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基于优化光 阳极的染料敏化 太阳能 电池

阅读：354发布：2023-03-07

专利汇可以提供基于优化光阳极的染料敏化太阳能电池专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明涉及一种基于优化光阳极的染料敏化太阳能电池，包括光阳极、对电极和电解液，所述光阳极包括Ti片基底、设于Ti片基底表面的TiO2/CuxO杂化纳米管薄膜、以及设于纳米管薄膜表面的TiO2复合薄膜。，下面是基于优化光阳极的染料敏化太阳能电池专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种基于优化光阳极的染料敏化太阳能电池，包括光阳极、对电极和电解液，其特征在于，所述光阳极包括Ti片基底、设于Ti片基底表面的TiO2/CuxO杂化纳米管薄膜、以及设于纳米管薄膜表面的TiO2复合薄膜。
2.根据权利要求1所述的一种基于优化光阳极的染料敏化太阳能电池，其特征在于，所述TiO2复合薄膜中包括TiO2纳米颗粒和In2O3/Au纳米颗粒，具体为，将TiO2纳米颗粒与In2O3/Au纳米颗粒混合制备成复合浆料，然后采用旋涂法将复合浆料涂覆在TiO2/CuxO杂化纳米管薄膜表面。
3.根据权利要求2所述的一种基于优化光阳极的染料敏化太阳能电池，其特征在于，所述In2O3/Au纳米颗粒表现为核壳结构，In2O3纳米颗粒为核结构，Au为壳结构；In2O3/Au纳米颗粒的粒径为20-30nm。
4.根据权利要求2所述的一种基于优化光阳极的染料敏化太阳能电池，其特征在于，所述TiO2纳米颗粒粒径为20nm。
5.根据权利要求2所述的一种基于优化光阳极的染料敏化太阳能电池，其特征在于，TiO2复合薄膜中，所述TiO2纳米颗粒和所述In2O3/Au纳米颗粒的质量比为2:3。
6.根据权利要求2所述的一种基于优化光阳极的染料敏化太阳能电池，其特征在于，所述TiO2复合薄膜厚度为50μm。
7.根据权利要求1所述的一种基于优化光阳极的染料敏化太阳能电池，其特征在于，TiO2/CuxO杂化纳米管薄膜中，所述TiO2/CuxO杂化纳米管管径为150nm，长度为4μm。
8.根据权利要求7所述的一种基于优化光阳极的染料敏化太阳能电池，其特征在于，TiO2/CuxO杂化纳米管薄膜中，所述纳米管密度约为3.9×107根/m2。
9.根据权利要求1所述的一种基于优化光阳极的染料敏化太阳能电池，其特征在于，所述染料敏化太阳能电池中光阳极的制备步骤：
步骤1、清洗Ti片
对Ti片进行裁剪、清洗；
步骤2、阳极氧化法生长TiO2纳米管薄膜
采用阳极氧化法在电化学反应池中制备TiO2纳米管薄膜，工作电极为Ti片，Ti片的纯度为99.5％以上，对电极为铂片，整个阳极氧化过程在氟化铵含量为0.25wt.％的乙二醇与去例子水的混合溶液中进行，其中，乙二醇和去离子水的体积比为98:2；反应在60V 电压下进行30min，反应结束后，在Ti片表面得到TiO2纳米管薄膜；
步骤3、制备TiO2/CuxO杂化纳米管薄膜
配置醋酸铜的乙醇溶液30ml，使得醋酸铜浓度为0.13mol/L，然后向其中加入10ml的超纯水，搅拌均匀，再将生长有TiO2纳米管薄膜的Ti片放入，加入2ml的25wt.％氨水，之后将该混合溶液置于聚四氟乙烯反应釜中，在180℃下保温20h，自然冷却后，将Ti片取出，用无水乙醇洗涤5次，干燥后，在600℃下煅烧1h，得到TiO2/CuxO杂化纳米管薄膜；
步骤4、制备In2O3纳米颗粒
将0.19g的水合硝酸铟固体粉末溶解于20ml的DMF中，在80℃下搅拌20min，然后加入
0.6g的尿素，继续搅拌至溶液澄清，将其置于100℃下加热24h，待反应结束后，自然冷却至室温，分别用去离子水和乙醇洗涤、离心，反复清洗多次，将离心产物在70℃下干燥2h，然后再500℃下退火2h，得到In2O3纳米颗粒，其中升温速度为1℃/min；
步骤5、制备In2O3/Au纳米颗粒
取190ml超纯水，在剧烈搅拌下，加入10ml的氯金酸溶液，氯金酸溶液浓度为5mmol/L，然后按照Au/In2O3的质量比为7％，加入上述的In2O3纳米颗粒，室温下搅拌10h后，离心收集沉淀并在室温下干燥；
将干燥好的产物分散在30ml超纯水中，然后加入0.13g的氟化铵，搅拌1h，再加入0.15g的聚乙烯吡咯烷酮，继续搅拌1h后转入聚四氟乙烯反应釜中，在110℃下保温4h进行反应，反应完成后，将所得溶液注入到165ml的混合溶液中，其中，混合溶液包括5ml的10mmol/L的柠檬酸铵溶液、3ml的10mmol/L的硼氢化钠溶液和157ml的超纯水，90℃下搅拌12h，反应完成后，将所得沉淀物用1mmol/L的NaOH溶液和超纯水离心洗涤，然后以2℃/min的升温速度在390℃下退火2h，自然降温后得到In2O3/Au纳米颗粒；
步骤6、制备光阳极
取TiO2纳米颗粒、In2O3/Au纳米颗粒，混合均匀，形成复合浆料，然后采用旋涂法将复合浆料涂覆在生长有TiO2/CuxO杂化纳米管薄膜的Ti片表面，将Ti片放入马弗炉中，在170℃下退火2h，反复旋涂几次，使得复合浆料层厚度为50μm，然后将Ti片放入马弗炉中，460℃煅烧
20min、510℃煅烧2h，形成TiO2复合薄膜，然后，将Ti片吸附染料后，得到所述的光阳极。

