[发明专利]一种光敏化纳米复合材料的制备方法及其应用

说明书

一种光敏化纳米复合材料的制备方法及其应用，属于太阳能电池技术领域，本发明采用水热法合成了Au@SiO₂@CeO₂:Yb/Er纳米复合材料，将贵金属的等离子体共振效应和稀土离子的上转换发光的优良性质相结合，实现电子和电解质的完全分离，从而减小电子和溶液中还原电对的接触，可以减小暗电流，有利于提升电池的开路电压，增加电流输出和改善输出特性，尽可能使所有染料激发出的电子迅速迁移到导电层被收集到外电路，并且提高了光的利用率。合成材料结构结构新颖，粒径在100nm左右，方法简单方便，晶型较好。

技术领域

本发明属于太阳能电池技术领域，具体涉及染料敏化太阳能电池光阳极材料的制备方法。

背景技术

人类的生存和社会经济的发展离不开能源，新能源尤其是可以再生的绿色能源的开发与利用是涉及一个国家生死存亡的重大问题，由于大量化石燃料的应用造成的环境污染与生态破坏以及温室效应，却是有目共睹的，也引起了世界各国的高度重视，同时在新能源的开发和研究方面投入了大量的人力物力。太阳能是一种无污染并且取之不尽的能源，每年向地球辐照的能量大约是 5.4×10²⁴J，是人类每年消耗总能量的几万倍。

太阳能的变换和存储的重点研究对象之一是太阳能电池。二氧化钛等宽带隙半导体本身捕获太阳光的能力非常差，但将适当的染料吸附到半导体表面上，借助于染料对可见光的强吸收，但是染料敏化太阳能电池不能有效吸收近红外和红外光，限制了电池的光子-电子转换效率，作为电池核心组成部分的染料光敏化剂，吸收光谱的长波限一般都不超过750 nm，而太阳光谱中有55%以上分布于750 nm外的近红外区域，使得染料敏化太阳电池光阳极对全波段的太阳光能量无法全面吸收。所以想从根本上提高染料敏化太阳能电池的效率就必须拓展电池的光谱响应范围，利用贵金属有特殊的表面等离子体共振效应可以提高上转换发光材料将近红外光转换为可见光的效果。因此，研究一种具有特殊结构并且将上转换材料应用到光阳极材料对染料敏化太阳能电池有着重要的应用意义。

染料敏化太阳能电池现有技术也存在一定的缺陷：稳定性需要提高，效率需要继续提高，应用在染料敏化太阳能电池的半导体材料也有限。

发明内容

本发明目的是为了提供一种工艺简单，操作简便，能够有效地提高上转换荧光，从而提高太阳能电池光电转换效率的Au@SiO₂@CeO₂:Yb/Er纳米复合材料的制备方法。

本发明包括以下步骤：

1）将100℃的超纯水与HAuCl₄水溶液和柠檬酸三钠水溶液混合回流反应，回流反应结束后，将反应溶液冷却至室温；

2）将上述反应溶液与聚乙烯吡咯烷酮(PVP)水溶液搅拌混合，然后离心，取得固相金溶胶，将金溶胶分散在去离子水中，得金溶胶的水分散剂；

3）超声条件下，将金溶胶的水分散剂和氨水、H₂O、乙醇混合，搅拌条件下再加入TEOS，搅拌后，取得固相先后经水洗、醇洗、烘干，得到Au@SiO₂；

4）将Au@SiO₂、硝酸铈水溶液、硝酸镱水溶液、硝酸铒水溶液和六亚甲基四胺(HMT)超声混合后进行水热反应；

5）水热反应结束，将反应液离心，取固相干燥、煅烧，得到Au@SiO₂@CeO₂:Yb/Er纳米复合材料。

本发明中，柠檬酸三钠将AuCl₄^-还原成Au纳米颗粒，PVP作为保护剂，防止Au纳米颗粒聚集。SiO₂形成是TEOS的水解和缩合的过程，反应动力学简单方程为：

Si—OR + HOH → Si—OH + ROH