專利名稱：天然染料敏化Zn₂TiO₄納米晶薄膜太陽能電池及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于太陽能電池技術(shù)領(lǐng)域，更具體涉及一種天然染料敏Kai2TiO4納米晶薄膜太陽能電池及其制備方法。
背景技術(shù)：
染料是染料敏化太陽能電池(Dye-sensitized Solar Cell, DSSC)的核心部分之一，其作用是吸收太陽光，產(chǎn)生光電子，并將光電子傳輸?shù)窖趸锇雽?dǎo)體導(dǎo)帶上。因此，染料敏化劑性能的優(yōu)劣對整個(gè)電池裝置的光電轉(zhuǎn)化效率起著決定性作用。目前，人們研究的可作為敏化劑的染料主要有四種釕多吡啶有機(jī)金屬配合物、酞菁和菁類染料、P卜啉類染料和天然染料。其中，釕多吡啶有機(jī)金屬配合物染料性能最好，但是其合成、提純等工藝比較復(fù)雜，且釕作為稀有金屬，使得這類染料成本較高，不利于大規(guī)模的工業(yè)化生產(chǎn)應(yīng)用；酞菁和菁類以及卟啉類染料很早就被用作光敏化劑了，性能也比較穩(wěn)定，不過這類染料合成過程中副反應(yīng)比較多，很難合成單一的純物質(zhì)。植物光合作用中心是一種分子水平上的高效率的光伏器件，其中參與植物光合作用等一系列重要過程的核心部分就是天然染料。一些天然染料如類黃酮類、花色素苷等，大量地存在于植物的葉子、花和果實(shí)中，且它們的化學(xué)性能和光學(xué)性能非常穩(wěn)定，可以用來替代釕吡啶絡(luò)合物作為DSSC的染料敏化劑。天然染料，成本低，制備簡單。但是，目前還未天然染料敏化Si2TiO4納米晶薄膜太陽能電池相關(guān)專利報(bào)道。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種天然染料敏化Si2TiO4納米晶薄膜太陽能電池及其制備方法，天然染料，成本低，制備簡單，電池性能好，具有優(yōu)異的經(jīng)濟(jì)效益。本發(fā)明的天然染料敏化Si2TiO4納米晶薄膜太陽能電池為三明治結(jié)構(gòu)，兩邊分別是導(dǎo)電玻璃FTO和有Au鍍層的導(dǎo)電玻璃FT0，中間兩部分分別為浸漬天然染料的Si2TiO4納米晶和電解質(zhì)容液。作為優(yōu)選，Zn2TiO4納米晶的粒徑為lOnm。小粒徑的Si2TiO4納米晶制備過程簡單， 純度高，較大比表面能吸附的染料，從而增加了光的利用率。本發(fā)明的天然染料敏化Si2TiO4納米晶薄膜太陽能電池的制備方法，其特征在于 所述的治本方法步驟為(1)天然染料的制備將采集到的葉子洗凈晾干，稱量后用研缽磨碎，加入無水乙醇，在黑暗處浸泡一周以上；過濾，將濾液濃縮，得到天然色素的乙醇溶液。(2)Zn2TiO4納米晶薄膜電極的制備①用鈦酸丁酯、二乙醇胺、去離子水和無水乙醇，按體積比3 :1:1: 12的比例配制成透明溶膠I ；②用二水合醋酸鋅為反應(yīng)前驅(qū)體， 乙醇胺為穩(wěn)定劑，乙二醇甲醚為溶劑，按乙醇胺與鋅離子的摩爾比為1 1的比例配制&ι2+ 濃度為0. 5mol/l的溶膠II ；③量取溶膠I和II，按Si與Ti的摩爾比2 1混合均勻，再加入表面活性劑聚乙二醇PEG400，攪拌均勻，得到膠體III ；④取制備好的膠體III滴于導(dǎo)電玻璃上，均勻涂抹在導(dǎo)電面上，將涂覆好膠體的導(dǎo)電玻璃干燥lOmin，重復(fù)涂膜控制膜厚， 然后在550°C焙燒60min，即制備成Si2TiO4納米晶薄膜電極。