说明书全文

基于优化光阳极的染料敏化 太阳能 电池

技术领域

[0001] 本发明涉及太阳能电池技术领域，尤其涉及一种基于优化光阳极的染料敏化太阳能电池。

背景技术

[0002] 随着环境问题和能源问题的加重，人们对于清洁能源的关注越来越多。其中，太阳能是一种储量丰富的清洁能源，合理的开发和利用太阳能将会大大改善能源问题。

[0003] 染料敏化太阳能电池作为太阳能电池的一种，其具有廉价、高效、稳定、容易制作的优点。光阳极对染料敏化太阳能电池的光电转换效率有很大的影响，目前，基于纳米材料的光阳极正不断开发，光阳极结构的比表面积、电子传输性能以及光散射性能等因素与电池的光电转换效率有很大的关系，因此，通过合理的设计光阳极结构，能够有望提高电池的光电转换效率。

发明内容

[0004] 本发明旨在提供一种基于优化光阳极的染料敏化太阳能电池，以解决上述提出问题。

[0005] 本发明的实施例中提供了一种基于优化光阳极的染料敏化太阳能电池，包括光阳极、对电极和电解液，所述光阳极包括Ti片基底、设于Ti片基底表面的TiO2/CuxO杂化纳米管薄膜、以及设于纳米管薄膜表面的TiO2复合薄膜。

[0006] 优选地，所述TiO2复合薄膜中包括TiO2纳米颗粒和In2O3/Au纳米颗粒，具体为，将TiO2纳米颗粒与In2O3/Au纳米颗粒混合制备成复合浆料，然后采用旋涂法将复合浆料涂覆在TiO2/CuxO杂化纳米管薄膜表面。

[0007] 本发明的实施例提供的技术方案可以包括以下有益效果：

[0008] 本发明的创造性的将Ti片、TiO2/CuxO杂化纳米管薄膜、TiO2复合薄膜结合，这与传统的光阳极具有很大的不同，取得了意料不到的有益效果，一方面在于，Ti片作为纳米管薄膜的承载体，与纳米管之间的电阻较小，有利于电子传输；另一方面在于，TiO2/CuxO杂化纳米管可以提供电子传输的通道，且具有较大的比表面积，能够使得其上的TiO2复合薄膜及染料渗透其中，增大了染料与TiO2复合薄膜的吸附面积。

