專利名稱：雜化電極、其制備方法及使用該雜化電極的太陽能電池的制作方法
雜化電極、其制備方法及使用該雜化電極的太陽能電池方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種雜化電極、其制備方法及使用該雜化電極的太陽能電池。背景技術(shù)：
光伏電池通常是由吸附有染料的納米晶TiO2光陽極(工作電極)、含有Γ/Ι3_氧化還原電對的電解質(zhì)和對電極三部分組成。對電極的作用是收集電池外電路的電子，并把它快速、低耗地傳遞給電解質(zhì)，同時催化還原電解質(zhì)中的13_。此外對電極還可以將工作電極未吸收的光反射回到工作電極進行二次吸收，提高太陽光的吸收效率。因此，作為DSSCs 的對電極，必須具備有高催化活性、高載流子傳輸能力以及良好的穩(wěn)定性。
在DSSCs中常用的納米半導(dǎo)體材料主要是銳鈦型的TiO2，這主要是因為TiO2的能級和帶隙適合制備DSSCs，且銳鈦型TiO2具有孔隙率高、比表面積大的結(jié)構(gòu)特點。這種結(jié)構(gòu)特點一方面有利于吸附更多的染料分子；另一方面可使太陽光在薄膜內(nèi)部晶粒間的多次反射，從而加強了材料對光的吸收。
TiO2薄膜的這種多孔結(jié)構(gòu)存在很多的晶粒界面，導(dǎo)致電荷在納米晶顆粒間傳輸?shù)碾娮栎^大，電子遷移率低，這也就會存在電子與電解液中的空穴復(fù)合的現(xiàn)象(暗電流現(xiàn)象)，使得光伏電池的能量轉(zhuǎn)換效率較低。
發(fā)明內(nèi)容
基于此，有必要提供一種光電轉(zhuǎn)換效率較高的雜化電極、其制備方法及使用該雜化電極的太陽能電池。
一種雜化電極，其包括導(dǎo)電基底及覆蓋在所述導(dǎo)電基底上的MgO = TiO2多孔半導(dǎo)體雜化薄膜。
在優(yōu)選的實施例中，所述MgO = TiO2S孔半導(dǎo)體雜化薄膜的厚度為12μπι 25μπι。
一種雜化電極的制備方法，包括如下步驟:步驟一、將二氧化鈦納米晶顆粒加入溶劑中形成二氧化鈦質(zhì)量濃度為15% 40%的膠體，之后向所述膠體中加入表面活性劑和螯合劑，攪拌均勻后得到二氧化鈦膠體；步驟二、將所述二氧化鈦膠體涂敷在導(dǎo)電基底上； 步驟三、將涂敷有二氧化鈦膠體的導(dǎo)電基底干燥后在350°C 600°C下進行煅燒形成二氧化鈦薄膜；步驟四、將經(jīng)過煅燒的導(dǎo)電基底浸入含有鎂離子的溶液中使二氧化鈦薄膜吸附鎂離子；步驟五、將導(dǎo)電基底進行煅燒，使吸附有鎂離子的二氧化鈦薄膜轉(zhuǎn)換為MgO: TiO2多孔半導(dǎo)體雜化薄膜，從而得到雜化電極。
在優(yōu)選的實施例中，步驟一中，所述表面活性劑為OP乳化劑或聚乙二醇對異辛基苯基醚，所述表面活性劑在所述二氧化鈦膠體中的質(zhì)量濃度為1% 5%。
在優(yōu)選的實施例中，步驟一中，所述螯合劑為乙酰丙酮，所述螯合劑在所述二氧化鈦膠體中的質(zhì)量濃度為1% 10%。
在優(yōu)選的實施例中，所述導(dǎo)電基底為銦錫氧化物玻璃、摻氟的氧化錫玻璃、摻鋁的氧化鎂玻璃或者摻銦的氧化鎂玻璃。
在優(yōu)選的實施例中，所述導(dǎo)電基底在涂敷二氧化鈦膠體之前先進行預(yù)處理，所述預(yù)處理的步驟為:將導(dǎo)電基底放入摩爾濃度為lOmmol/L lOOmmol/L的TiCl4水溶液中作浸泡處理，處理時間為0.1h lh，處理溫度為70°C ;浸泡處理完后，將導(dǎo)電基底在350°C 600°C下煅燒0.2h lh。
在優(yōu)選的實施例中，步驟四中，所述含有鎂離子的溶液為醋酸鎂溶液、亞硒酸鎂溶液、硝酸鎂溶液或硫酸鎂溶液，所述含有鎂離子的溶液中Mg2+的濃度為0.01mol/L 0.lmol/L。
