[发明专利]一种染料敏化太阳能电池光阳极的制备方法

说明书

技术领域

本发明属于纳米材料电池技术领域，涉及一种染料敏化太阳能电池光阳极的制备方法。

背景技术

太阳能以其清洁和永久性的优势日益受到研究者的重视，是极具潜力的新型能源。而制约太阳能电池应用的主要问题是太阳能电池制作成本高。染料敏化太阳能电池制备工艺简单、对环境要求不高、易于实现大规模低成本太阳能电池生产，因此染料敏化太阳能电池研究已成为当今世界光伏技术研究开发工作的重点和热点。

典型的染料敏化纳米晶太阳能电池是平板型的三明治结构，主要由光阳极（覆盖一层染料分子的半导体多孔膜）、光阴极（镀有铂膜的导电玻璃）和电解质三部分组成。其中光阳极的作用是通过吸附在半导体表面的染料分子吸收太阳光，电子从染料的最高占据轨道(HOMO)激发到最低未占轨道(LUMO)，激发态的电子迅速注入半导体导带中，经过半导体膜到达导电玻璃基体，进入外电路。因此光阳极是染料分子的支撑和吸附载体，同时也是载流子的传输和分离的载体，是染料敏化太阳能电池的最关键部分。采用一维TiO2纳米阵列作为太阳能染料敏化电池的光阳极材料，电子在垂直于导电基底的单晶阵列结构中传输具有极高的传输速率和最低损耗，能够减少电子传输时间，有利于提高电池转化效率。然而整齐的一维纳米阵列的致密度较低，染料吸附面积较小，不利于太阳光吸收，降低了太阳能电池的功率输出，因此，增加纳米阵列的致密度是目前提高染料敏化太阳能电池性能的关键。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种提高纳米棒的生长密度，提高染料吸附的表面积，提高光电转换效率的染料敏化太阳能电池光阳极的制备方法。

本发明的技术解决方案是：

一种染料敏化太阳能电池光阳极的制备方法，其具体步骤如下：

（1）制备绒面碳膜

以FTO导电玻璃作为基片，清洗后，用厚度为0.1mm～0.3mm带有圆孔状筛网的挡膜覆盖在基片表面，采用直流磁控溅射方式，以纯度≥99.99%高纯石墨为靶材，在基片覆盖挡片一侧沉积厚度为150nm～200nm的碳沉积层，其中，溅射腔的真空度为3×10^-4 ～7×10^-4 Pa，充入纯度为99.99%的氩气为反应气，沉积时的工作气压为0.5Pa～0.6 Pa，溅射功率为40 W～60W，溅射时间为40min～60min；溅射完成后，将覆盖在FTO导电玻璃上的挡膜取下，得到绒面碳膜；

（2）配制反应溶液

将盐酸用水稀释作为溶剂，向溶剂中加入钛酸四正丁酯，搅拌至混合溶液变为透明，得到反应溶液；所述反应溶液中钛酸四正丁酯的浓度为1.6%～1.8%，其中盐酸与水的质量比为1:1～1:1.2；

（3）脉冲电磁场处理

将步骤（1）制备好绒面碳膜的FTO玻璃放入反应釜中，具有绒面碳膜的一面朝向下方放置，将步骤（2）配制好的反应溶液注入反应釜中，用电脉冲发生器对反应釜中的反应体系施加电脉冲磁场处理，脉冲时间为5 min～8min，脉冲电压为700 V～900V，脉冲频率为6 Hz～9Hz；处理后将反应釜放入恒温干燥箱内进行水热反应，调节反应温度为160℃～180℃，反应时间为8h～10h，在绒面碳膜表面生长一层TiO₂纳米棒阵列，降温至室温后取出FTO导电玻璃，用去离子水冲洗3次～5次，烘干，得到染料敏化太阳能电池光阳极。

所述圆孔状筛网的挡片的圆孔间距为3μm～5μm，圆孔直径为10μm～30μm。

所述挡膜的材质为塑料或纸质。

反应溶液的注入量为反应釜容积的60%～70%。

所述FTO导电玻璃厚度为3 mm～5mm。

清洗基片时，先在丙酮中超声清洗，再在无水乙醇中超声清洗，最后用去离子水冲洗干净，烘干。

本发明的有益效果：

在磁控溅射过程中，碳原子沉积在圆孔内，由于碳原子在衬底上扩散，所得碳薄膜出现连续岛状结构；并在绒面碳膜衬底上生长TiO2纳米棒阵列，不仅能够提高纳米棒的生长密度，提高染料吸附的表面积，而且TiO2纳米棒阵列生长在凹凸不平的绒面碳膜上，增加了光的散射，提高太阳光的吸收，此外石墨是优良的导电材料，有利于电子的传输。因此可以提高染料敏化太阳能电池的光电转换效率。采用脉冲电磁场辅助水热合成方法在绒面碳膜衬底上生长TiO₂纳米棒阵列，纳米棒尺寸小，直径为70 nm～80nm，致密度高而且附着力好。

附图说明

图1是本发明的光阳极的结构示意图；