一种基于三维纳米氧化银电极的光电化学太阳能电池

摘要

本发明涉及到一种光电化学太阳能电池的制各方法，具体是一种制备基于氧化银的氧化还原反应和光还原反应的太阳能电池的方法，属于太阳能电池制造技术领域。三维纳米氧化银电极、石墨电极和硝酸铵电解质溶液两两接触，氧化银光电极在太阳光照作用下得电子还原，继而在电解液中溶解氧作用下被氧化，实现电子传递。氧化银光阳极、石墨电极和电解质溶液共同形成光电化学太阳能电池。本发明提供的这种具有新型结构的化学太阳能转换装置，是由传统化学电池和光化学电池混合而成，并同时具有两种电池的特征，具有开路电压稳定，光电转换效率高的特点。

权利要求

1.一种三维纳米氧化银光电化学太阳能电池，其特征在于，该电池的重要组成部分，三维纳米氧化银电极的制备步骤为：

1)选取纯度为99.5％以上，厚度为0.1～1.0mm的高纯钛板，依次用水砂纸和金相砂纸打磨，而后放入在质量浓度为40％的氢氧化钠溶液中浸泡30分钟；用去离子水冲洗后，置于体积比1∶1的硫酸和硝酸混合溶液中，在60℃下刻蚀1小时；再用去离子水洗净，放入质量浓度为15％的草酸溶液中处理2小时，形成灰色麻面的钛基板，取出后用去离子水冲洗干净备用或放入无水乙醇中保存；

2)称取一定量硝酸银溶解于去离子水中配制成浓度为0.25～5.0mol/L的硝酸银溶液，在该溶液中按嵌段聚醚表面活性剂/硝酸银溶液的质量比为1％～10％的比例加入嵌段聚醚表面活性剂，然后在剧烈搅拌的同时按氨水/硝酸银溶液的质量比为5％～15％的比例滴加质量百分比浓度为25％的氨水形成具有三维纳米自组装能力的银氨络离子溶液；

3)钛基板浸泡于银氨络离子溶液中，以质量浓度为20％的NaOH溶液调节pH值至8.5，然后将麻面钛基板和银氨络离子溶液整体移入带聚四氟乙烯内衬的自生压力釜中，置于烘箱中在120℃下水热处理8小时，取出钛基板并以去离子水反复冲洗表面不均匀附着的氧化银颗粒和杂质，自然晾干，并在120℃下烘干3小时，即得三维纳米氧化银电极。

2.根据权利要求1所述的一种三维纳米氧化银光电化学太阳能电池，其特征在于：步骤

2中所述硝酸银溶液的摩尔浓度为0.25～5.0mol/L。

3.根据权利要求1所述的一种三维纳米氧化银光电化学太阳能电池，其特征在于：步骤

2中所述嵌段聚醚表面活性剂为聚环氧乙烷-聚环氧丙烷-聚环氧乙烷的三嵌段共聚物，其中环氧乙烷和环氧丙烷的聚合度分别为20、70、20，即聚环氧乙烷-聚环氧丙烷-聚环氧乙烷三嵌段共聚物，对应德国巴斯夫的商品牌号为Pluronic-P123。

4.根据权利要求1所述的一种三维纳米氧化银光电化学太阳能电池，其特征在于：步骤

2中所述氨水的质量浓度为5％～15％。

说明书

一种基于三维纳米氧化银电极的光电化学太阳能电池

技术领域

[0001] 本发明涉及到一种光电化学太阳能电池，具体是一种基于氧化银的氧化还原反应和光还原反应的太阳能电池的制备方法，属于新能源技术领域。

背景技术

[0002] 由于全球能源短缺危机和生态环境的恶化，世界各国均积极开发和利用可再生能源，从而解决能源供需矛盾，调整能源结构转型。其中，太阳能以其独有的优势而成为可再生能源的焦点，这是因为，太阳能是最清洁廉价的直接能源，且连续稳定。太阳能中蕴含的能量巨大，仅仅将照射到地表0.1％的太阳能以转化率5％计算，年均发电量即可达5.6×12
10 千瓦小时，相当于当前世界能源消耗量的40倍。因而太阳能被认为是化解能源危机、阻止生态环境恶化的最佳解决途径。太阳能电池利用光电转换技术可将太阳能直接转换为电能，是使用太阳能的最有效方式。目前，太阳能电池由于制造成本高、光电转换效率低，因而其应用受到了限制，但其优点及化石能源的枯竭又促使人们不断寻找低成本、高效率的太阳能电池材料。