在優(yōu)選的實施例中，步驟四中，將經(jīng)過煅燒的導(dǎo)電基底浸入含有鎂離子的溶液中0.5小時 10小時吸附鎂離子；步驟五中，將吸附有鎂離子的導(dǎo)電基底以20°C /min的速度升溫至350°C 600°C，之后保溫20min 30min，之后冷卻至80°C。
一種太陽能電池，包括雜化電極，其特征在于，所述雜化電極包括導(dǎo)電基底和覆蓋在所述導(dǎo)電基底上的Mg0:Ti02多孔半導(dǎo)體雜化薄膜。
上述雜化電極、其制備方法及太陽能電池，在制備好的二氧化鈦(TiO2)薄膜的基礎(chǔ)上，通過離子沉積及燒結(jié)形成MgO = TiO2多孔半導(dǎo)體雜化薄膜，由于MgO屬于一種寬禁帶半導(dǎo)體，摻雜在TiO2納米粒子中時，使得光激發(fā)到MgO的電子很容易注入到TiO2導(dǎo)帶上，同時把激發(fā)產(chǎn)生的空穴向電極/溶液界面?zhèn)鬟f，這種結(jié)構(gòu)提高了光生載流子的分離效率，因此能夠有效避免電子與電解液中的空穴復(fù)合的現(xiàn)象，有助于電池的光電流響應(yīng)，從而提高光電轉(zhuǎn)換效率。

圖1為一實施方式的雜化電極的制備方法流程圖2為一實施方式制備的太陽能電池的結(jié)構(gòu)示意圖3為實施例1及對比例I制備的太陽能電池的電流密度與電壓特性曲線圖。
具體實施方式
下面主要結(jié)合附圖及具體實施例對雜化電極及其制備方法作進一步詳細的說明。
一實施方式的雜化電極，其包括導(dǎo)電基底及覆蓋在導(dǎo)電基底上的MgO = TiO2多孔半導(dǎo)體雜化薄膜。
導(dǎo)電基底優(yōu)選為氟摻雜氧化錫玻璃(FTO)、銦摻雜氧化鋅玻璃(IZO)、鋁摻雜氧化鋅玻璃(AZO)或鎵摻雜氧化鋅玻璃(GZO)。
MgOiTiO2多孔半導(dǎo)體雜化薄膜的度為12μπι 25μπι。優(yōu)選的，MgOiTiO2多孔半導(dǎo)體雜化薄膜為多孔薄 膜。
上述雜化電極包括MgO = TiO2多孔半導(dǎo)體雜化薄膜，由于MgO屬于一種寬禁帶半導(dǎo)體，摻雜在TiO2納米粒子中時，使得光激發(fā)到MgO的電子很容易注入到TiO2導(dǎo)帶上，同時把激發(fā)產(chǎn)生的空穴向電極/溶液界面?zhèn)鬟f，這種結(jié)構(gòu)提高了光生載流子的分離效率，因此能夠有效避免電子與電解液中的空穴復(fù)合的現(xiàn)象，有助于電池的光電流響應(yīng)，從而提高光電轉(zhuǎn)換效率。
請參閱圖1，一實施方式的雜化電極的制備方法，包括如下步驟:
步驟S21、將二氧化鈦納米晶顆粒加入溶劑中形成二氧化鈦質(zhì)量濃度為15% 40 %的膠體，之后向膠體中加入表面活性劑和螯合劑，攪拌均勻后得到二氧化鈦膠體。
本實施方式中，二氧化鈦顆粒的粒徑為20nm lOOnm。溶劑選自蒸懼水、乙醇、正 丁醇或異丙醇中的至少一種。
本實施方式中，表面活性劑為OP乳化劑或聚乙二醇對異辛基苯基醚(曲拉通)。 表面活性劑在二氧化鈦膠體中的質(zhì)量濃度為1% 5%。
本實施方式中，螯合劑為乙酰丙酮。螯合劑在二氧化鈦膠體中的質(zhì)量濃度為1% 10%。
本實施方式中，向膠體中加入表面活性劑和螯合劑，通過研磨得到二氧化鈦膠體。
步驟S23、將二氧化鈦膠體涂敷在導(dǎo)電基底上。
本實施方式中，導(dǎo)電基底為氟摻雜氧化錫玻璃(FTO)、銦摻雜氧化鋅玻璃(IZO)、 鋁摻雜氧化鋅玻璃(AZO)或鎵摻雜氧化鋅玻璃(GZO)。二氧化鈦膠體通過刮涂的方式涂敷 在導(dǎo)電基底上。
