一种提高染料敏化太阳能电池光电转换效率的方法.pdf

1、(10)申请公布号 CN 102623190 A (43)申请公布日 2012.08.01 C N 1 0 2 6 2 3 1 9 0 A *CN102623190A* (21)申请号 201210114219.5 (22)申请日 2012.04.18 H01G 9/042(2006.01) H01G 9/20(2006.01) (71)申请人武汉大学 地址 430072 湖北省武汉市武昌区珞珈山武 汉大学 (72)发明人赵兴中 梁亮亮 刘钰旻 (74)专利代理机构武汉科皓知识产权代理事务 所(特殊普通合伙) 42222 代理人张火春 (54) 发明名称 一种提高染料敏化太阳能电池光电转换效率

2、 的方法 (57) 摘要 本发明公开了一种提高染料敏化太阳能电池 光电转换效率的方法，该方法以含+2或+3价金属 元素的无机盐为P型掺杂源对二氧化钛纳米多孔 薄膜光阳极进行掺杂，可以提高二氧化钛多孔薄 膜中载流子浓度和电导率，将经过微量P型掺杂 的二氧化钛多孔薄膜用于染料敏化太阳能电池的 光阳极，可有效提高染料敏化太阳能电池的短路 电流，进而提高染料敏化太阳能电池的光电转化 效率。 (51)Int.Cl. 权利要求书1页 说明书5页 附图1页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书 1 页 说明书 5 页 附图 1 页 1/1页 2 1.一种提高染料敏化太阳能电

3、池光电转换效率的方法，其特征在于： 以含+2或+3价金属元素的无机盐为P型掺杂源对二氧化钛纳米多孔薄膜光阳极进行 掺杂。 2.根据权利要求1所述的提高染料敏化太阳能电池光电转换效率的方法，其特征在 于：所述的以含+2或+3价金属元素的无机盐为P型掺杂源对二氧化钛纳米多孔薄膜光阳 极进行掺杂步骤进一步为：以含+2或+3价金属元素的无机盐为P型掺杂源，采用水热法制 备P型掺杂二氧化钛浆料，并用涂膜法制备P型掺杂二氧化钛纳米多孔薄膜光阳极。 3.根据权利要求1或2所述的提高染料敏化太阳能电池光电转换效率的方法，其特征 在于：所述掺杂源的加入量为：掺杂源中金属元素的原子数为钛源中钛元素的百万分之十 至

4、百万分之九十。 4.根据权利要求1或2所述的提高染料敏化太阳能电池光电转换效率的方法，其特征 在于：所述的含+2或+3价金属元素的无机盐为硝酸盐。 5.根据权利要求4所述的提高染料敏化太阳能电池光电转换效率的方法，其特征在 于：所述的硝酸盐为硝酸钇或硝酸镁。 权 利 要 求 书CN 102623190 A 1/5页 3 一种提高染料敏化太阳能电池光电转换效率的方法 技术领域 0001 本发明属于染料敏化太阳能电池光阳极研究领域，涉及一种提高染料敏化太阳能 电池光电转换效率的方法。 背景技术 0002 染料敏化太阳能电池主要是模仿光合作用原理，研制出来的一种新型太阳能电 池，其主要优势是：原材料

5、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，同时所用原材料和生产工艺过程都是无毒、无污染的，并且部分原材料可以得到 充分的回收，对保护人类环境具有重要的意义。染料敏化太阳能电池的光电转换效率主要 取决于电池的短路电流、开路电压和填充因子。目前已经报道在实验室中得到的染料敏化 太阳能电池最高光电转换效率约为12.3，距离产业化应用还有较大差距。 0003 为了提高染料敏化太阳能电池的光电转换效率，在电池的光阳极方面，主要采用 纳米管、纳米棒、核壳结构等多种新型结构的材料作为电池的光阳极，从而提高光生电子的 传输、减小光生电子的复合、提高染料吸附率。也有通过用作电池光阳极

6、的TiO 2 进行掺杂 来调整TiO 2 价带或导带的位置，从而调整TiO 2 对可见光的吸收区域和改变TiO 2 费米能级， 既而实现对电池开路电压等方面的调整。目前对用作电池光阳极的TiO 2 的掺杂研究中，一 般按原子比在0.110范围内加入金属或非金属元素，通过微量掺杂来调整TiO 2 载流 子数目和光阳极电导率方面的研究几乎还没有人进行探索。 发明内容 0004 本发明的目的是提供一种提高染料敏化太阳能电池光电转换效率的方法，该方法 通过对染料敏化太阳能电池的二氧化钛阳极进行P型微量掺杂，以增加二氧化钛的载流子 浓度和电导率，从而显著提高染料敏化太阳能电池的短路电流和光电转化效率。

