一種染料敏化太陽能電池NiO光陰極的制備方法
【技術領域】
[0001] 本發明屬于染料敏化太陽能電池光電極制備技術領域，具體涉及一種染料敏化太 陽能電池 Ni0光陰極的制備方法。
【背景技術】
[0002] 自2000年Lindquist等人提出p-n型疊層電池，p-型電池的研究即成為熱點。 2008年Hagfeldt and Sun等人第一次提出P-型染料敏化電池，染料作為敏化劑成功敏化 氧化鎳作為光陰極。2010年該課題組提出氧化鎳作為光陰極材料，有機物作為敏化劑，制備 的染料敏化太陽能電池的短路光電流為5. 48mA · cm 2。與此同時，Bauerle and Bach等人 采用PMI-6T-TAPdye制備的短路電池光電流為7. 0 mA · cm 2。目前所知，Cheng Yibing課 題組采用〇13順種13/附0作為光陰極，短路電池光電流達到了9.47 11^〇112。雖然該類型 染料敏化太陽能電池的短路光電流已經有大幅度的提高，但是成效并不是非常明顯，并且 有機染料造價高、污染嚴重。
【發明內容】
[0003] 本發明目的在于克服現有技術缺陷，提供一種染料敏化太陽能電池 NiO光陰極的 制備方法。
[0004] 為實現上述目的，本發明采用如下技術方案： 一種染料敏化太陽能電池 NiO光陰極的制備方法，其包括如下步驟： 1) 在NiO水溶膠中添加乙基纖維素或羧甲基纖維素，混勻后刮涂或絲網印刷在透明導 電玻璃襯底上，自然晾干，然后于350 - 500°C下煅燒30 - 60min(用以除去殘留的有機物） 獲得厚度300nm - 1. 6 μ m的NiO納米晶多孔薄膜；其中以NiO計，乙基纖維素或羧甲基纖 維素的添加量為NiO重量的3 - 40% ; 2) 將分散在甲苯中的CdSe1 {,量子點電沉積在NiO納米晶多孔薄膜上(沉積電壓為 50V)即得，其中0 < X < 1。
[0005] 具體的，步驟2 )所述CdSe1義量子點采用熱注入法制備獲得，具體為：將 0. 386mmol氧化錦加入到I. 63mmol油酸與IOml十八稀的混合物中獲得體系一，于80°C通 入惰性氣體Ih以去除空氣，然后加熱(約需180 - 300°C)至體系一變澄清；將硒粉、硫粉的 油胺溶液混合后，注入到變澄清的體系一中反應30 - 180s，加入正丁醇使量子點沉淀，洗 滌沉淀即得。
[0006] 本發明的理論依據為：在NiO水溶膠(可采用本領域常規技術制備獲得）中添加乙 基纖維素或羧甲基纖維素等有機高分子添加劑，增加其成膜性能，以制備無裂紋的NiO納 米晶多孔薄膜。通過控制Se元素在Se+S中的比例，調控CdSe1 {,量子點的吸光范圍和能 級結構，以提高NiO光陰極的光吸收效率及光生電子的收集效率，從而制備出高效的染料 敏化太陽能電池 NiO光陰極。
[0007] 和現有技術相比，本發明的有益效果： 本發明利用CdSe1 XSX量子點敏化NiO納米晶多孔薄膜，制備獲得高效的染料敏化太陽 能電池 NiO光陰極，其具有較高的短路光電流，可以實現與染料敏化太陽能電池光陽極的 匹配，滿足制備高效p-n型疊層電池的需求。此外，通過調控Se、S的比例來控制光陰極吸 收太陽光的波長范圍，從而制備不同光吸收波段的光陰極。制備所得光陰極經優化后，光電 轉換效率為1. 02%。
【附圖說明】
[0008] 圖1為采用未添加乙基纖維素的NiO水溶膠制備的NiO薄膜SEM圖； 圖2為采用添加乙基纖維素的NiO水溶膠制備的NiO薄膜SEM圖，圖中（a)為表面；（b) 為橫截面； 圖3為不同Se與Se+S比例的量子點溶液的吸收光譜圖。
【具體實施方式】
[0009] 以下結合實施例對本發明的技術方案作進一步地詳細介紹，但本發明的保護范圍 并不局限于此。