[0009] 本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本发明。附图说明

[0010] 利用附图对本发明作进一步说明，但附图中的实施例不构成对本发明的任何限制，对于本领域的普通技术人员，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据以下附图获得其它的附图。

[0011] 图1是本发明实施方式中所述光阳极的结构示意图。

[0012] 其中，01-Ti片基底，02-TiO2/CuxO杂化纳米管薄膜，03-TiO2复合薄膜。

具体实施方式

[0013] 这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本发明相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本发明的一些方面相一致的装置和方法的例子。

[0014] 本发明的实施例涉及一种基于优化光阳极的染料敏化太阳能电池，结合图1，在染料敏化太阳能电池现有光阳极的基础上，本实施例的技术方案对光阳极进行了优化，所述光阳极包括Ti片基底01、设于Ti片基底01表面的TiO2/CuxO杂化纳米管薄膜02、以及设于纳米管薄膜02表面的TiO2复合薄膜03，该TiO2复合薄膜03吸附有染料敏化剂。

[0015] 与传统光阳极不同，本发明对光阳极结构进行了优化设计，具体为采用Ti片作为基底，Ti片不透光，因此需要将光阳极朝下，对电极朝上，这样，太阳光可以从对电极透过。采用这种结构，能够使得太阳光深入到Ti片基底并且不能透过，太阳光可以经光阳极中薄膜物质的散射或反射，散射光或反射光能够进一步被光阳极中染料或薄膜物质吸收、利用，对于光电转换效率的提高起到意料不到的有益效果。

[0016] 现有技术中，光阳极通常为采用透明的FTO导电玻璃作为基底，然后将TiO2薄膜设于FTO基底表面，而本发明技术方案中，创造性的将Ti片、TiO2/CuxO杂化纳米管薄膜、TiO2复合薄膜结合，这与传统的光阳极具有很大的不同，取得了意料不到的有益效果，一方面在于，Ti片作为纳米管薄膜的承载体，与纳米管之间的电阻较小，有利于电子传输；另一方面在于，TiO2/CuxO杂化纳米管可以提供电子传输的通道，且具有较大的比表面积，能够使得其上的TiO2复合薄膜及染料渗透其中，增大了染料与TiO2复合薄膜的吸附面积。

[0017] 关于TiO2复合薄膜：

[0018] TiO2复合薄膜中包括TiO2纳米颗粒和In2O3/Au纳米颗粒，具体为，将TiO2纳米颗粒与In2O3/Au纳米颗粒混合制备成复合浆料，然后采用旋涂法将复合浆料涂覆在TiO2/CuxO杂化纳米管薄膜表面。

[0019] 优选地，该TiO2复合薄膜厚度为50μm。

[0020] 优选地，TiO2复合薄膜中，TiO2纳米颗粒和In2O3/Au纳米颗粒的质量比为2:3，其中，该TiO2纳米颗粒要求纯度在≥99.5％，粒径为20nm。

[0021] 其中，In2O3/Au纳米颗粒的制备过程为：

[0022] a)将0.19g的水合硝酸铟固体粉末溶解于20ml的DMF中，在80℃下搅拌20min，然后加入0.6g的尿素，继续搅拌至溶液澄清，将其置于100℃下加热24h，待反应结束后，自然冷却至室温，分别用去离子水和乙醇洗涤、离心，反复清洗多次，将离心产物在70℃下干燥2h，然后再500℃下退火2h，得到In2O3纳米颗粒，其中升温速度为1℃/min；

[0023] b)取190ml超纯水，在剧烈搅拌下，加入10ml的氯金酸溶液，氯金酸溶液浓度为5mmol/L，然后按照Au/In2O3的质量比为7％，加入上述的In2O3纳米颗粒，室温下搅拌10h后，离心收集沉淀并在室温下干燥；

