一种染料敏化太阳能电池光阳极材料的制备方法

摘要

一种染料敏化太阳能电池光阳极材料的制备方法，本发明属于功能材料及新型复合材料领域，具体为氧化镍颗粒/二氧化钛纳米棒复合材料。该氧化镍颗粒/二氧化钛纳米棒复合材料具有较大的比表面积、良好的光散射效应，同时氧化镍颗粒/二氧化钛纳米棒复合材料所构建的PN结结构能加速电子的快速传输，因此本发明里的氧化镍颗粒/二氧化钛纳米棒复合材料用于染料敏化太阳能电池时展现了良好光电性能。同时其制备方法简便，具有实用前景。

权利要求

1.一种氧化镍颗粒/二氧化钛纳米棒复合材料的应用，其特征在于：所述的应用为，以所述的氧化镍颗粒/二氧化钛纳米棒复合材料为光阳极半导体材料，N719染料为光敏化剂，铂电极为对电极，与液体碘电解液组成染料敏化太阳能电池；

所述的氧化镍颗粒/二氧化钛纳米棒复合材料的制备方法为，

(1)将浓度为1～15M的碱液与质量为1～5g的二氧化钛粉末混合，并搅拌、超声半小时；

(2)将步骤(1)中得到的体系转移到100ml的反应釜中，160℃～200℃水热反应12～60小时；

(3)将步骤(2)反应后的体系离心，并分别用稀盐酸溶液、蒸馏水洗涤，得到的产品在60℃下烘干24h，得到质子钛酸盐纳米棒；

(4)将0.1～0.5g步骤(3)中制备的质子钛酸盐纳米棒加入体积为10～100ml的NiCl2溶液中搅拌10分钟后，加入尿素调节pH值为10，然后80℃水浴反应2～10个小时后自然冷却；

(5)将步骤(4)反应后的体系离心，并分别用去离子水、无水乙醇洗涤至pH值为7，60℃烘干后，空气中500度烧结2h，得到氧化镍颗粒/二氧化钛纳米棒复合材料。

2.如权利要求1所述的氧化镍颗粒/二氧化钛纳米棒复合材料的应用，其特征在于：步骤(3)中，离心时转速为6000rpm/min。

3.如权利要求1所述的氧化镍颗粒/二氧化钛纳米棒复合材料的应用，其特征在于：步骤(3)中，稀盐酸的浓度为0.1mol.L-1。

4.如权利要求1所述的氧化镍颗粒/二氧化钛纳米棒复合材料的应用，其特征在于：步骤(3)中，稀盐酸洗涤2次，蒸馏水洗涤3次。

5.如权利要求1所述的氧化镍颗粒/二氧化钛纳米棒复合材料的应用，其特征在于：步骤(4)中，NiCl2溶液中NiCl2为10mmol。

6.如权利要求1所述的氧化镍颗粒/二氧化钛纳米棒复合材料的应用，其特征在于：步骤(5)中，离心时转速为6000rpm/min。

7.如权利要求1所述的氧化镍颗粒/二氧化钛纳米棒复合材料的应用，其特征在于：步骤(5)中，去离子水和无水乙醇分别洗涤沉淀物3次和1次。

说明书

一种染料敏化太阳能电池光阳极材料的制备方法

技术领域

[0001] 本发明属于功能材料及新型复合材料领域，特别涉及一种氧化镍颗粒/二氧化钛纳米棒复合材料的制备方法。

背景技术

[0002] 近年来，染料敏化太阳能电池(DSSCs)由于其低成本、易组装等特点受到了广泛的关注。DSSCs的核心部分是纳米晶半导体光阳极，它通常由纳米TiO2多孔薄膜构成，是太阳能电池最重要部分。光阳极对太阳能电池光电性能起着重要的作用：如提供电子传输的路径，吸附染料以及保证充分的液相通道等。