本實施方式中，導(dǎo)電基底在涂敷二氧化鈦膠體之前先進行清洗及預(yù)處理。預(yù)處理 的步驟為:將導(dǎo)電基底放入摩爾濃度為lOmmol/L lOOmmol/L的TiCl4水溶液中作浸泡處 理，處理時間為0.1h lh，溫度為70°C ;浸泡處理完后，將導(dǎo)電基底在350°C 600°C下煅 燒0.2 lh，然后冷卻至室溫待用。優(yōu)選的，導(dǎo)電基底在馬弗爐中進行煅燒。
步驟S25、將涂敷有二氧化鈦膠體的導(dǎo)電基底干燥后在350°C 600°C下進行煅燒 形成二氧化鈦薄膜。
步驟S27、將經(jīng)過煅燒的導(dǎo)電基底浸入含有鎂離子的溶液中使二氧化鈦薄膜吸附 鎂離子。
本實施方式中，含有鎂離子的溶液為醋酸鎂溶液、亞硒酸鎂溶液、硝酸鎂溶液或硫 酸鎂溶液，含有鎂離子的溶液中Mg2+的濃度為0.01mol/L 0.lmol/L。
本實施方式中，將經(jīng)過煅燒的導(dǎo)電基底浸入含有鎂離子的溶液中0.5小時 10小 時。
步驟S28、將導(dǎo)電基底進行煅燒，使吸附有鎂離子的二氧化鈦薄膜轉(zhuǎn)換為MgO = TiO2 多孔半導(dǎo)體雜化薄膜，從而得到雜化電極。
本實施方式中，將導(dǎo)電基底進行煅燒包括以下步驟:將導(dǎo)電基底以20°C /min的速 度升溫至350°C 600°C，之后保溫30min，之后冷卻至80°C。
本實施方式中，MgO = TiO2多孔半導(dǎo)體雜化薄膜的度為12μπι 25μπι。
步驟S29、將雜化電極浸入染料溶液中，避光吸附染料24小時后清洗并干燥。
上述雜化電極的制備方法，在制備好的二氧化鈦(TiO2)薄膜的基礎(chǔ)上，通過溶液 沉積及燒結(jié)形成MgO = TiO2多孔半導(dǎo)體雜化薄膜，由于MgO屬于一種寬禁帶半導(dǎo)體，摻雜在 TiO2納米粒子中時，使得光激發(fā)到MgO的電子很容易注入到TiO2導(dǎo)帶上，同時把激發(fā)產(chǎn)生 的空穴向電極/溶液界面?zhèn)鬟f，這種結(jié)構(gòu)提高了光生載流子的分離效率，因此能夠有效避 免電子與電解液中的空穴復(fù)合的現(xiàn)象，有助于電池的光電流響應(yīng)，從而提高光電轉(zhuǎn)換效率。
可以理解，步驟S29可以省略，此時制備的雜化電極沒有吸附染料。
制備雜化電極后將雜化電極與鍍鉬電極重疊、密封后灌注電解質(zhì)即可組裝成為太 陽能電池。
請參閱圖2，圖2所示為制備的太陽能電池的結(jié)構(gòu)圖。太陽能電池100包括對電極10、光陽極30、密封材料70及電解質(zhì)90。對電極包括導(dǎo)電基底12及形成于導(dǎo)電基底12上 的鉬催化劑層14。導(dǎo)電基底12包括基板122及覆蓋于基板122上的導(dǎo)電薄膜124。光陽 極30包括導(dǎo)電基底32及覆蓋在導(dǎo)電基底32上的多孔半導(dǎo)體薄膜34。導(dǎo)電基底32包括 基板321及覆蓋于基板321上的導(dǎo)電薄膜323。光陽極30與對電極10間隔設(shè)置且相互平 行。多孔半導(dǎo)體薄膜34設(shè)置于導(dǎo)電薄膜323鄰近對電極10的一側(cè)。密封材料70設(shè)置于 光陽極30及對電極10的邊緣以將光陽極30及對電極10密封。電解質(zhì)90收容于由光陽 極30、對電極10及密封材料50形成的封閉空間內(nèi)。多孔半導(dǎo)體薄膜34即為MgO = TiO2多 孔半導(dǎo)體雜化薄膜。
以下為具體實施例部分:
實施例1
將納米TiO2加入到蒸餾水中，配置成TiO2的質(zhì)量濃度為25%的TiO2膠體，依 次加入曲拉通和乙酰丙酮，使曲拉通的質(zhì)量濃度為3%，乙酰丙酮的質(zhì)量濃度為6%，研磨 30mino
