CN102810408B - 光阳极制备方法、光阳极、染料敏化太阳能电池 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种光阳极制备方法、光阳极、染料敏化太阳能电池。其中，光阳极制备方法包括以下步骤：将包括纳米二氧化钛晶体、造孔剂的混合物使用热喷涂法向导电基底上喷涂，得到导电基底上有二氧化钛薄膜的光阳极。该光阳极制备工艺简单、能耗低，克服了传统二氧化钛薄膜烧结过程中的耗能大、工序复杂的缺点。该工艺制备出来的染料敏化太阳能电池的成本大大降低，同时制备出来的光阳极上的二氧化钛晶体形成的二氧化钛薄膜与导电基底的结合力强且有效连接，从而形成有利于光电子传输的网络结构，有利于染料敏化太阳能电池光电性能的提升。
Description
技术领域
本发明属于太阳能电池制造技术领域，具体涉及一种光阳极制备方法、光阳极及染料敏化太阳能电池。
背景技术
1991年瑞士洛桑高等工业学院Greatzel教授领导的研究小组，把纳米多孔TiO2应用于染料敏化太阳能电池（DSSC），该研究取得了突破性进展。自Gratzel教授在实验室小面积（<0.2cm2）电池取得7.1%的光电转换效率以来，染料敏化太阳能电池引起了越来越多的科学家重视，在2004年小面积电池效率提高到11.04%，目前日本Sharp公司宣布小面积电池达到11.1%。由于染料敏化太阳能电池潜在的应用前景，吸引了众多商业公司和研究机构投入大量的力量，并加大了具有实用化意义的大面积电池的研究。
染料敏化太阳能电池主要由以下几部分组成：光阳极、光阴极、电解质、染料等，其中光阳极作为染料敏化太阳能电池的重要组成部分一直是研发广泛关注的重点。光阳极制备的基本过程包括：导电基底的清洗与预处理，涂覆光阳极膜层，烘干膜层，光阳极膜层的烧结。其中，烧结一般是在450℃~550℃温度范围内对涂覆的光阳极进行高温处理的过程，其目的是除去光阳极膜层中的有机物，实现膜层中的非晶体的二氧化钛向晶体的二氧化钛的转化，以及使二氧化钛与导电基底更有效的连接从而形成有利于光电子传输的网络结构。目前，光阳极烧结大多采用传统窑炉烧结，这样就使得染料敏化太阳能电池生产工艺复杂、能源的消耗大大增加，电池的成本大幅度上涨。因此，开发一种工艺简单、节约能耗的光阳极制备方法，是染料敏化太阳能电池要解决的难题之一。
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，提供了一种光阳极及其制备方法，及包括该光阳极的染料敏化太阳能电池。该光阳极制备工艺简单，节约能耗，且实现了二氧化钛膜层与导电基底的有效连接。
解决本发明技术问题所采用的技术方案是提供一种光阳极的制备方法，包括以下步骤：将包括纳米二氧化钛晶体、造孔剂的混合物使用热喷涂法向导电基底上喷涂，得到导电基底上有二氧化钛薄膜的光阳极。
优选的是，所述纳米二氧化钛晶体的粒径为20~80纳米。
优选的是，所述热喷涂法中使用氧气-乙炔火焰，其中氧气的压力为0.1~0.3MPa，乙炔的压力为0.05~0.15MPa。
优选的是，所述热喷涂法中的喷涂距离为8~15厘米，所述热喷涂的喷涂角度为65°~90°。
优选的是，所述热喷涂中的所述混合物的供给速度为3~10克/分钟。
优选的是，所述二氧化钛薄膜的厚度为8~12微米.
优选的是，导电基底喷涂前先进行预热，预热温度为200~300℃.
