[发明专利]锡掺杂染料敏化TiO2纳晶薄膜光电极及其制备方法与应用

说明书

技术领域

本发明涉及一种锡掺杂染料敏化太阳电池(DSSCs)TiO₂纳晶薄膜光电极及其制备方法与应用。

背景技术

在DSSCs的制备工艺中，纳米结构的半导体(TiO₂)电极的多孔表面结构(比表面、粗糙度、膜厚等)强烈地影响着电池的光电性能，因此薄膜制备工艺的优化显得尤为重要。目前国内外的研究小组都尝试通过对纳米晶多孔薄膜进行物理、化学等优化处理来提高DSSCs的光电转换性能。这其中包括用TiCl₄和酸等处理多孔薄膜电极，改善电子在纳米晶多孔薄膜中的传输性能；通过用有催化性能的过渡金属、稀土元素等对TiO₂薄膜进行掺杂，改变TiO₂薄膜中费米能级、杂质能级及深能级结构，抑制电子-空穴对的复合，改善电子的传输和转移性能，从而提高DSSCs的光电性能。

目前报道的金属掺杂技术只能从一方面来提高DSSCs的性能，如提高其短路光电流(如掺杂Nb等)，或提高其开路光电压(如掺杂Ta)。

发明内容

本发明的目的是提供一种锡掺杂染料敏化太阳电池(DSSCs)TiO₂纳晶薄膜光电极及其制备方法与应用。

本发明提供的制备光电极的方法，包括如下步骤：

1)将钛盐与含锡化合物分别溶于溶剂后混匀依次进行水解和水热反应，再将所得胶体溶液蒸干，得到掺杂锡的TiO₂胶体；

2)将步骤1)所得掺杂锡的TiO₂胶体均匀涂敷在导电玻璃上，热处理后得到掺杂锡的TiO₂薄膜电极；

3)将步骤2)所得掺杂锡的TiO₂薄膜电极干燥后，浸入染料的溶液中，取出晾干，得到所述光电极。

上述方法所述步骤1)中，钛盐选自异丙氧醇钛、钛酸四丁酯、钛酸四异丙酯、钛酸四己酯和四氯化钛中的至少一种；

所述含锡化合物选自四氯化锡、二氯化锡和叔丁氧基锡中的至少一种；

所述溶剂选自正丁醇、异丙醇、无水乙醇和水中的至少一种；

所述含锡化合物中的锡元素与钛盐中的钛元素的摩尔比为0.25-1∶100，具体为0.25∶100、0.5∶100、0.75∶100、1∶100、(0.5-1)∶100；

所述钛盐与溶剂的体积比为5-50∶100，具体为10∶100、13∶100、17∶100、25∶100、33∶100、(10-33)∶100或(13-25)∶100；

所述水解步骤中，温度为20-100℃，具体为25℃或35℃或40℃或60℃或25-60℃；时间为1-10小时，具体为1.5小时或3小时或4小时或4.5小时或1.5-4.5小时；所述水热反应步骤中，温度为150-240℃，具体为180℃或200℃，时间为4-24小时，具体为6、8、12或16小时；

所述掺杂锡的TiO₂胶体中，固含量(也即固形物在所得胶体中的质量百分含量)为5-30％，具体为13％。

所述步骤2)中，构成所述导电玻璃的材料选自FTO、ITO和钛中的至少一种；

热处理步骤中，温度为300-600℃，具体为450℃，时间为10-60分钟，具体为30分钟。

所述步骤3)染料的溶液中，染料选自N3(也即4，4′-二羧酸联吡啶钌(顺二硫氰根-双(2，2′-联吡啶-4，4′-二羧酸)合钌(II)))、酞菁和卟啉中的至少一种；

其中，N3的结构式如下所示：

溶剂选自异丙醇、正丁醇和无水乙醇中的至少一种；

溶液的浓度为2×10^-4-8×10^-4M，具体为5×10^-4M；

上述本发明提供的方法制备得到的光电极，也属于本发明的保护范围。其中，所述光电极由下至上依次由所述导电玻璃、TiO₂薄膜电极层和染料层组成。构成所述导电玻璃的材料选自FTO、ITO和钛中的至少一种；

所述TiO₂薄膜电极层的厚度为8-12μm；

所述染料层的染料吸附量为1×10^-7-5×10^-7mol cm^-2，具体为1.32×10^-7mol cm^-2；

构成所述染料的染料选自N3、酞菁和卟啉中的至少一种。