[发明专利]一种量子点敏化太阳能电池的TiO2光阳极及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于太阳能技术领域，具体涉及一种用于量子点敏化太阳能电池的微纳复合孔隙结构TiO₂光阳极的制备方法。

背景技术

高效率、低成本太阳能电池是解决化石能源枯竭、气候变暖等社会问题的有效途径。染料敏化太阳能电池（DSSC）由于具有较高的光电转换效率、低廉的生产成本以及简易的生产过程，近年来受到了极大的关注。DSSC的一个重要分支是量子点敏化太阳能电池（QDSSC），它的器件结构和工作原理与DSSC非常相似，主要由透明导电玻璃基底（FTO或ITO），多孔TiO₂纳米晶薄膜、量子点光敏剂、电解液和对电极几部分组成。与染料敏化剂相比，量子点具有可调的能带结构、较高的消光系数、较大的固有偶极矩和多激子再生效应（参见M.C. Beard et al, Nano Letters, 2007, 7, 2506-2512）等独特的优点，被认为是极具潜力的低成本第三代太阳电池。尽管量子点具有诸多优点，但就目前的研究而言，QDSSC的最高光电转换效率仍然落后于传统的染料敏化太阳能电池（~13%），距离其商业化应用还有很长的路。其中一个重要原因在于目前QDSSC的结构还不尽合理，目前研究中使用最多的TiO₂光阳极通常是由粒径为10~20 nm的纳米晶构成的介孔结构，这种电极对于染料分子来说可能是最优的结构，但是当用量子点代替染料作为光敏剂时，这种电极结构就会出现很多问题。首先，从尺寸上来说，染料分子的尺寸大都小于1 nm，而量子点加上表面配体的尺寸通常是大于5 nm，甚至更大（参见S. Giménez et al, Nanotechnology, 2009, 20, 295204），这就对TiO2光阳极的孔径尺寸提出了不同要求，如果光阳极的孔洞小于10 nm就会严重阻碍量子点在其中的渗透，造成量子点吸附量的减少。而DSSC中最优的光阳极结构通常是 10~20 nm 的TiO2纳米晶相连形成的介孔结构，这些小粒径的纳米晶提供了巨大的表面积，但是堆积形成的孔洞尺寸大部分都小于15 nm，与量子点的尺寸很接近，这就给量子点在电极内部的渗透带来了严重困难，不利于量子点敏化电池光电性能的提升。特别是对于胶体量子点来说，这种不利影响表现的更为明显，文献中已经证明胶体量子点可以实现对平面TiO₂电极100%的覆盖率，但是当采用介孔TiO₂电极时，量子点覆盖率急剧下降到14%（参见N. Guijarro et al, J. Phys. Chem. C, 2009, 113, 4208-4214）。此外，与染料相比，量子点具有更高的消光系数，这就意味着要实现对太阳光的完全吸收，QDSSC中TiO₂电极的表面积并不需要像DSSC中那样大，事实上，使用纳米线（参见J. Tian et al., J. Mater. Chem. A, 2013, 1, 6770-6775）、纳米管（参见Q. Zhang et al., Phys. Chem. Chem. Phys., 2012, 14: 6479-6486）、反蛋白石（参见L. J. Diguna, Appl. Phys. Lett., 2007, 91, 023116）等具有更开阔的孔洞结构和更小表面积纳米结构电极的QDSSC 也获得了可喜的结果。所以，有必要对用于QDSSC的TiO₂电极的微结构进行优化设计，使胶体量子点能充分渗入到TiO₂电极内部，从而提高量子点对TiO₂的覆盖率，改善QDSSC的光电转换性能。

发明内容

本发明所要解决的问题是针对介孔TiO₂纳米晶光阳极应用于QDSSC时容易发生孔道堵塞，造成电池转换效率偏低的问题，提供一种更适用于QDSSC的微纳复合孔隙结构TiO₂光阳极以提高电池的光电转换效率。为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

a)制备单分散聚苯乙烯（PS）微球