[0024] c)将干燥好的产物分散在30ml超纯水中，然后加入0.13g的氟化铵，搅拌1h，再加入0.15g的聚乙烯吡咯烷酮，继续搅拌1h后转入聚四氟乙烯反应釜中，在110℃下保温4h进行反应，反应完成后，将所得溶液注入到165ml的混合溶液中(混合溶液包括5ml的10mmol/L的柠檬酸铵溶液、3ml的10mmol/L的硼氢化钠溶液和157ml的超纯水)，90℃下搅拌12h，反应完成后，将所得沉淀物用1mmol/L的NaOH溶液和超纯水离心洗涤，然后以2℃/min的升温速度在390℃下退火2h，自然降温后得到In2O3/Au纳米颗粒。

[0025] 经过上述过程，得到的In2O3/Au纳米颗粒表现为核壳结构，In2O3纳米颗粒为核结构，Au为壳结构；In2O3/Au纳米颗粒的粒径为20-30nm，与TiO2纳米颗粒的粒径相当。

[0026] 本方案创造性的采用In2O3/Au纳米颗粒和TiO2纳米颗粒作为复合浆料，对光电转换效率的提高产生了意料不到的有益效果。

[0027] 关于TiO2/CuxO杂化纳米管薄膜，其形成过程为首先采用阳极氧化法在Ti基底表面生长TiO2纳米管薄膜，然后经CuxO杂化，得到该TiO2/CuxO杂化纳米管薄膜：

[0028] a)采用阳极氧化法在电化学反应池中制备TiO2纳米管薄膜，工作电极为Ti片，Ti片的纯度为99.5％以上，对电极为铂片，整个阳极氧化过程在氟化铵含量为0.25wt.％的乙二醇与去例子水的混合溶液中进行，其中，乙二醇和去离子水的体积比为98:2；反应在60V 电压下进行30min，反应结束后，在Ti片表面得到TiO2纳米管薄膜；

[0029] b)配置醋酸铜的乙醇溶液30ml，使得醋酸铜浓度为0.13mol/L，然后向其中加入10ml的超纯水，搅拌均匀，再将生长有TiO2纳米管薄膜的Ti片放入，加入2ml的25wt.％氨水，之后将该混合溶液置于聚四氟乙烯反应釜中，在180℃下保温20h，自然冷却后，将Ti片取出，用无水乙醇洗涤5次，干燥后，在600℃下煅烧1h，得到TiO2/CuxO杂化纳米管薄膜。

[0030] 优选地，TiO2/CuxO杂化纳米管管径为150nm，长度为4μm。经过实验，本方案中，采用纳米管管径为150nm，长度为4μm取得了意料不到的有益效果，在该尺寸下，光电转换效率较佳。

[0031] 优选的，该TiO2/CuxO杂化纳米管薄膜中，纳米管密度约为3.9×107根/m2。

[0032] 本方案中，通过在基底与TiO2复合薄膜之间设置TiO2/CuxO杂化纳米管薄膜，产生了意料不到的技术效果。

[0033] 下面进一步例举实施例以详细说明本发明。同样应理解，以下实施例只用于对本发明进行进一步说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，本领域的技术人员根据本发明的上述内容作出的一些非本质的改进和调整均属于本发明的保护范围。下述示例具体的工艺参数等也仅是合适范围中的一个示例，即本领域技术人员可以通过本文的说明做合适的范围内选择，而并非要限定于下文示例的具体数值。

[0034] 实施例1

[0035] 如下为本发明所述染料敏化太阳能电池中光阳极的制备步骤：

[0036] 步骤1、清洗Ti片

[0037] 对Ti片进行裁剪、清洗；

[0038] 步骤2、阳极氧化法生长TiO2纳米管薄膜

[0039] 采用阳极氧化法在电化学反应池中制备TiO2纳米管薄膜，工作电极为Ti片，Ti片的纯度为99.5％以上，对电极为铂片，整个阳极氧化过程在氟化铵含量为0.25wt.％的乙二醇与去例子水的混合溶液中进行，其中，乙二醇和去离子水的体积比为98:2；反应在60V电压下进行30min，反应结束后，在Ti片表面得到TiO2纳米管薄膜；

