一種氧化釔復合有序二氧化鈦光陽極及制備和應用
【專利摘要】本發明涉及一種上轉換發光材料氧化釔復合二氧化鈦光陽極的制備方法。該方法首先采用水熱法在FTO導電玻璃上生長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，使上轉換發光材料生長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能電池。該制備方法工藝和流程簡便，無需燒結處理，參數可調范圍寬，可重復性強，對環境無污染，是可制備光譜范圍寬、轉換效率高的染料敏化太陽能電池。
【專利說明】
一種氧化釔復合有序二氧化鈦光陽極及制備和應用
技術領域
[0001]本發明涉及一種上轉換發光材料復合二氧化鈦光陽極及其制備方法，屬于無機納米材料及合成技術領域。
【背景技術】
[0002]染料敏化太陽電池的結構分為光吸收材料和電荷傳輸層，光吸收主要靠吸附在光陽極表面的敏化功能材料實現，光陽極作為電荷分離和傳輸作的載體，是納米晶太陽電池的關鍵部分和光電轉換的基礎，其性能直接影響和決定太陽電池的效率。如何提高光陽極的光吸收能力及拓寬光陽極光吸收范圍，提高光陽極的載流子傳輸速率，減少電子-空穴對的復合是提高太陽電池總光電轉換效率和實用化的關鍵技術之一。
[0003]利用上轉換發光材料，通過上轉換發光作用，提高電池對光的利用率，進而提高光電流，可以在一定程度上提高電池的效率。與其他結構相比，一維納米結構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，在納米晶太陽電池的光陽極中應用廣泛。一維有序的納米材料比表面積大、尚的量子效應和結構效應等優勢，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構光陽極網絡中的穿越過程，從而提高染料敏化太陽電池光陽極的電荷收集效率，增加電池的光電轉換效率;且有序納米材料的直徑、長度和晶型結構易于控制，便于制備和組裝電極。同時，三維結構的二氧化鈦具有活性位點多的特性，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/三維納米材料的優點，在染料敏化太陽能電池中具有廣闊的應用前景。
[0004]本發明采用二次水熱法制備了上轉換發光材料復合的一維/三維二氧化鈦光陽極，既可拓寬光譜吸收范圍，提高對太陽光的利用率;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換效率。
【發明內容】
[0005]為克服現有技術的不足，本發明提供一種上轉換發光材料氧化釔復合有序二氧化鈦光陽極的制備方法。
[0006]—種氧化釔復合有序二氧化鈦光陽極的制備方法，其特征在于，一方面通過上轉換發光材料拓寬了光譜吸收范圍；另一方面，有序的一維/三維結構，可以提高電子的傳輸速率，從而提高電池的光電轉換效率，其制備方法包括如下工藝步驟:
(1)將氟摻雜錫氧化物(FTO)導電玻璃依次用丙酮、乙醇、去離子水清洗，其后用氮氣槍吹干，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°(:下進行水熱反應I?6小時；
(5)將步驟(4)得到的二氧化鈦納米花光陽極置于具有上轉換功能的稀土釔水溶液中進行二次水熱反應，160?190 °(:下進行水熱反應3?6小時，得到上轉換發光材料氧化釔復合二氧化鈦納米花光陽極材料；
(6)將制得的光陽極在N719染料中浸泡24小時后取出，用無水乙醇清洗表面，晾干；
(7)將所制光陽極與對電極封裝在一起，并通過對電極上預留的小孔將電解質灌入電池中，密封則得到染料敏化太陽能電池。
[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]—種氧化釔復合有序二氧化鈦光陽極，其特征在于，根據上述任一所述方法制備得到。
[0010]—種氧化釔復合有序二氧化鈦光陽極在太陽能電池中的應用。
[0011 ]與現有技術相比，本發明具有以下優點:
DSSC作為極具市場潛力的廉價太陽能電池，具有許多傳統電池所不具有的優點。因此，應該大力研究和發展DSSC。目前，DSSC的研究中還存在一些亟待解決的問題，其中之一就是效率的進一步提尚。提尚DSSC的效率，主要從兩方面入手:優化電池的結構和提尚電池對太陽光的利用率。目前DSSC的吸光范圍集中在300-800 nm之間，對那些能量占太陽光全部能量超過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構，使其具有很好的光學性質。因此，如能利用稀土發光材料的特性，將那些處于300-800 nm范圍之外的光，轉換成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換性能。
[0012]本發明利用上轉換發光材料，通過上轉換發光作用，提高電池對光的利用率，進而提高光電流，在一定程度上提高電池的效率。另一方面，改善T12膜的質量，也會提高DSSC的效率，采用有序的一維結構，可以有效提高電子的傳輸速率和電池的電流。
【附圖說明】
[0013]圖1:由實施例2制得的二氧化鈦納米花的掃描電鏡照片。
[0014]圖2:由實施例2制得的氧化釔復合二氧化鈦納米花的掃描電鏡圖片。
[0015]圖3:由實施例2制得的染料敏化太陽能電池的轉換效率圖譜。
【具體實施方式】
[0016]下面通過實施例對本發明作進一步闡述，其目的僅在于更好理解本發明的內容。因此，所舉之例并不限制本發明的保護范圍。
[0017]實施例1:
(O將氟摻雜錫氧化物(FTO)導電玻璃依次用丙酮、乙醇、去離子水清洗，其后用氮氣槍吹干，備用；
(2)分別量取12.5ml質量分數為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3小時；