7、0005 为达到上述目的，本发明采用如下的技术方案： 0006 一种提高染料敏化太阳能电池光电转换效率的方法，该方法是以含+2或+3价金 属元素的无机盐为P型掺杂源对二氧化钛纳米多孔薄膜光阳极进行掺杂。具体方法为：以 含+2或+3价金属元素的无机盐为P型掺杂源，采用水热法制备P型掺杂二氧化钛浆料，并 用涂膜法制备P型掺杂二氧化钛纳米多孔薄膜光阳极。 0007 上述掺杂源的加入量为：掺杂源中金属元素的原子数为钛源中钛元素的百万分之 十至百万分之九十。采用水热法制备P型掺杂二氧化钛浆料中的钛源为异丙醇态。 0008 上述含+2或+3价金属元素的无机盐为硝酸盐，所述的硝酸盐为硝酸钇或硝酸镁。 000

8、9 染料敏化太阳能电池的光阳极由透明FTO导电玻璃和二氧化钛多孔薄膜两部分 组成，采用本发明方法对其中的二氧化钛多孔薄膜电极进行微量P型掺杂，以提高二氧化 钛多孔薄膜中载流子浓度和电导率，将经过微量P型掺杂的二氧化钛多孔薄膜用于染料敏 化太阳能电池的光阳极，可有效提高染料敏化太阳能电池的短路电流，进而提高染料敏化 太阳能电池的光电转化效率。 说 明 书CN 102623190 A 2/5页 4 0010 与现有技术相比，本发明具有以下优点和有益效果： 0011 1、本发明方法可有效提高染料敏化太阳能电池的短路电流以及光电转化效率； 0012 2、本发明方法采用极微量的P型掺杂源即可实现显著提高

9、染料敏化太阳能电池 的短路电流以及光电转化效率，极大的节约了成本； 0013 3、本发明方法成本低廉，工艺简单，重复性好。 附图说明 0014 图1为Y 3+ 掺杂的染料敏化太阳能电池的I-V曲线图； 0015 图2为Mg 2+ 掺杂的染料敏化太阳能电池的I-V曲线图。 具体实施方式 0016 下面将结合实施例进一步说明本发明。 0017 实例1 0018 1)取10ml异丙醇钛和2.1g冰醋酸混合，超声2min使其混合均匀；向锥形瓶中加 入50mL去离子水，将异丙醇钛与冰醋酸的混合液倒入锥形瓶中，室温下搅拌进行水解和缩 聚反应，1小时后向锥形瓶中加入0.68mL浓硝酸，升温至80摄氏度，进行

10、解胶反应。 0019 2)解胶3小时后，将溶胶进行抽滤操作，然后将滤液定容至63ml，倒入水热釜中， 升温至220进行水热反应12小时。 0020 3)向水热反应产物中滴加0.4ml浓硝酸，室温搅拌15分钟，放入超声仪中，设定功 率为300W，超声30分钟后，旋转蒸馏至溶液体积为20ml，然后添加0.56g造孔剂聚乙二醇 和0.5ml曲拉通X-100，室温搅拌12小时，得到水热浆料。 0021 4)将水热浆料用玻璃棒涂到FTO导电玻璃上，于60下烘干，然后放入退火炉中， 在500下保温30分钟，得到未掺杂的二氧化钛光阳极。 0022 5)采用N719染料敏化二氧化钛光阳极，并滴加氧化还原电解质

11、于该掺杂电极上， 加盖铂对电极组装成染料敏化太阳能电池。本步骤中所采用的氧化还原电解质组成为： 0.1L/mol 1-丙基-3-甲基咪唑碘、0.05L/mol LiI，0.1L/mol硫氰酸胍(GuNCS)，0.03L/mol I 2 ，0.5L/mol 4-叔丁基吡啶，溶剂为碳酸丙烯脂与乙腈的混合溶液，其中，碳酸丙烯脂与乙 腈的体积比为11。 0023 6)测量所得染料敏化太阳能电池的光电能量转换效率： 0024 测试条件：采用美国的Oriel 91192型号的标准500W模拟太阳光氙灯作为光源， 辐照强度为80W/cm 2 ，电池受光照面积为0.25cm 2 0025 测量方法：采用传统电

12、化学站电池测试法测量电池I-V曲线图，并从该曲线中读 取开路电压V OC 、短路电流密度J SC ，并通过公式计算电池的光电转 换效率，该公式中，FF为电池的填充因子，V max 为电池输出功率最大时 所对应的电压，J max 为电池输出功率最大点时所对应的电流密度，V max 和J max 均可从电池的 I-V曲线图中读取，P in 表示入射强度。 0026 测量结果：开路电压V OC 为0.698V，短路电流密度J SC 为8.462mA/cm 2 ，光电转化效 说 明 书CN 102623190 A 3/5页 5 率为5.176。 0027 实例2 0028 1)取10ml异丙醇钛和2.