[0003] 研究发现制约染料敏化太阳能电池的光电性能主要有两方面的因素：一方面是电池薄膜对太阳光的吸收，另一方面是电子在二氧化钛半导体薄膜中的传输。二氧化钛半导体光阳极的性能严重制约着电池的光电转换效率。作为光阳极的重要组成部分，二氧化钛材料的形貌和结构决定了光阳极的电子传输动力学性能。特别是二氧化钛具有较多的结构缺陷，导致电子在光阳极膜内的传输时间长、电子寿命短。

[0004] 在众多形貌中，二氧化钛纳米棒或纳米线这种材料具有一维圆柱几何体构型，能够提供发射电场，使电子远离纳米棒或纳米线的表面，减少表面电子密度，增加有效的电荷分离。更重要的是，光生电子沿着一维长轴方向的传输可以有效地减少晶界对光电子的捕获，加速电子的传输速率，减弱光生电子的复合，有助于提高染料敏化太阳能电池的光电转换效率。但纳米棒光阳极材料存在着不可忽视的问题：比表面积太小、光散射效果差，导致电池的短路电流过低。

发明内容

[0005] 本发明所要解决的技术问题在于：纳米棒光阳极材料比表面积太小，为解决这一技术问题，本发明采用的技术方案为：

[0006] 提供了一种氧化镍颗粒/二氧化钛纳米棒复合材料的制备方法：

[0007] (1)将浓度为1～15M的碱液与质量为1～5g的二氧化钛粉末混合，并搅拌、超声半小时；

[0008] (2)将步骤(1)中得到的混合体系转移到100ml的反应釜中，160℃～200℃水热反应12～60小时；

[0009] (3)将步骤(2)反应后的体系离心，并分别用稀盐酸溶液、蒸馏水洗涤，得到的产品在60℃下烘干24h，得到质子钛酸盐纳米棒，

[0010] 其中，离心机转速为6000rpm/min，稀盐酸的浓度为0.1mol.L-1，洗涤2次，蒸馏水洗涤3次；

[0011] (4)将0.1～0.5g步骤(3)中制备的质子钛酸盐纳米棒加入体积为10～100ml的NiCl2溶液中搅拌10分钟后，加入尿素调节pH值为10，然后80℃水浴反应2～10个小时后自然冷却，

[0012] 其中；NiCl2溶液中NiCl2为10mmol；

[0013] (5)将步骤(4)反应后的体系离心，并分别用去离子水、无水乙醇洗涤至pH值为7，60℃烘干后，空气中500度烧结2h，得到氧化镍颗粒/二氧化钛纳米棒复合材料，[0014] 其中，离心机转速为6000rpm/min，依次用去离子水和无水乙醇分别洗涤沉淀物3次和1次。

[0015] 本发明所制备的染料敏化太阳能电池，是以氧化镍颗粒/二氧化钛纳米棒复合材料为光阳极半导体材料，N719染料为光敏化剂，铂电极为对电极，与液体碘电解液组成染料敏化太阳能电池。

[0016] 本发明的有益效果是通过采用所述制备方法得到的氧化镍颗粒/二氧化钛纳米棒复合材料，有效地提高了光阳极的比表面积和光散射效应，大的比表面积能够吸附更多的染料分子，增加相应电池的短路电流，进而提高电池的光电转换效率，同时氧化镍和二氧化钛表面所形成的P-N结构能够有效的分离光生电子并促进电子的传输，电子复合几率大大降低，电子的收集效率得到提高，相应电池的性能也得到了极大的提高。以本发明所述的氧化镍颗粒/二氧化钛纳米棒复合材料为电池光阳极材料，组装成的染料敏化太阳能电池，具有成本低廉、光电转换效率高、制备工艺简单等优点。

附图说明

[0017] 图1以氧化镍颗粒/二氧化钛纳米棒复合材料为光阳极材料的太阳能电池的光电流-电压曲线；

[0018] 图2以氧化镍颗粒/二氧化钛纳米棒复合材料为光阳极材料的太阳能电池的交流阻抗曲线。

具体实施方式

[0019] 实施例1：

[0020] (1)将浓度为10M的碱液与质量为3g的二氧化钛粉末混合，并搅拌、超声半小时；

[0021] (2)将步骤(1)中得到的体系转移到100ml的反应釜中，180℃水热反应48小时；

[0022] (3)将步骤(2)反应后的体系在转速为6000rpm/min的情况下进行离心，并分别用0.1mol.L-1的稀盐酸溶液、蒸馏水和乙醇各洗涤2次、3次和1次，得到的产品在60℃下烘干
24h，得到质子钛酸盐纳米棒，