[0010] 下述實施例中，NiO水溶膠的制備以氯化鎳為原料，具體可參照文獻（Syntheses of NiO nanoporous films using nonionic triblock co-polymer templates and their application to photo-cathodes of p-type dye-sensitized solar cells， Seiichi Sumikura, Shogo Mori, Shinya Shimizu, Hisanao Usami, Eiji Suzuki， Journal of Photochemistry and Photobiology A: Chemistry, 2008，199: 1-7)進行。
[0011] 實施例1 NiO納米晶多孔薄膜的制備：將NiO水溶膠刮涂在透明導電玻璃襯底上，自然晾干，然 后于400°C下煅燒30min獲得厚度約為400nm的NiO納米晶多孔薄膜，其SEM照片見圖1。 由圖1可以看出：所制備的NiO薄膜由NiO納米顆粒組成，但薄膜中存在大量裂紋，甚至導 致NiO薄膜從導電玻璃襯底上脫落。
[0012] 實施例2 NiO納米晶多孔薄膜的制備：在NiO水溶膠中添加乙基纖維素，混勻后刮涂在透明導電 玻璃襯底上，自然晾干，然后于400°C下煅燒30min獲得厚度約為1 μ m的NiO納米晶多孔薄 膜；其中以NiO計，乙基纖維素的添加量為NiO重量的30% ;其SEM照片見圖2。由圖2可以 看出：添加有機高分子添加劑乙基纖維素后，制備的NiO薄膜顆粒大小均一，薄膜平整無裂 紋，NiO薄膜與導電玻璃襯底結合牢固。
[0013] 將實施例2所得NiO納米晶多孔薄膜用于下述實施例3至7所述染料敏化太陽 能電池 NiO光陰極的制備。下述實施例3至7中的CdSe1 XSX量子點經下述方法獲得：將 0. 386mmol氧化錦加入到I. 63mmol油酸與IOml十八稀的混合物中獲得體系一，于80°C通 入惰性氣體Ih以去除空氣，然后加熱300°C至體系一變澄清；將適量硒粉的油胺溶液與硫 粉的油胺溶液混合后，注入到變澄清的體系一中反應60s，加入正丁醇使量子點沉淀，洗滌 沉淀即得。CdSe量子點、CdS量子點可參照制備。
[0014] 實施例3 將分散在甲苯中的CdSe量子點電沉積在NiO納米晶多孔薄膜上(沉積電壓為50V)獲 得染料敏化太陽能電池 NiO光陰極。
[0015] 利用0. 99876g硫酸銅與0. 15224g硫脲分別溶解在40ml去離子水中，采用熱反應 法在100°C下加熱8h制備的硫化銅電極作為對電極；由0. 8g硫、6g-水合硫化鈉、0.1 g氫 氧化鈉溶解于25ml水中制備的水溶液作為電解質，在lOOmW/cm2模擬太陽光光強下，進行 光電測量。
[0016] 實施例4 將分散在甲苯中的CdSe1 ,^量子點電沉積在NiO納米晶多孔薄膜上(沉積電壓為 50V)，獲得染料敏化太陽能電池 NiO光陰極，其中Cd:Se: (Se+S)為3. 5:1:3. 5。
[0017] 利用0. 99876g硫酸銅與0. 15224g硫脲分別溶解在40ml去離子水中，采用熱反應 法在100°C下加熱8h制備的硫化銅電極作為對電極；由0. 8g硫、6g-水合硫化鈉、0.1 g氫 氧化鈉溶解于25ml水中制備的水溶液作為電解質，在lOOmW/cm2模擬太陽光光強下，進行 光電測量。
[0018] 實施例5 將分散在甲苯中的CdSe1 ,^量子點電沉積在NiO納米晶多孔薄膜上(沉積電壓為 50V)，獲得染料敏化太陽能電池 NiO光陰極，其中Cd:Se: ( Se+S)為6:1:6。
[0019] 利用0. 99876g硫酸銅與0. 15224g硫脲分別溶解在40ml去離子水中，采用熱反應 法在100°C下加熱8h制備的硫化銅電極作為對電極；由0. 8g硫、6g-水合硫化鈉、0.1 g氫 氧化鈉溶解于25ml水中制備的水溶液作為電解質，在lOOmW/cm2模擬太陽光光強下，進行 光電測量。
