[发明专利]染料敏化太阳能电池用氧化锌薄膜电极材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于功能材料技术领域，具体地说是涉及一种应用于染料敏化太阳能电池(DSSC)中的氧化锌(ZnO)多壳层空心球薄膜电极材料的制备方法。

背景技术

染料敏化太阳能电池是一种具有应用前景的新型太阳能电池，经过近十几年的发展，相比于当前价格昂贵的固态同质和异质结太阳能电池，染料敏化太阳能电池已具备了相当的竞争力。其主要优势是：原材料丰富、成本低、工艺技术相对简单，在大面积工业化生产中具有较大的优势，同时所有原材料和生产工艺都是无毒、无污染的，部分材料可以回收，对保护环境具有重要意义。

1991年M.教授领导的研究小组采用纳米多孔TiO₂作为染料吸附的载体(文献：Brian O′Reganand MichaelA low-cost，high-efficiency solar cell based on dye-sensitized colloidal TiO₂ films，Nature，1991，353：737-740)，他们的研究证明了染料敏化太阳能电池已经具备了与传统的固结太阳能电池竞争的实力。这一突破性的进展为人类找到了一条以廉价的成本和简单的制作工艺生产太阳能电池的新途径。

染料敏化太阳能电池是一种电化学电池，它是由光阳极，染料，以及电解液的三明治结构组成，其中光阳极是染料敏化太阳能电池的重要组成部分，常见的光阳极材料有TiO₂、ZnO等。ZnO因具有较高的电子迁移率，是目前最有希望替代TiO₂的光阳极材料。光阳极对染料的吸附能力和对入射光的利用率是影响电池光电转换效率重要的因素，而目前所制备的ZnO光阳极材料，存在比表面小和对太阳光的利用率不足的缺点，很大程度上限制了其光电转换效率的提高。

发明内容

本发明的目的在于提供一种应用于染料敏化太阳能电池的ZnO薄膜电极材料及其制备方法。

本发明的目的是通过如下技术方案实现的：

(A)碳球模板的制备

将浓度为1～2M的蔗糖水溶液在180～220℃的高压釜中水热反应130～180min，自然冷却后抽滤，并经过水和乙醇多次洗涤后，将产物放入80℃烘箱中干燥12h，所得碳球模板的粒径为2～8μm；

(B)具有最外两壳层尺寸相近结构的ZnO多壳层空心球的制备

将碳球模板均匀分散于锌盐溶液中，搅拌4～8h后抽滤，用去离子水洗涤3～5遍，放入80℃烘箱中干燥12h，将所得固体粉末置于马弗炉中，采用两阶段的升温程序对固体粉末进行煅烧，自然冷却后得到最外两壳层尺寸相近结构ZnO多壳层空心球；

(C)ZnO多壳层空心球薄膜电极材料的制备

将最外两壳层尺寸相近结构的ZnO多壳层空心球、松油醇、乙基纤维素均匀分散于无水乙醇中，超声30min后得到ZnO白色浆料，通过手术刀法将白色浆料刮涂在清洗干净的掺杂氟的氧化锡(FTO)导电玻璃上，热处理后得到ZnO多壳层空心球薄膜电极材料。

在本发明所述的ZnO薄膜电极材料的制备方法中，碳球吸附的锌盐选自Zn(NO₃)₂·6H₂O、ZnCl₂、Zn(CH₃COO₂)·2H₂O，锌盐溶液的浓度为1～6M。

在本发明所述的ZnO薄膜电极材料的制备方法中，ZnO薄膜前驱体浆料的配比为：ZnO多壳层空心球、松油醇、乙基纤维素和无水乙醇的质量比为1∶(0.8～2)∶(0.1～1)∶(5～16)。FTO导电玻璃的清洗步骤为：将导电玻璃放在加有洗涤剂的烧杯中超声1h，然后依次用自来水、丙酮、无水乙醇冲洗后，再放入氢氧化钠的乙醇饱和溶液中超声10分钟，最后分别用无水乙醇和去离子水冲洗干净并吹干。薄膜电极的热处理温度为350～500℃，热处理时间为60～180min，升温速率为0.5～5℃/min。