將導(dǎo)電基底清洗完畢，并經(jīng)過預(yù)處理后，將上述制備好的膠體，用刮涂的方法刮 涂在導(dǎo)電薄膜表面，待干燥完畢后，以20°C /min的速度升溫至450°C，然后在此溫度保溫 30min,隨后自然冷卻至80°C。
將醋酸鎂溶于蒸餾水中，使Mg2+的濃度為0.05mol/L,然后將上述制備好的TiO2多 孔薄膜浸入到500ml醋酸鎂溶液中，浸泡3h，然后取出干燥。再次以20°C /min的速度升溫 至450°C，然后在此溫度保溫30min，隨后自然冷卻至80°C，制得MgO = TiO2多孔半導(dǎo)體雜化 薄膜厚度為15 μ m。
將上述制備好的雜化電極浸入釕染料N719的溶液中，吸附染料24h后，取出用溶 劑沖洗并干燥，然后疊加鍍鉬電極，并灌注電解質(zhì)，組裝成染料敏化太陽能電池。
實施例2
將納米TiO2加入到蒸餾水中，配置成TiO2的質(zhì)量濃度為15%的TiO2膠體，依次加 入曲拉通和乙酰丙酮，使曲拉通的質(zhì)量濃度為1%，乙酰丙酮的質(zhì)量濃度為1%，按實施例1 的方法刮涂，并且高溫煅燒。
將硫酸鎂溶于蒸餾水中，使Mg2+的濃度為0.01mol/L,然后將上述制備好的TiO2多 孔薄膜浸入到500ml硫酸鎂溶液中，浸泡10h，然后取出干燥并高溫煅燒，制得MgO = TiO2多 孔半導(dǎo)體雜化薄膜厚度為12 μ m。
參照實施例1，組裝染料敏化太陽能電池。
實施例3
將納米TiO2加入到乙醇中，配置成TiO2的質(zhì)量濃度為30%的TiO2膠體，依次加入 曲拉通和乙酰丙酮，使曲拉通的質(zhì)量濃度為5%，乙酰丙酮的質(zhì)量濃度為10%，研磨30min。 將上述膠體刮涂在導(dǎo)電玻璃上，并煅燒成TiO2多孔薄膜。
將硝酸鎂溶于蒸餾水中，使Mg2+的濃度為0.lmol/L，然后將上述制備好的TiO2多 孔薄膜浸入到500ml硝酸鎂溶液中，浸泡0.5h，然后取出干燥并高溫煅燒，制得MgO: TiO2多 孔半導(dǎo)體雜化薄膜厚度為25 μ m。
參照實施例1，組裝染料敏化太陽能電池。
實施例4
將納米TiO2加入到乙醇中，配置成TiO2的質(zhì)量濃度為40 %的TiO2膠體，依次加入曲拉通和乙酰丙酮，使曲拉通的質(zhì)量濃度為3%，乙酰丙酮的質(zhì)量濃度為8%，研磨30min。 將上述膠體刮涂在導(dǎo)電玻璃表面，然后經(jīng)燒結(jié)成TiO2多孔薄膜。
將亞硒酸鎂溶于蒸餾水中，使Mg2+的濃度為0.025mol/L,然后將上述制備好的TiO2多孔薄膜浸入到500ml硝酸鎂溶液中，浸泡2h，然后取出干燥并高溫煅燒，制得 MgOiTiO2多孔半導(dǎo)體雜化薄膜厚度為20 μ m。
參照實施例1，組裝染料敏化太陽能電池。
對比例I
參照實施例1的配方制備TiO2膠體，然后經(jīng)燒結(jié)制備單一的TiO2多孔半導(dǎo)體薄膜，薄膜厚度為15 μ m,不再用鎂源化合物進行沉積處理，然后組裝成染料敏化太陽能電池。
表I
權(quán)利要求
1.一種雜化電極，其包括導(dǎo)電基底，其特征在于，所述雜化電極還包括覆蓋在所述導(dǎo)電 基底上的MgO = TiO2多孔半導(dǎo)體雜化薄膜。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的雜化電極，其特征在于，所述MgO= TiO2多孔半導(dǎo)體雜化薄膜 的厚度為12 μ m 25 μ m。