[0003] 目前研究最多的太阳能电池有硅太阳能电池、化合物半导体太阳能电池和化学太阳能电池。化学太阳能电池是20世纪90年代后发展的新一代太阳能电池，以其潜在的低成本、相对简单的制作工艺和技术等优势赢得了广泛重视，但在电极材料、敏化剂和电解质的选择与制备等还存在一系列问题，制约了化学太阳能电池转换效率和稳定性的进一步提高。专利CN201310731417.0公开了一种，用Cu3SnS4/Cu2SnSe3复合光阴极将其用于化学太阳能电极，发现其比表面积大，催化和导电性能好，生产成本低，适合光电化学太阳能电池的产业化生产；专利CN201010240697.1公开了一种具有针状电极的光化学太阳能电池及其制造方法，主要是借助针状电极的大比表面积，吸附更多的染料，提高电子导通率，进而提升光电流与光电转换效率；专利CN201310403078.3公开了一种PbS/ITO薄膜基光电化学太阳能电池，简化了CBD的制备方法。

[0004] 总的来说，目前对于化学太阳能电池的研究还局限在对纳米半导体和光敏化染料的选择和优化，以及对于电池的形式和结构的改进上，对于太阳能电池的化学机理的改进涉及的不多，特别是突破原有的纳米半导体加敏化染料的模式，以新的替代反应实现光电转化的研究还未见报道。

发明内容

[0005] 本发明是鉴于现有技术中存在的上述问题而做出的，本发明的目的在于设计一种以新的光电转化模式工作的，以三维纳米氧化银电极为基础的光电化学太阳能电池。主要是基于氧化银光电极在太阳光照作用下得电子还原，继而在电解液中溶解氧作用下被氧化，实现电子传递的原理实现的。大颗粒度的氧化银难以被彻底光还原，后续的氧化反应也不易发生；只有构建三维纳米结构氧化银-银结构，才能充分利用量子效应，强化反应活性，使氧化银-银的可逆氧化还原反应顺利实现。

[0006] 为了实现上述目的，本发明第一技术方案，三维纳米氧化银光电化学的制备方法，其特征在于，其制备步骤为：

[0007] 1)选取纯度为99.5％以上，厚度为0.1～1.0mm的高纯钛板，依次用水砂纸和金相砂纸打磨，而后放入在质量浓度为40％的氢氧化钠溶液中浸泡30分钟；用去离子水冲洗后，置于1∶1(体积比)的硫酸和硝酸混合溶液中，在60℃下刻蚀1小时；再用去离子水洗净，放入质量浓度为15％的草酸溶液中处理2小时，形成灰色麻面的钛基板，取出后用去离子水冲洗干净备用或放入无水乙醇中保存；

[0008] 2)称取一定量硝酸银溶解于去离子水中配制成浓度为0.25～5.0mol/L的溶液，在该溶液中按质量比1％～10％的比例加入嵌段聚醚表面活性剂，然后在剧烈搅拌的同时按质量比5％～15％的比例滴加质量百分比浓度为25％的氨水形成具有三维纳米自组装能力的银氨络离子溶液；

[0009] 3)钛基板浸泡于银氨络离子溶液中，以质量浓度为20％的NaOH溶液调节pH值至8.5，然后将麻面钛基板和银氨络离子溶液整体移入带聚四氟乙烯内衬的自生压力釜中，置于烘箱中在120℃下水热处理8小时，取出钛基板并以去离子水反复冲洗表面不均匀附着的氧化银颗粒和杂质，自然晾干，并在120℃下烘干3小时，即得三维纳米氧化银电极。

[0010] 本发明的第二技术方案，三维纳米氧化银光电化学太阳能电池的构建，在第一技术方案的基础上，进一步地，提出将三维纳米氧化银电极通过封装和导线连接工艺，使之作为光阳极工作电极，另外选用等面积的石墨电极组成双电极体系，将光阳极与石墨电极分别置于含有质量浓度为0.5mol/L的硝酸铵溶液石英电解槽的阴阳极室内，组装成光电化学电池；

[0011] 本发明的第三技术方案，三维纳米氧化银光电化学太阳能电池的光电测试，在第二技术方案的基础上，进一步地，对所制备的三维纳米氧化银光电化学太阳能电池进行了光电转化性能的测试；采用500W氙灯作为入射光源模拟太阳光平行入射状态，该氙灯发射波长范围为350～2000nm，入射光强度85mW/cm2；将三维纳米氧化银光电化学太阳能电池连接电化学工作站或恒电位仪，进行暗态和明态下的电流-电压曲线测试。

[0012] 有益效果

[0013] 1.本发明采用成本低廉、环境友好、操作简便的自组装三维纳米电极构建技术，通过设计反应系统，能够快速制备出固定面积的具有规整形貌的三维纳米氧化银光电极，可实现工业化生产；