(5)將步驟(4)得到的二氧化鈦納米花光陽極置于具有上轉換功能的稀土硝酸釔水溶液中進行二次水熱反應，160 °(:下進行水熱反應3小時，得到上轉換發光材料氧化釔復合二氧化鈦納米花光陽極材料；
(6)將制得的光陽極在N719染料中浸泡24小時后取出，用無水乙醇清洗表面，晾干；
(7)將所制光陽極與對電極封裝在一起，并通過對電極上預留的小孔將電解質灌入電池中，密封則得到染料敏化太陽能電池。
[0018]實施例2:
(O將氟摻雜錫氧化物(FTO)導電玻璃依次用丙酮、乙醇、去離子水清洗，其后用氮氣槍吹干，備用；
(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6小時；
(5)將步驟(4)得到的二氧化鈦納米花光陽極置于具有上轉換功能的稀土硝酸釔水溶液中進行二次水熱反應，190 °(:下進行水熱反應3小時，得到上轉換發光材料氧化釔復合二氧化鈦納米花光陽極材料；
(6)將制得的光陽極在N719染料中浸泡24小時后取出，用無水乙醇清洗表面，晾干；
(7)將所制光陽極與對電極封裝在一起，并通過對電極上預留的小孔將電解質灌入電池中，密封則得到染料敏化太陽能電池。
[0019]圖1為此反應條件所得的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數更細小的納米棒組成。從圖2中可以看出，上轉換發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，復合上轉換發光材料后，電池效率提高，從復合之前的4.15%提高至6.70% ο
[0020]實施例3:
(O將氟摻雜錫氧化物(FTO)導電玻璃依次用丙酮、乙醇、去離子水清洗，其后用氮氣槍吹干，備用；
(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5小時；
(5)將步驟(4)得到的二氧化鈦納米花光陽極置于具有上轉換功能的稀土硝酸釔水溶液中進行二次水熱反應，180 °(:下進行水熱反應6小時，得到上轉換發光材料氧化釔復合二氧化鈦納米花光陽極材料；
(6)將制得的光陽極在N719染料中浸泡24小時后取出，用無水乙醇清洗表面，晾干；
(7)將所制光陽極與對電極封裝在一起，并通過對電極上預留的小孔將電解質灌入電池中，密封則得到染料敏化太陽能電池。
[0021]實施例4:
(O將氟摻雜錫氧化物(FTO)導電玻璃依次用丙酮、乙醇、去離子水清洗，其后用氮氣槍吹干，備用；
(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6小時；
(5)將步驟(4)得到的二氧化鈦納米花光陽極置于具有上轉換功能的稀土硝酸釔水溶液中進行二次水熱反應，170 °(:下進行水熱反應5小時，得到上轉換發光材料氧化釔復合二氧化鈦納米花光陽極材料；
(6)將制得的光陽極在N719染料中浸泡24小時后取出，用無水乙醇清洗表面，晾干；
(7)將所制光陽極與對電極封裝在一起，并通過對電極上預留的小孔將電解質灌入電池中，密封則得到染料敏化太陽能電池。
[0022]實施例5:
(O將氟摻雜錫氧化物(FTO)導電玻璃依次用丙酮、乙醇、去離子水清洗，其后用氮氣槍吹干，備用；
(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6小時；
(5)將步驟(4)得到的二氧化鈦納米花光陽極置于具有上轉換功能的稀土硝酸釔水溶液中進行二次水熱反應，190 °(:下進行水熱反應3小時，得到上轉換發光材料氧化釔復合二氧化鈦納米花光陽極材料；
(6)將制得的光陽極在N719染料中浸泡24小時后取出，用無水乙醇清洗表面，晾干；
(7)將所制光陽極與對電極封裝在一起，并通過對電極上預留的小孔將電解質灌入電池中，密封則得到染料敏化太陽能電池。
【主權項】
1.一種氧化釔復合有序二氧化鈦光陽極的制備方法，其特征在于，一方面通過上轉換發光材料拓寬了光譜吸收范圍；另一方面，有序的一維/三維結構，可以提高電子的傳輸速率，從而提高電池的光電轉換效率，其制備方法包括如下工藝步驟: (1)將氟摻雜錫氧化物(FTO)導電玻璃依次用丙酮、乙醇、去離子水清洗，其后用氮氣槍吹干，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°(:下進行水熱反應I?6小時； (5)將步驟(4)得到的二氧化鈦納米花光陽極置于具有上轉換功能的稀土釔水溶液中進行二次水熱反應，160?190 °(:下進行水熱反應3~6小時，得到上轉換發光材料氧化釔復合二氧化鈦納米花光陽極材料； (6)將制得的光陽極在N719染料中浸泡24小時后取出，用無水乙醇清洗表面，晾干； (7)將所制光陽極與對電極封裝在一起，并通過對電極上預留的小孔將電解質灌入電池中，密封則得到染料敏化太陽能電池。2.根據權利要求1所述一種氧化釔復合有序二氧化鈦光陽極的制備方法，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.根據權利要求1所述一種氧化釔復合有序二氧化鈦光陽極的制備方法，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。4.一種氧化釔復合有序二氧化鈦光陽極，其特征在于，根據權利要求1-3任一所述方法制備得到。5.根據權利要求4所述一種氧化釔復合有序二氧化鈦光陽極在太陽能電池中的應用。
【文檔編號】H01G9/20GK105895376SQ201610398084
【公開日】2016年8月24日
【申請日】2016年6月7日
【發明人】何丹農, 林琳, 杜以博, 徐少洪, 張春明, 金彩虹
【申請人】上海納米技術及應用國家工程研究中心有限公司