(3)染料敏化太陽能電池的組裝將⑵中制備好的Si2TiO4電極玻片浸入到⑴ 中的天然色素乙醇溶液中，室溫浸泡48小時(shí)，取出后用無水乙醇清洗干凈，晾干，即為天然染料敏化的Si2TiO4電極；再把它與對電極和注入的液態(tài)電解質(zhì)溶液組裝在一起，形成三明治的染料敏化太陽能電池。本發(fā)明的顯著優(yōu)點(diǎn)是Si2TiO4納米晶是一種很好的半導(dǎo)體材料，本發(fā)明首次提供一種天然染料敏化SI2TiO4納米晶薄膜太陽能電池及其制備方法，制備方法簡單，光電能量轉(zhuǎn)化效率達(dá)到2. 97%，降低了成本，具有很好的經(jīng)濟(jì)效益。


圖1 550°C煅燒的Si2TiO4納米晶薄膜的SEM圖像圖2 550°C煅燒的Si2TiO4納米晶薄膜的XRD圖譜圖3本發(fā)明三明治結(jié)構(gòu)的染料敏化太陽能電池的示意圖，1導(dǎo)電玻璃FT0;2 Zn2TiO4納米晶；3天然染料敏化劑；4電解質(zhì)溶液；5Au鍍層；6導(dǎo)電玻璃FTO
具體實(shí)施例方式以下實(shí)施例進(jìn)一步說明本發(fā)明，但是本發(fā)明不僅限于此。實(shí)施例天然染料的制備將采集到的新鮮的葉子去掉泥土灰塵，洗凈烘干，稱量后用研缽磨碎放到棕色試劑瓶中，以每克原料加入20ml的無水乙醇的比例，加入無水乙醇，在黑暗處浸泡一周以上。利用真空泵和砂芯漏斗，抽濾，將濾液在40°C濃縮為原來的十分之一，將析出的不溶物濾去，得到天然色素的乙醇溶液，裝入棕色試劑瓶備用。Zn2TiO4納米晶薄膜電極的制備①用鈦酸丁酯、二乙醇胺、去離子水和無水乙醇， 按體積比3 :1:1: 12的比例配制成透明溶膠I。②用二水合醋酸鋅為反應(yīng)前驅(qū)體，乙醇胺為穩(wěn)定劑，乙二醇甲醚為溶劑；按乙醇胺與鋅離子的摩爾比為1 1的比例配制Si2+濃度為0. 5mol/l的溶膠II ；③用量筒分別量取一定體積的溶膠I和II，按Si與Ti的摩爾比 2 1進(jìn)行混合，并磁力攪拌使之混合均勻，再加入適量的表面活性劑聚乙二醇PEG400，并攪拌均勻，陳化M小時(shí)，得到膠體III，即為所需膠體；④將已清洗過的2cmX3cm導(dǎo)電玻璃 FTO (在400-700nm透光率大于90 %，方塊電阻14 Ω / □)不導(dǎo)電的背面及導(dǎo)電面的邊緣用膠帶封上并固定在涂膜機(jī)上；取制備好的膠體III滴于導(dǎo)電玻璃上，用旋涂成膜法在導(dǎo)電面上涂均勻；將涂覆好膠體的FTO在恒溫干燥箱中80°C干燥lOmin，重復(fù)涂膜以控制膜厚， 鍍完最后一層后，干燥30min ；撕下膠帶，放入箱式電阻爐中，以5°C /min升溫速度升溫到 230°C后，保溫60min，然后再升溫到550°C，恒溫?zé)Y(jié)60min，即制備成納米結(jié)構(gòu)Zn2TiO4薄膜電極。染料敏化太陽能電池的組裝將上述制備好的Si2TiO4電極玻片。浸入到制備好的月季葉染料的乙醇溶液中，室溫浸泡48小時(shí)，取出后用無水乙醇清洗干凈，晾干，即為月季葉染料敏化的Si2TiO4電極。再把它與對電極和注入的液態(tài)電解質(zhì)溶液組裝在一起，形成三明治的染料敏化太陽能電池。液態(tài)電解質(zhì)溶液采用常規(guī)的染料敏化太陽能電池電解質(zhì)溶液。從圖2可以看出，550°C的產(chǎn)物已結(jié)晶，但結(jié)晶度不是很高。該衍射譜圖與 α 2Zn2Ti04標(biāo)準(zhǔn)峰數(shù)據(jù)一致，表明所生長的Si2TiO4晶體為尖晶石結(jié)構(gòu)。圖1顯示，550°C煅燒所生長的Si2TiO4薄膜，表面平整、致密；納米Si2TiO4顆?