yáng)極表面的敏化功能材料實(shí)現(xiàn)，光陽(yáng)極作為電荷分離和傳輸作的載體，是納米晶太陽(yáng)電池的關(guān)鍵部分和光電轉(zhuǎn)換的基礎(chǔ)，其性能直接影響和決定太陽(yáng)電池的效率。如何提高光陽(yáng)極的光吸收能力及拓寬光陽(yáng)極光吸收范圍，提高光陽(yáng)極的載流子傳輸速率，減少電子-空穴對(duì)的復(fù)合是提高太陽(yáng)電池總光電轉(zhuǎn)換效率和實(shí)用化的關(guān)鍵技術(shù)之一。
[0003]利用上轉(zhuǎn)換發(fā)光材料，通過(guò)上轉(zhuǎn)換發(fā)光作用，提高電池對(duì)光的利用率，進(jìn)而提高光電流，可以在一定程度上提高電池的效率。與其他結(jié)構(gòu)相比，一維納米結(jié)構(gòu)具有較大的孔隙率和極大的比表面積，可吸附更多的染料分子，在納米晶太陽(yáng)電池的光陽(yáng)極中應(yīng)用廣泛。一維有序的納米材料比表面積大、尚的量子效應(yīng)和結(jié)構(gòu)效應(yīng)等優(yōu)勢(shì)，有利于電極吸附敏化功能材料，從而增加電池效率;一維有序納米材料可減小光生載流子在納米結(jié)構(gòu)光陽(yáng)極網(wǎng)絡(luò)中的穿越過(guò)程，從而提高染料敏化太陽(yáng)電池光陽(yáng)極的電荷收集效率，增加電池的光電轉(zhuǎn)換效率;且有序納米材料的直徑、長(zhǎng)度和晶型結(jié)構(gòu)易于控制，便于制備和組裝電極。同時(shí)，三維結(jié)構(gòu)的二氧化鈦具有活性位點(diǎn)多的特性，因此由一維納米材料組成而成的三維納米二氧化鈦可兼具一維/三維納米材料的優(yōu)點(diǎn)，在染料敏化太陽(yáng)能電池中具有廣闊的應(yīng)用前景。
[0004]本發(fā)明采用二次水熱法制備了上轉(zhuǎn)換發(fā)光材料復(fù)合的一維/三維二氧化鈦光陽(yáng)極，既可拓寬光譜吸收范圍，提高對(duì)太陽(yáng)光的利用率;也可增大比表面積，增加染料吸收量，縮短電子傳輸通路，從而有效提高了電池的光電轉(zhuǎn)換效率。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]為克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供一種上轉(zhuǎn)換發(fā)光材料氧化釔復(fù)合有序二氧化鈦光陽(yáng)極的制備方法。
[0006]—種氧化釔復(fù)合有序二氧化鈦光陽(yáng)極的制備方法，其特征在于，一方面通過(guò)上轉(zhuǎn)換發(fā)光材料拓寬了光譜吸收范圍；另一方面，有序的一維/三維結(jié)構(gòu)，可以提高電子的傳輸速率，從而提高電池的光電轉(zhuǎn)換效率，其制備方法包括如下工藝步驟:
(1)將氟摻雜錫氧化物(FTO)導(dǎo)電玻璃依次用丙酮、乙醇、去離子水清洗，其后用氮?dú)鈽尨蹈?，備用?br> (2)將酸和去離子水形成混合溶液；
(3)將鈦源滴入上述混合溶液中，在鈦源快速水解的同時(shí)劇烈攪拌使之混合均勻；
(4)將混合均勻的懸浮液在160?190°(:下進(jìn)行水熱反應(yīng)I?6小時(shí)；
(5)將步驟(4)得到的二氧化鈦納米花光陽(yáng)極置于具有上轉(zhuǎn)換功能的稀土釔水溶液中進(jìn)行二次水熱反應(yīng)，160?190 °(:下進(jìn)行水熱反應(yīng)3?6小時(shí)，得到上轉(zhuǎn)換發(fā)光材料氧化釔復(fù)合二氧化鈦納米花光陽(yáng)極材料；
(6)將制得的光陽(yáng)極在N719染料中浸泡24小時(shí)后取出，用無(wú)水乙醇清洗表面，晾干；
(7)將所制光陽(yáng)極與對(duì)電極封裝在一起，并通過(guò)對(duì)電極上預(yù)留的小孔將電解質(zhì)灌入電池中，密封則得到染料敏化太陽(yáng)能電池。