优选的是，所述纳米二氧化钛晶体与所述造孔剂的质量比为（5∶3）~（2∶1）。
优选的是，所述造孔剂为乙基纤维素和/或聚乙二醇。
优选的是，所述导电基底为FTO导电玻璃或ITO导电玻璃。其中，FTO导电玻璃为掺杂氟的二氧化锡透明导电玻璃；ITO导电玻璃是在钠钙基或硅硼基基片玻璃的基础上，利用磁控溅射的方法镀上一层氧化铟锡膜加工制作成的。
本发明还提供一种光阳极，其是由上述的方法制备的。
本发明还提供一种染料敏化太阳能电池，包括上述的光阳极。
本发明的有益效果：该光阳极制备工艺简单、能耗低，克服了传统二氧化钛薄膜烧结过程中的耗能大、工序复杂的缺点。该工艺制备出来的染料敏化太阳能电池的成本大大降低，同时制备出来的光阳极上的二氧化钛晶体形成的二氧化钛薄膜与导电基底的结合力强且有效连接，从而形成有利于光电子传输的网络结构，有利于染料敏化太阳能电池光电性能的提升。
附图说明
图1是本发明实施例1制备的光阳极的横截面的扫描电镜照片；
图2是本发明实施例1制备的导电基底上的二氧化钛薄膜的扫描电镜照片；
图中：1-二氧化钛薄膜；2-导电基底。
具体实施方式
为使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细描述。
在以下各实施例中，在实施光阳极的制备方法之前，需要先对导电基底进行预处理，以便除去导电基底表面的有机物和无机物。该预处理的过程可为：将导电基底依次使用丙酮、乙醇、水超声波清洗30分钟，除去表面的油污以及无机物待用。
目前，纳米二氧化钛晶体的制备方法一般先采用水热反应法制备，纳米二氧化钛晶体的制备方法是本领域技术人员所公知的，这里不再赘述。
实施例1
本实施例提供一种光阳极的制备方法，包括以下步骤：
将热喷涂法使用的喷枪罐内装有粒径为60纳米的二氧化钛晶体、乙基纤维素，其中二氧化钛与乙基纤维素的质量比为28∶15。先用氧气-乙炔火焰将导电基底2预热到250℃，调节喷枪的氧气和乙炔气体的压力分别为0.3MPa和0.15MPa，调整喷枪的喷涂距离为15厘米，喷涂角度为80°。调整好上述各参数后，打开喷枪的送料罐子开关，喷枪罐的粉料供给速度为10克/分钟，使粉料从料罐中下落并随着气流从喷枪喷嘴端部的燃烧火焰中喷出，粉料经过高温火焰成为熔滴，在气体压力的作用下高速撞击导电基底2，在导电基底2表面形成与基底牢固结合的二氧化钛薄膜1，得到光阳极。
如图1所示，光阳极的横截面上包括二氧化钛薄膜1和导电基底2，该光阳极的扫描电镜的照片的放大倍数为800倍，从照片上可以看出二氧化钛薄膜1的厚度为10微米，二氧化钛薄膜1紧紧贴附在导电基底2上，二氧化钛薄膜1与导电基底2的接界位置光滑平整，且没有任何空隙。
如图2所示，导电基底2上的二氧化钛薄膜的放大倍数为50000倍，通过该热喷涂方法在导电基底2上形成的二氧化钛薄膜1为多孔的纳米二氧化钛结构，纳米二氧化钛颗粒之间有很多孔洞，从而形成多孔通道。这些通道是乙基纤维素在喷涂过程中高温灼烧后碳化形成的，该孔道有利于光阳极吸附染料。
本发明的有益效果：该光阳极制备工艺简单、能耗低，克服了传统二氧化钛薄膜1烧结过程中的耗能大、工序复杂的缺点。该工艺制备出来的染料敏化太阳能电池的成本大大降低，同时制备出来的光阳极上的二氧化钛晶体形成的二氧化钛薄膜1与导电基底2的结合力强且有效连接，从而形成有利于光电子传输的网络结构，有利于染料敏化太阳能电池光电性能的提升。
实施例2
本实施例提供一种光阳极的制备方法，包括以下步骤：
将热喷涂法使用的喷枪罐内装有粒径为50纳米的二氧化钛晶体、聚乙二醇，其中二氧化钛与聚乙二醇的质量比为5∶3。先用氧气-乙炔火焰将导电基底预热到300℃，调节喷枪的氧气和乙炔气体的压力分别为0.15MPa和0.05MPa，调整喷枪的喷涂距离为12厘米，喷涂角度为65°。调整好上述各参数后，打开喷枪的送料罐子开关，喷枪罐的粉料供给速度为3克/分钟，使粉料从料罐中下落并随着气流从喷枪喷嘴端部的燃烧火焰中喷出，粉料经过高温火焰成为熔滴，在气体压力的作用下高速撞击（其中导电基底优选为FTO导电玻璃，当然也可以选用其他材料），在导电基底表面形成与基底牢固结合的膜厚为导电基底11微米的二氧化钛薄膜，得到光阳极。
实施例3
本实施例提供一种光阳极的制备方法，包括以下步骤：