[0014] 2.本发明制备的三维纳米氧化银光电化学太阳能电池性能优越，具有高的光电转换效率和开路电压。

[0015] 3.本发明提出了以氧化银氧化还原反应和光还原反应为基础的光电池开发思路，为太阳能光电池的开发领域开辟了新的研究路线和研究方法。

附图说明

[0016] 图1为三维纳米氧化银光电化学太阳能电池的结构示意图，图中：1-三维纳米氧化银电极；2-石墨电极；3-光源；4-硝酸铵电解液；5-电位差计；

[0017] 图2为三维纳米氧化银电极的扫描电子显微图片；

[0018] 图3为三维纳米氧化银光电化学太阳能电池在模拟太阳光照射下的光电响应曲线。

具体实施方式

[0019] 为使本发明目的、技术方案、优点更加清楚，对本发明的具体的实施方式进行详细描述。

[0020] 第一实施例

[0021] 选取纯度为99.5％以上，厚度为0.1mm的高纯钛板，依次用水砂纸和金相砂纸打磨，而后放入在质量浓度为40％的氢氧化钠溶液中浸泡30分钟；用去离子水冲洗后，置于1∶1(体积比)硫酸和硝酸混合溶液中在60℃刻蚀1小时；再用去离子水洗净，放入质量浓度为
15％的草酸溶液中处理2小时，形成灰色麻面的钛基板，取出后用去离子水冲洗干净，称取一定量硝酸银溶解于去离子水中配制成浓度为0.25mol/L的溶液，在该溶液中按质量比1％的比例加入嵌段聚醚表面活性剂，然后在剧烈搅拌的同时按质量比5％的比例滴加质量百分比浓度为25％的氨水形成具有三维纳米自组装能力的银氨络离子溶液，将钛基板浸泡于银氨络离子溶液中，以质量浓度为20％的NaOH溶液调节pH值至8.5，然后将麻面钛基板和银氨络离子溶液整体移入带聚四氟乙烯内衬的自生压力釜中，置于烘箱中在120℃下水热处理8小时，取出钛基板并以去离子水反复冲洗表面不均匀附着的氧化银颗粒和杂质，自然晾干，并在120℃下烘干3小时，即得三维纳米氧化银电极；

[0022] 第二实施例

[0023] 将三维纳米氧化银电极通过封装和导线连接工艺，使之作为光阳极工作电极，另外选用等面积的石墨电极组成双电极体系，将光阳极与石墨电极分别置于含有质量浓度为0.5mol/L的硝酸铵溶液石英电解槽的阴阳极室内，组装成光电化学电池；

[0024] 实施例三

[0025] 对所制备的三维纳米氧化银光电化学太阳能电池进行了光电转化性能的测试；采用500W氙灯作为入射光源模拟太阳光平行入射状态，该氙灯发射波长范围为350～2000nm，入射光强度85mW/cm2；将三维纳米氧化银光电化学太阳能电池连接电化学工作站或恒电位仪，进行暗态和明态下的电流-电压曲线测试，电位扫描速度为10mV/s；所制电池具有灵敏的光电响应特性，光电流密度为30mA/cm2，开路电压为580mV，光转化效率约为2.7％。

[0026] 第四实施例

[0027] 第四实施例为第一实施例的变形例，与第一实施例的区别在于钛板厚度为1.0mm，硝酸银溶液浓度为5.0mol/L，嵌段聚醚表面活性剂的加入质量比例为10％，滴加氨水的质量比例为15％，以实施例二和实施例三的方法对其进行封装和检测，其他条件相同，在此不做赘述。在太阳光照下，三维纳米氧化银光电化学太阳能电池的光电流密度为65mA/cm2，开路电压为444mV，光转化效率约为1.6％。

[0028] 第五实施例

[0029] 第五实施例为第一实施例的变形例，与第一实施例的区别在于钛板厚度为0.5mm，硝酸银溶液浓度为2.5mol/L，嵌段聚醚表面活性剂的加入质量比例为5.2％，滴加氨水的质量比例为10％，其他条件相同。在太阳光照下，三维纳米氧化银光电化学太阳能电池的光电流密度为45mA/cm2，开路电压为329mV，光转化效率约为1.5％。

[0030] 第五实施例

[0031] 第五实施例为第一实施例的变形例，与第一实施例的区别在于钛板厚度为0.7mm，硝酸银溶液浓度为1.7mol/L，嵌段聚醚表面活性剂的加入质量比例为3.3％，滴加氨水的质量比例为8.2％，其他条件相同。在太阳光照下，三维纳米氧化银光电化学太阳能电池的光电流密度为57mA/cm2，开路电压为226mV，光转化效率约为0.8％。

[0032] 以上所述的具体实施方式仅用于具体说明本发明的精神，本发明的保护范围并不局限于此，对于本技术领域的技术人员来说，当然可根据本说明书中所公开的技术内容，通过变更、置换或变型的方式轻易做出其它的实施方式，这些其它的实施方式都应涵盖在本发明的保护范围之内。