[0023] BET检测上述质子钛酸盐纳米棒的比表面积为18m2/g；

[0024] (4)将0.5g步骤(3)中制备的质子钛酸盐纳米棒加入体积为50ml的含10mmol NiCl2的溶液中搅拌10分钟后，加入尿素调节pH值为10，然后80℃水浴反应6小时后自然冷却；

[0025] (5)将步骤(4)反应后的体系在转速为6000rpm/min的情况下进行离心，并分别用去离子水、无水乙醇洗涤至pH值为7，60℃烘干后，空气中500度烧结2h，得到氧化镍颗粒/二氧化钛纳米棒复合材料。

[0026] BET检测上述氧化镍颗粒/二氧化钛纳米棒复合材料的比表面积为82m2/g。

[0027] (6)将0.5g上述制备的氧化镍颗粒/二氧化钛纳米棒复合材料与0.5ml无水乙醇添加到研钵中，研磨成浆糊状，用玻璃棒将其均匀地涂在导电玻璃上。干燥后，于450℃温度下烧结0.5h，然后在N-719染料溶液中浸泡24h，制成光阳极；

[0028] (7)以Pt电极为对电极，组装成太阳能电池。电解液为含0.5M LiI、0.05M I2和0.5M TBP(4-tert-butylpyridine)的乙腈溶液，检测电池的有效测试面积为0.25cm2。

[0029] 用太阳模拟器(氙灯，AM 1.5,100mW/cm2)和CIMPS-2电化学工作站测量电池的光伏性能。如图1和表1所示，氧化镍颗粒/二氧化钛纳米棒复合材料电池的短路电流明显高于纳米棒的短路电流，通过计算得到电池的光电转换效率，氧化镍颗粒/二氧化钛纳米棒复合材料电池的转换效率为1.13％，明显高于纳米棒电池的0.28％。

[0030] 用太阳模拟器(氙灯，AM 1.5,100mW/cm2)和CIMPS-2电化学工作站测量电池的交流阻抗性能，如图2所示。样品谱线是由一个典型的半圆构成，指派为电荷的转移电阻，半圆直径越大表明电荷转移电阻越大，由此可以看出，复合材料电池的电阻小于纳米棒，表明电子在复合材料传输受到的阻力小于纳米棒，复合材料的pn结结构对电子的传输起了推动作用。

[0031] 采用CIMPS-2电化学工作站，光源由PP210驱动的波长为470nm的蓝色发光二极管提供，测定电池的强度调制光电流谱(IMPS)和强度调制光电压谱(IMVS)。计算结果如表2所示，从表中可以看出复合材料的电子传输时间(τd)明显缩短，电子寿命增长(τn)，表明复合材料具有良好的电子传输动力学性能，复合材料的pn结结构对电子传输动力学性能起到了改善的作用。

[0032] 根据实验结果，采用本发明所述的制备方法制备的氧化镍颗粒/二氧化钛纳米棒复合材料，比单一的纳米棒的性能有了相当大的提高，借助于复合材料的pn结结构，电子传输动力学性能得到明显改善。如图所示，图1是原始纳米棒的I-V曲线以及本发明所述的氧化镍颗粒/二氧化钛纳米棒复合材料的I-V曲线；表1是根据I-V曲线计算出来的性能参数；图2是原始纳米棒以及本发明所述的氧化镍颗粒/二氧化钛纳米棒复合材料的交流阻抗曲线；表2是根据IMPS和IMVS计算出来的性能参数。

[0033] 表1

[0034]  Jsc(mA/cm2) Voc(V) FF η(℅)
纳米棒 0.90 0.605 0.52 0.28
复合材料 3.28 0.780 0.44 1.13

[0035] 表2

[0036]  τd(ms) τn(ms)
纳米棒 1.46 54
复合材料 1.18 79.6