[0040] 步骤3、制备TiO2/CuxO杂化纳米管薄膜

[0041] 配置醋酸铜的乙醇溶液30ml，使得醋酸铜浓度为0.13mol/L，然后向其中加入10ml的超纯水，搅拌均匀，再将生长有TiO2纳米管薄膜的Ti片放入，加入2ml的25wt.％氨水，之后将该混合溶液置于聚四氟乙烯反应釜中，在180℃下保温20h，自然冷却后，将Ti片取出，用无水乙醇洗涤5次，干燥后，在600℃下煅烧1h，得到TiO2/CuxO杂化纳米管薄膜；

[0042] 步骤4、制备In2O3纳米颗粒

[0043] 将0.19g的水合硝酸铟固体粉末溶解于20ml的DMF((二甲基甲酰胺))中，在80℃下搅拌20min，然后加入0.6g的尿素，继续搅拌至溶液澄清，将其置于100℃下加热24h，待反应结束后，自然冷却至室温，分别用去离子水和乙醇洗涤、离心，反复清洗多次，将离心产物在70℃下干燥2h，然后再500℃下退火2h，得到In2O3纳米颗粒，其中升温速度为1℃/min；

[0044] 步骤5、制备In2O3/Au纳米颗粒

[0045] 取190ml超纯水，在剧烈搅拌下，加入10ml的氯金酸溶液，氯金酸溶液浓度为5mmol/L，然后按照Au/In2O3的质量比为7％，加入上述的In2O3纳米颗粒，室温下搅拌10h后，离心收集沉淀并在室温下干燥；

[0046] 将干燥好的产物分散在30ml超纯水中，然后加入0.13g的氟化铵，搅拌1h，再加入0.15g的聚乙烯吡咯烷酮，继续搅拌1h后转入聚四氟乙烯反应釜中，在110℃下保温4h进行反应，反应完成后，将所得溶液注入到165ml的混合溶液中(混合溶液包括5ml的10mmol/L的柠檬酸铵溶液、3ml的10mmol/L的硼氢化钠溶液和157ml的超纯水)，90℃下搅拌12h，反应完成后，将所得沉淀物用1mmol/L的NaOH溶液和超纯水离心洗涤，然后以2℃/min的升温速度在390℃下退火2h，自然降温后得到In2O3/Au纳米颗粒；

[0047] 步骤6、制备光阳极

[0048] 取TiO2纳米颗粒、In2O3/Au纳米颗粒，混合均匀，形成复合浆料，然后采用旋涂法将复合浆料涂覆在生长有TiO2/CuxO杂化纳米管薄膜的Ti片表面，将Ti片放入马弗炉中，在170℃下退火2h，反复旋涂几次，使得复合浆料层厚度为50μm，然后将Ti片放入马弗炉中，460℃煅烧20min、510℃煅烧2h，形成TiO2复合薄膜，然后，将Ti片吸附染料后，得到所述的光阳极。

[0049] 对电极为分散有铂的FTO基底，将对电极切割成与光阳极相同的尺寸，并在所需的位置钻孔，然后清洗备用；

[0050] 将光阳极与对电极对置，在两电极之间注入电解液，共同组成一个三明治结构的电池，两电极之间进行封装；

[0051] 电解液应用碘/碘三负离子电解液，首先称取100ml的乙腈溶液，向其中加入0.1M的碘化锂，0.1M单质碘，0.6M 4-叔丁基吡啶和0.6M的四丁基碘化铵，避光超声5min，使其充分溶解；然后称取5g的所述Ag纳米颗粒，将其加入混合溶液中，充分混合。

[0052] 对上述得到的染料电池进行光电性能测试，测试是在模拟标准太阳光照射下进行的，在AM1.5的标准光源下，对所得染料敏化太阳能电池性能进行测试，主要是由测定电池的短路电流密度-开路电压来表现，结果如表1所示，记录参数有开路电压、短路电流、转换效率，从中可知，本发明技术方案得到的染料敏化太阳能电池具有较高的光电转换效率。

[0053] 表1实施例1的太阳能电池的性能表征结果

[0054]

[0055] 以上所述仅为本发明的较佳方式，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

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