；境是蛐位蚪蛐?，由于表面活性劑的分散作用，顆粒表現(xiàn)出良好的分散狀態(tài)，無團(tuán)聚和大塊堆積現(xiàn)象，粒徑大多在IOnm左右。以上述依據(jù)本發(fā)明的理想實(shí)施例為啟示，通過上述的說明內(nèi)容，相關(guān)工作人員完全可以在不偏離本項(xiàng)發(fā)明技術(shù)思想的范圍內(nèi)，進(jìn)行多樣的變更以及修改。本項(xiàng)發(fā)明的技術(shù)性范圍并不局限于說明書上的內(nèi)容，必須要根據(jù)權(quán)利要求范圍來確定其技術(shù)性范圍。
權(quán)利要求
1.一種天然染料敏化Si2TiO4納米晶薄膜的太陽能電池，其特征在于所述太陽能電池為三明治結(jié)構(gòu)，電池的兩邊分別是導(dǎo)電玻璃FTO和有Au鍍層的導(dǎo)電玻璃FT0，中間兩部分分別為浸漬天然染料的Si2TiO4納米晶和電解質(zhì)溶液。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的天然染料敏化Si2TiO4納米晶薄膜的太陽能電池，其特征在于=Zn2TiO4納米晶的粒徑為10nm。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的天然染料敏化Si2TiO4納米晶薄膜的太陽能電池的制備方法，步驟包括(1)天然染料的制備將采集的葉子，洗凈晾干，稱量后用研缽磨碎，加入無水乙醇，在黑暗處浸泡一周以上；過濾，濾液濃縮，得到天然色素的乙醇溶液；(2)Zn2TiO4納米晶薄膜電極的制備①用鈦酸丁酯、二乙醇胺、去離子水和無水乙醇， 按體積比3 :1:1: 12的比例配制成透明溶膠I ；②用二水合醋酸鋅為反應(yīng)前驅(qū)體，乙醇胺為穩(wěn)定劑，乙二醇甲醚為溶劑，按乙醇胺與鋅離子的摩爾比為1 1的比例配制&ι2+濃度為0. 5mol/l的溶膠II ；③量取溶膠I和II，按Si與Ti的摩爾比2 1混合均勻，再加入表面活性劑聚乙二醇PEG400，攪拌均勻，得到膠體III ；④取制備好的膠體III滴于導(dǎo)電玻璃上，均勻涂抹在導(dǎo)電面上，將涂覆好膠體的導(dǎo)電玻璃干燥lOmin，重復(fù)涂膜控制膜厚，然后在550°C焙燒60min，即制備成Zn2TiO4納米晶薄膜電極；(3)染料敏化太陽能電池的組裝將(2)中制備好的Si2TiO4電極玻片浸入到⑴中的天然色素乙醇溶液中，室溫浸泡48小時(shí)，取出后用無水乙醇清洗干凈，晾干，即為天然染料敏化的Si2TiO4電極；再把它與對電極和注入的液態(tài)電解質(zhì)溶液組裝在一起，形成三明治的染料敏化太陽能電池。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種天然染料敏化Zn2TiO4納米晶薄膜的太陽能電池及其制備，該太陽能電池為三明治結(jié)構(gòu)，兩邊部分別為導(dǎo)電玻璃FTO和對電極，中間兩部分分別為浸漬有有機(jī)染料的Zn2TiO4納米晶和電解質(zhì)溶液。制備步驟包括Zn2TiO4納米晶，天然染料的制備和組裝染料敏化太陽能電池。本發(fā)明制備方法簡單，成本降低，電池性能好，具有優(yōu)異的經(jīng)濟(jì)效益。
文檔編號(hào)H01G9/042GK102436935SQ20111029820
公開日2012年5月2日 申請日期2011年9月28日 優(yōu)先權(quán)日2011年9月28日
發(fā)明者何祖明, 唐斌, 夏詠梅, 王青 申請人:常州大學(xué)