3.一種雜化電極的制備方法，其特征在于，包括如下步驟:步驟一、將二氧化鈦納米晶顆粒加入溶劑中形成二氧化鈦質(zhì)量濃度為15% 40%的 膠體，之后向所述膠體中加入表面活性劑和螯合劑，攪拌均勻后得到二氧化鈦膠體；步驟二、將所述二氧化鈦膠體涂敷在導(dǎo)電基底上；步驟三、將涂敷有二氧化鈦膠體的導(dǎo)電基底干燥后在350°C 600°C下進行煅燒形成二氧化鈦薄膜；步驟四、將經(jīng)過煅燒的導(dǎo)電基底浸入含有鎂離子的溶液中使二氧化鈦薄膜吸附鎂離子;步驟五、將導(dǎo)電基底進行煅燒，使吸附有鎂離子的二氧化鈦薄膜轉(zhuǎn)換為MgO = TiO2多孔 半導(dǎo)體雜化薄膜，從而得到雜化電極。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的雜化電極的制備方法，其特征在于，步驟一中，所述表面活性 劑為OP乳化劑或聚乙二醇對異辛基苯基醚，所述表面活性劑在所述二氧化鈦膠體中的質(zhì) 量濃度為1% 5%。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的雜化電極的制備方法，其特征在于，步驟一中，所述螯合劑為 乙酰丙酮，所述螯合劑在所述二氧化鈦膠體中的質(zhì)量濃度為1% 10%。
6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的雜化電極的制備方法，其特征在于，所述導(dǎo)電基底為銦錫氧 化物玻璃、摻氟的氧化錫玻璃、摻鋁的氧化鎂玻璃或者摻銦的氧化鎂玻璃。
7.根據(jù)權(quán)利要求3所述的雜化電極的制備方法，其特征在于，所述導(dǎo)電基底在涂 敷二氧化鈦膠體之前先進行預(yù)處理，所述預(yù)處理的步驟為:將導(dǎo)電基底放入摩爾濃度為 IOmmoI/L 100mmol/L的TiCl4水溶液中作浸泡處理，處理時間為0.1h lh，處理溫度為 700C ;浸泡處理完后，將導(dǎo)電基底在350°C 600°C下煅燒0.2h lh。
8.根據(jù)權(quán)利要求3所述的雜化電極的制備方法，其特征在于，步驟四中，所述含有鎂離 子的溶液為醋酸鎂溶液、亞硒酸鎂溶液、硝酸鎂溶液或硫酸鎂溶液，所述含有鎂離子的溶液 中 Mg2+ 的濃度為 0.01mol/L 0.lmol/L。
9.根據(jù)權(quán)利要求4所述的雜化電極的制備方法，其特征在于，步驟四中，將經(jīng)過煅燒的 導(dǎo)電基底浸入含有鎂離子的溶液中0.5小時 10小時吸附鎂離子；步驟五中，將吸附有鎂 離子的導(dǎo)電基底以20°C /min的速度升溫至350°C 600°C，之后保溫20min 60min，之后 冷卻至80°C。
10.一種太陽能電池，包括雜化電極，其特征在于，所述雜化電極包括導(dǎo)電基底和覆蓋 在所述導(dǎo)電基底上的Mg0:Ti02多孔半導(dǎo)體雜化薄膜。
全文摘要
一種雜化電極，其包括導(dǎo)電基底及覆蓋在所述導(dǎo)電基底上的MgO:TiO2多孔半導(dǎo)體雜化薄膜。上述雜化電極形成MgO:TiO2多孔半導(dǎo)體雜化薄膜，由于MgO屬于一種寬禁帶半導(dǎo)體，摻雜在TiO2納米粒子中時，使得光激發(fā)到MgO的電子很容易注入到TiO2導(dǎo)帶上，同時把激發(fā)產(chǎn)生的空穴向電極/溶液界面?zhèn)鬟f，這種結(jié)構(gòu)提高了光生載流子的分離效率，因此能夠有效避免電子與電解液中的空穴復(fù)合的現(xiàn)象，有助于電池的光電流響應(yīng)，從而提高光電轉(zhuǎn)換效率。本發(fā)明還提供上述雜化電極的制備方法及使用該雜化電極的太陽能電池。
文檔編號H01L31/0224GK103137715SQ201110374040
公開日2013年6月5日 申請日期2011年11月22日 優(yōu)先權(quán)日2011年11月22日
發(fā)明者周明杰, 王平, 馮小明, 梁祿生 申請人:海洋王照明科技股份有限公司, 深圳市海洋王照明技術(shù)有限公司