将热喷涂法使用的喷枪罐内装有粒径为40纳米的二氧化钛晶体、乙基纤维素、聚乙二醇（乙基纤维素和聚乙二醇的质量比为1∶1），其中二氧化钛与乙基纤维素和聚乙二醇混合物的质量比为9∶5。先用氧气-乙炔火焰将导电基底预热到280℃，调节喷枪的氧气和乙炔气体的压力分别为0.1MPa和0.1MPa，调整喷枪的喷涂距离为11厘米，喷涂角度为75°。调整好上述各参数后，打开喷枪的送料罐子开关，喷枪罐的粉料供给速度为7克/分钟，使粉料从料罐中下落并随着气流从喷枪喷嘴端部的燃烧火焰中喷出，粉料经过高温火焰成为熔滴，在气体压力的作用下高速撞击导电基底（其中导电基底优选为ITO导电玻璃，当然也可以选用其他材料），在导电基底表面形成与基底牢固结合的膜厚为9微米的二氧化钛薄膜，得到光阳极。
实施例4
本实施例提供一种光阳极的制备方法，包括以下步骤：
将热喷涂法使用的喷枪罐内装有粒径为20纳米的二氧化钛晶体、聚乙二醇，其中二氧化钛与聚乙二醇的质量比为2∶1。先用氧气-乙炔火焰将预热到230℃，调节喷枪的氧气和乙炔气体的压力分别为0.2MPa和0.7MPa，调整喷枪的喷涂距离为8厘米，喷涂角度为75°。调整好上述各参数后，打开喷枪的送料罐子开关，喷枪罐的粉料供给速度为8克/分钟，使粉料从料罐中下落并随着气流从喷枪喷嘴端部的燃烧火焰中喷出，粉料经过高温火焰成为熔滴，在气体压力的作用下高速撞击导电基底，在导电基底表面形成与基底牢固结合的膜厚为12微米的二氧化钛薄膜，得到光阳极。
实施例5
本实施例提供一种光阳极的制备方法，包括以下步骤：
将热喷涂法使用的喷枪罐内装有粒径为80纳米的二氧化钛晶体、乙基纤维素，其中二氧化钛与乙基纤维素的质量比为29∶15。先用氧气-乙炔火焰将导电基底预热到200℃，调节喷枪的氧气和乙炔气体的压力分别为0.25MPa和0.12MPa，调整喷枪的喷涂距离为14厘米，喷涂角度为80°。调整好上述各参数后，打开喷枪的送料罐子开关，喷枪罐的粉料供给速度为5克/分钟，使粉料从料罐中下落并随着气流从喷枪喷嘴端部的燃烧火焰中喷出，粉料经过高温火焰成为熔滴，在气体压力的作用下高速撞击导电基底，在导电基底表面形成与基底牢固结合的膜厚为8微米的二氧化钛薄膜，得到光阳极。
实施例6
本实施例还提供一种光阳极，其是由上述的方法制备的。
实施例7
本实施例还提供一种染料敏化太阳能电池，其包括实施例6中的光阳极。
可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本发明的原理而采用的示例性实施方式，然而本发明并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本发明的精神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本发明的保护范围。
Claims (8)
1.一种光阳极的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
将包括纳米二氧化钛晶体、造孔剂的混合物使用热喷涂法向导电基底上喷涂，其中，所述热喷涂法中使用氧气-乙炔火焰，其中氧气的压力为0.1～0.3MPa，乙炔的压力为0.05～0.15MPa,所述造孔剂为乙基纤维素和/或聚乙二醇，所述混合物经过高温火焰成为熔滴，在气体压力的作用下高速撞击导电基底，在导电基底表面形成与导电基底牢固结合的二氧化钛薄膜，得到导电基底上有二氧化钛薄膜的光阳极。
2.根据权利要求1所述的光阳极的制备方法，其特征在于，所述纳米二氧化钛晶体的粒径为20～80纳米。
3.根据权利要求1所述的光阳极的制备方法，其特征在于，所述热喷涂法中的喷涂距离为8～15厘米，所述热喷涂的喷涂角度为65°～90°。
4.根据权利要求1所述的光阳极的制备方法，其特征在于，所述热喷涂中的所述混合物的供给速度为3～10克/分钟。
5.根据权利要求1所述的光阳极的制备方法，其特征在于，所述二氧化钛薄膜的厚度为8～12微米。
6.根据权利要求1所述的光阳极的制备方法，其特征在于，所述纳米二氧化钛晶体与所述造孔剂的质量比为(5∶3)～(2∶1)。
7.一种光阳极，其特征在于，其是由权利要求1～6任意一项所述的方法制备的。
8.一种染料敏化太阳能电池，其特征在于，包括权利要求7所述的光阳极。
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