[0007]步驟(2)中酸是濃硫酸，濃鹽酸，濃硝酸，硼酸中的一種或多種，酸和去離子水的體積比總保持在2?1:3。
[0008]步驟(3)中所述的鈦源是鈦酸正四丁酯、鈦酸異丙酯、鈦酸四乙酯中的一種或多種。
[0009]—種氧化釔復(fù)合有序二氧化鈦光陽(yáng)極，其特征在于，根據(jù)上述任一所述方法制備得到。
[0010]—種氧化釔復(fù)合有序二氧化鈦光陽(yáng)極在太陽(yáng)能電池中的應(yīng)用。
[0011 ]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn):
DSSC作為極具市場(chǎng)潛力的廉價(jià)太陽(yáng)能電池，具有許多傳統(tǒng)電池所不具有的優(yōu)點(diǎn)。因此，應(yīng)該大力研究和發(fā)展DSSC。目前，DSSC的研究中還存在一些亟待解決的問(wèn)題，其中之一就是效率的進(jìn)一步提尚。提尚DSSC的效率，主要從兩方面入手:優(yōu)化電池的結(jié)構(gòu)和提尚電池對(duì)太陽(yáng)光的利用率。目前DSSC的吸光范圍集中在300-800 nm之間，對(duì)那些能量占太陽(yáng)光全部能量超過(guò)50%的紅外光和紫外光的利用率較低。稀土離子的特殊電子層結(jié)構(gòu)，使其具有很好的光學(xué)性質(zhì)。因此，如能利用稀土發(fā)光材料的特性，將那些處于300-800 nm范圍之外的光，轉(zhuǎn)換成300-800 nm之間的光，將有可能大大提高電池的吸光率和光電轉(zhuǎn)換性能。
[0012]本發(fā)明利用上轉(zhuǎn)換發(fā)光材料，通過(guò)上轉(zhuǎn)換發(fā)光作用，提高電池對(duì)光的利用率，進(jìn)而提高光電流，在一定程度上提高電池的效率。另一方面，改善T12膜的質(zhì)量，也會(huì)提高DSSC的效率，采用有序的一維結(jié)構(gòu)，可以有效提高電子的傳輸速率和電池的電流。
【附圖說(shuō)明】
[0013]圖1:由實(shí)施例2制得的二氧化鈦納米花的掃描電鏡照片。
[0014]圖2:由實(shí)施例2制得的氧化釔復(fù)合二氧化鈦納米花的掃描電鏡圖片。
[0015]圖3:由實(shí)施例2制得的染料敏化太陽(yáng)能電池的轉(zhuǎn)換效率圖譜。
【具體實(shí)施方式】
[0016]下面通過(guò)實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步闡述，其目的僅在于更好理解本發(fā)明的內(nèi)容。因此，所舉之例并不限制本發(fā)明的保護(hù)范圍。
[0017]實(shí)施例1:
(O將氟摻雜錫氧化物(FTO)導(dǎo)電玻璃依次用丙酮、乙醇、去離子水清洗，其后用氮?dú)鈽尨蹈?，備用?br> (2)分別量取12.5ml質(zhì)量分?jǐn)?shù)為37%的濃鹽酸和12.5ml去離子水形成混合溶液；
(3)將2.5ml鈦酸四正丁酯滴入上述溶液中，并在鈦酸酯快速水解的同時(shí)劇烈攪拌使之混合均勻；
(4)將混合均勻的懸浮液放入聚四氟乙烯襯里的不銹鋼高壓釜中，在180°(:下水熱反應(yīng)3小時(shí)；
(5)將步驟(4)得到的二氧化鈦納米花光陽(yáng)極置于具有上轉(zhuǎn)換功能的稀土硝酸釔水溶液中進(jìn)行二次水熱反應(yīng)，160 °(:下進(jìn)行水熱反應(yīng)3小時(shí)，得到上轉(zhuǎn)換發(fā)光材料氧化釔復(fù)合二氧化鈦納米花光陽(yáng)極材料；
(6)將制得的光陽(yáng)極在N719染料中浸泡24小時(shí)后取出，用無(wú)水乙醇清洗表面，晾干；
(7)將所制光陽(yáng)極與對(duì)電極封裝在一起，并通過(guò)對(duì)電極上預(yù)留的小孔將電解質(zhì)灌入電池中，密封則得到染料敏化太陽(yáng)能電池。
[0018]實(shí)施例2:
(O將氟摻雜錫氧化物(FTO)導(dǎo)電玻璃依次用丙酮、乙醇、去離子水清洗，其后用氮?dú)鈽尨蹈?，備用?br> (2)分別量取7.5ml的濃鹽酸和15ml去離子水形成混合溶液；
(3)將5ml鈦酸四正丁酯滴入上述溶液中，并在鈦酸酯快速水解的同時(shí)劇烈攪拌使之混合均勻；
(4)將混合均勻的懸浮液放入聚四氟乙烯襯里的不銹鋼高壓釜中，在170°(:下水熱反應(yīng)6小時(shí)；
(5)將步驟(4)得到的二氧化鈦納米花光陽(yáng)極置于具有上轉(zhuǎn)換功能的稀土硝酸釔水溶液中進(jìn)行二次水熱反應(yīng)，190 °(:下進(jìn)行水熱反應(yīng)3小時(shí)，得到上轉(zhuǎn)換發(fā)光材料氧化釔復(fù)合二氧化鈦納米花光陽(yáng)極材料；
(6)將制得的光陽(yáng)極在N719染料中浸泡24小時(shí)后取出，用無(wú)水乙醇清洗表面，晾干；
(7)將所制光陽(yáng)極與對(duì)電極封裝在一起，并通過(guò)對(duì)電極上預(yù)留的小孔將電解質(zhì)灌入電池中，密封則得到染料敏化太陽(yáng)能電池。
[0019]圖1為此反應(yīng)條件所得的T12納米花的形貌。從圖中可以看出，所得到的T12納米簇由納米棒組成，每一束納米棒又由無(wú)數(shù)更細(xì)小的納米棒組成。從圖2中可以看出，上轉(zhuǎn)換發(fā)光材料氧化釔均勻分布在二氧化鈦的表面。從圖3電池效率曲線可知，復(fù)合上轉(zhuǎn)換發(fā)光材料后，電池效率提高，從復(fù)合之前的4.15%提高至6.70% ο
[0020]實(shí)施例3:
(O將氟摻雜錫氧化物(FTO)導(dǎo)電玻璃依次用丙酮、乙醇、去離子水清洗，其后用氮?dú)鈽尨蹈桑瑐溆茫?br> (2)分別量取5ml的濃硝酸和15ml去離子水形成混合溶液；
(3)將3ml鈦酸四乙酯滴入上述溶液中，并在鈦酸酯快速水解的同時(shí)劇烈攪拌使之混合均勻；
(4)將混合均勻的懸浮液放入聚四氟乙烯襯里的不銹鋼高壓釜中，在180°(:下水熱反應(yīng)5小時(shí)；
(5)將步驟(4)得到的二氧化鈦納米花光陽(yáng)極置于具有上轉(zhuǎn)換功能的稀土硝酸釔水溶液中進(jìn)行二次水熱反應(yīng)，180 °(:下進(jìn)行水熱反應(yīng)6小時(shí)，得到上轉(zhuǎn)換發(fā)光材料氧化釔復(fù)合二氧化鈦納米花光陽(yáng)極材料；
(6)將制得的光陽(yáng)極在N719染料中浸泡24小時(shí)后取出，用無(wú)水乙醇清洗表面，晾干；
(7)將所制光陽(yáng)極與對(duì)電極封裝在一起，并通過(guò)對(duì)電極上預(yù)留的小孔將電解質(zhì)灌入電池中，密封則得到染料敏化太陽(yáng)能電池。
[0021]實(shí)施例4:
(O將氟摻雜錫氧化物(FTO)導(dǎo)電玻璃依次用丙酮、乙醇、去離子水清洗，其后用氮?dú)鈽尨蹈桑瑐溆茫?br> (2)分別量取5ml濃硫酸和15ml去離子水形成混合溶液；
(3)將2.5ml鈦酸異丙酯滴入上述溶液中，并在鈦酸酯快速水解的同時(shí)劇烈攪拌使之混合均勻；
(4)將混合均勻的懸浮液放入聚四氟乙烯襯里的不銹鋼高壓釜中，在190°(:下水熱反應(yīng)6小時(shí)；
(5)將步驟(4)得到的二氧化鈦納米花光陽(yáng)極置于具有上轉(zhuǎn)換功能的稀土硝酸釔水溶液中進(jìn)行二次水熱反應(yīng)，170 °(:下進(jìn)行水熱反應(yīng)5小時(shí)，得到上轉(zhuǎn)換發(fā)光材料氧化釔復(fù)合二氧化鈦納米花光陽(yáng)極材料；
(6)將制得的光陽(yáng)極在N719染料中浸泡24小時(shí)后取出，用無(wú)水乙醇清洗表面，晾干；
(7)將所制光陽(yáng)極與對(duì)電極封裝在一起，并通過(guò)對(duì)電極上預(yù)留的小孔將電解質(zhì)灌入電池中，密封則得到染料敏化太陽(yáng)能電池。
[0022]實(shí)施例5:
(O將氟摻雜錫氧化物(FTO)導(dǎo)電玻璃依次用丙酮、乙醇、去離子水清洗，其后用氮?dú)鈽尨蹈?，備用?br> (2)分別量取1ml硼酸和15ml去離子水形成混合溶液；
(3)將4ml鈦酸四乙酯滴入上述溶液中，并在鈦酸酯快速水解的同時(shí)劇烈攪拌使之混合均勻；
(4)將混合均勻的懸浮液放入聚四氟乙烯襯里的不銹鋼高壓釜中，在160°(:下水熱反應(yīng)6小時(shí)；
(5)將步驟(4)得到的二氧化鈦納米花光陽(yáng)極置于具有上轉(zhuǎn)換功能的稀土硝酸釔水溶液中進(jìn)行二次水熱反應(yīng)，190 °(:下進(jìn)行水熱反應(yīng)3小時(shí)，得到上轉(zhuǎn)換發(fā)光材料氧化釔復(fù)合二氧化鈦納米花光陽(yáng)極材料；
(6)將制得的光陽(yáng)極在N719染料中浸泡24小時(shí)后取出，用無(wú)水乙醇清洗表面，晾干；
(7)將所制光陽(yáng)極與對(duì)電極封裝在一起，并通過(guò)對(duì)電極上預(yù)留的小孔將電解質(zhì)灌入電池中，密封則得到染料敏化太陽(yáng)能電池。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種氧化釔復(fù)合有序二氧化鈦光陽(yáng)極的制備方法，其特征在于，一方面通過(guò)上轉(zhuǎn)換發(fā)光材料拓寬了光譜吸收范圍；另一方面，有序的一維/三維結(jié)構(gòu)，可以提高電子的傳輸速率，從而提高電池的光電轉(zhuǎn)換效率，其制備方法包括如下工藝步驟: (1)將氟摻雜錫氧化物(FTO)導(dǎo)電玻璃依次用丙酮、乙醇、去離子水清洗，其后用氮?dú)鈽尨蹈?，備用? (2)將酸和去離子水形成混合溶液； (3)將鈦源滴入上述混合溶液中，在鈦源快速水解的同時(shí)劇烈攪拌使之混合均勻； (4)將混合均勻的懸浮液在160?190°(:下進(jìn)行水熱反應(yīng)I?6小時(shí)； (5)將步驟(4)得到的二氧化鈦納米花光陽(yáng)極置于具有上轉(zhuǎn)換功能的稀土釔水溶液中進(jìn)行二次水熱反應(yīng)，160?190 °(:下進(jìn)行水熱反應(yīng)3~6小時(shí)，得到上轉(zhuǎn)換發(fā)光材料氧化釔復(fù)合二氧化鈦納米花光陽(yáng)極材料； (6)將制得的光陽(yáng)極在N719染料中浸泡24小時(shí)后取出，用無(wú)水乙醇清洗表面，晾干； (7)將所制光陽(yáng)極與對(duì)電極封裝在一起，并通過(guò)對(duì)電極上預(yù)留的小孔將電解質(zhì)灌入電池中，密封則得到染料敏化太陽(yáng)能電池。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種氧化釔復(fù)合有序二氧化鈦光陽(yáng)極的制備方法，其特征在于，步驟(2)中酸是濃硫酸，濃鹽酸，濃硝酸，硼酸中的一種或多種，酸和去離子水的體積比總保持在2?1:3。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種氧化釔復(fù)合有序二氧化鈦光陽(yáng)極的制備方法，其特征在于，步驟(3)中所述的鈦源是鈦酸正四丁酯、鈦酸異丙酯、鈦酸四乙酯中的一種或多種。4.一種氧化釔復(fù)合有序二氧化鈦光陽(yáng)極，其特征在于，根據(jù)權(quán)利要求1-3任一所述方法制備得到。5.根據(jù)權(quán)利要求4所述一種氧化釔復(fù)合有序二氧化鈦光陽(yáng)極在太陽(yáng)能電池中的應(yīng)用。
【文檔編號(hào)】H01G9/20GK105895376SQ201610398084
【公開(kāi)日】2016年8月24日
【申請(qǐng)日】2016年6月7日
【發(fā)明人】何丹農(nóng), 林琳, 杜以博, 徐少洪, 張春明, 金彩虹
【申請(qǐng)人】上海納米技術(shù)及應(yīng)用國(guó)家工程研究中心有限公司