[0020] 實施例6 將分散在甲苯中的CdSe1 ,^量子點電沉積在NiO納米晶多孔薄膜上(沉積電壓為 50V)，獲得染料敏化太陽能電池 NiO光陰極，其中Cd:Se: ( Se+S)為26:1:26。
[0021] 利用0. 99876g硫酸銅與0. 15224g硫脲分別溶解在40ml去離子水中，采用熱反應 法在100°C下加熱8h制備的硫化銅電極作為對電極；由0. 8g硫、6g-水合硫化鈉、0.1 g氫 氧化鈉溶解于25ml水中制備的水溶液作為電解質，在lOOmW/cm2模擬太陽光光強下，進行 光電測量。
[0022] 實施例7 將分散在甲苯中的CdS量子點電沉積在NiO納米晶多孔薄膜上(沉積電壓為50V)獲得 染料敏化太陽能電池 NiO光陰極。
[0023] 利用0. 99876g硫酸銅與0. 15224g硫脲分別溶解在40ml去離子水中，采用熱反應 法在100°C下加熱8h制備的硫化銅電極作為對電極；由0. 8g硫、6g-水合硫化鈉、0.1 g氫 氧化鈉溶解于25ml水中制備的水溶液作為電解質，在lOOmW/cm2模擬太陽光(采用Newport Oriel公司的AAA級太陽光模擬器生成）光強下，進行光電測量，有效光照面積為0. 25cm2。
[0024] 上述實施例3至7所得染料敏化太陽能電池 NiO光陰極的光電測試結果見下表和 圖3。由下表可以看出：CdSe1 A量子點的成分對NiO光陰極的性能有很大的影響，當X為 〇或1時，光陰極的開路光電壓和短路光電流均較小，光電轉換效率較低；當〇 < X < 1時， 光陰極的開路光電壓和短路光電流顯著增大，光電轉換效率較高，最高可達1. 02%。由圖3 可以看出：隨著CdSe1 XSX量子點Se與Se+S的比例變化，量子點的光吸收范圍發生了明顯 的變化，因此可通過調控Se、S的比例來控制光陰極吸收太陽光的波長范圍，從而制備不同 光吸收波段的光陰極。
【主權項】
1. 一種染料敏化太陽能電池NiO光陰極的制備方法，其特征在于，包括如下步驟： 1) 在NiO水溶膠中添加乙基纖維素或羧甲基纖維素，混勻后刮涂或絲網印刷在透明導 電玻璃襯底上，自然晾干，然后于350 - 500°C下煅燒30 - 60min獲得厚度300nm-I. 6ym 的NiO納米晶多孔薄膜；以NiO計，乙基纖維素或羧甲基纖維素的添加量為NiO重量的3 - 40% ； 2) 將分散在甲苯中的CdSe1 {,量子點電沉積在NiO納米晶多孔薄膜上即得，其中0 <X < 1〇2. 如權利要求1所述染料敏化太陽能電池NiO光陰極的制備方法，其特征在于，步驟 2)中所述CdSe1XSX量子點采用熱注入法制備獲得，具體為：將0. 386mmol氧化鎘加入到 I. 63mmol油酸與IOml十八稀的混合物中獲得體系一，于80°C通入惰性氣體Ih以去除空 氣，然后加熱至體系一變澄清；將硒粉、硫粉的油胺溶液混合后，注入到變澄清的體系一中 反應30 - 180s，加入正丁醇使量子點沉淀，洗滌沉淀即得。
【專利摘要】本發明公開了一種染料敏化太陽能電池NiO光陰極的制備方法，其在NiO水溶膠中添加乙基纖維素或羧甲基纖維素等有機物，利用刮涂、絲網印刷技術制備厚度300nm－1.6μm的NiO納米晶多孔薄膜，然后利用CdSe1-xSx量子點敏化該NiO薄膜得到染料敏化太陽能電池NiO光陰極。通過調控Se、S的比例來控制光陰極吸收太陽光的波長范圍，從而制備不同光吸收波段的光陰極。制備所得光陰極經優化后，光電轉換效率可達1.02%。
【IPC分類】H01G9/042, H01G9/20
【公開號】CN105225841
【申請號】CN201510647275
【發明人】李勝軍, 陳增, 孔文平, 李永軍, 張偉風
【申請人】河南大學
【公開日】2016年1月6日
【申請日】2015年10月9日