13、1g冰醋酸混合，超声2min使其混合均匀。按钇原子 数为钛原子数的百万分之十，向锥形瓶中加入硝酸钇水溶液，所用的硝酸钇水溶液浓度为 3.27510 -4 mol/L，再加入去离子水将体积调整到50mL。将异丙醇钛与冰醋酸的混合液倒 入锥形瓶中，室温下搅拌进行水解和缩聚反应，1小时后向锥形瓶中加入0.68mL浓硝酸，升 温至80摄氏度，进行解胶反应。 0029 2)5)同实施例1的步骤2)5)。 0030 6)测量所得染料敏化太阳能电池的光电能量转换效率： 0031 测量试条件和测量方法同实施例1。 0032 测量结果：开路电压V OC 为0.733V，短路电流密度J SC 为8.772mA/c

14、m 2 ，光电转化效 率为5.553。 0033 实例3 0034 1)取10ml异丙醇钛和2.1g冰醋酸混合，超声2min使其混合均匀。按钇原子数 为钛原子数的百万分之三十，向锥形瓶中加入硝酸钇水溶液，所用的硝酸钇水溶液浓度为 3.27510 -4 mol/L，再加入去离子水将体积调整到50mL。将异丙醇钛与冰醋酸的混合液倒 入锥形瓶中，室温下搅拌进行水解和缩聚反应，1小时后向锥形瓶中加入0.68mL浓硝酸，升 温至80摄氏度，进行解胶反应。 0035 2)5)同实施例1的步骤2)5)。 0036 6)测量所得染料敏化太阳能电池的光电能量转换效率： 0037 测量试条件和测量方法同实施例1。

15、 0038 测量结果：开路电压V OC 为0.719V，短路电流密度J SC 为8.928mA/cm 2 ，光电转化效 率为5.648。 0039 实例4 0040 1)取10ml异丙醇钛和2.1g冰醋酸混合，超声2min使其混合均匀。按钇原子数 为钛原子数的百万分之六十，向锥形瓶中加入硝酸钇水溶液，所用的硝酸钇水溶液浓度为 3.27510 -4 mol/L，再加入去离子水将体积调整到50mL。将异丙醇钛与冰醋酸的混合液倒 入锥形瓶中，室温下搅拌进行水解和缩聚反应，1小时后向锥形瓶中加入0.68mL浓硝酸，升 温至80摄氏度，进行解胶反应。 0041 2)5)同实施例1的步骤2)5)。 004

16、2 6)测量所得染料敏化太阳能电池的光电能量转换效率： 0043 测量试条件和测量方法同实施例1。 0044 测量结果：开路电压V OC 为0.716V，短路电流密度J SC 为10.662mA/cm 2 ，光电转化效 率为6.785。 0045 实例5 0046 1)取10ml异丙醇钛和2.1g冰醋酸混合，超声2min使其混合均匀。按钇原子数 为钛原子数的百万分之九十，向锥形瓶中加入硝酸钇水溶液，所用的硝酸钇水溶液浓度为 3.27510 -4 mol/L，再加入去离子水将体积调整到50mL。将异丙醇钛与冰醋酸的混合液倒 入锥形瓶中，室温下搅拌进行水解和缩聚反应，1小时后向锥形瓶中加入0.68

17、mL浓硝酸，升 说 明 书CN 102623190 A 4/5页 6 温至80摄氏度，进行解胶反应。 0047 2)5)同实施例1的步骤2)5)。 0048 6)测量所得染料敏化太阳能电池的光电能量转换效率： 0049 测量试条件和测量方法同实施例1。 0050 测量结果：开路电压V OC 为0.709V，短路电流密度J SC 为9.341mA/cm 2 ，光电转化效 率为5.786。 0051 实例6 0052 1)取10ml异丙醇钛和2.1g冰醋酸混合，超声2min使其混合均匀。按镁原子 数为钛原子数的百万分之十，向锥形瓶中加入硝酸镁水溶液，所用的硝酸镁水溶液浓度为 3.27510 -4

18、mol/L，再加入去离子水将体积调整到50mL。将异丙醇钛与冰醋酸的混合液倒 入锥形瓶中，室温下搅拌进行水解和缩聚反应，1小时后向锥形瓶中加入0.68mL浓硝酸，升 温至80摄氏度，进行解胶反应。 0053 2)5)同实施例1的步骤2)5)。 0054 6)测量所得染料敏化太阳能电池的光电能量转换效率： 0055 测量试条件和测量方法同实施例1。 0056 测量结果：开路电压V OC 为0.704V，短路电流密度J SC 为9.152mA/cm 2 ，光电转化效 率为5.679。 0057 实例7 0058 1)取10ml异丙醇钛和2.1g冰醋酸混合，超声2min使其混合均匀。按镁原子数 为钛

19、原子数的百万分之二十，向锥形瓶中加入硝酸镁水溶液，所用的硝酸镁水溶液浓度为 3.27510 -4 mol/L，再加入去离子水将体积调整到50mL。将异丙醇钛与冰醋酸的混合液倒 入锥形瓶中，室温下搅拌进行水解和缩聚反应，1小时后向锥形瓶中加入0.68mL浓硝酸，升 温至80摄氏度，进行解胶反应。 0059 2)5)同实施例1的步骤2)5)。 0060 6)测量所得染料敏化太阳能电池的光电能量转换效率： 0061 测量试条件和测量方法同实施例1。 0062 测量结果：开路电压V OC 为0.691V，短路电流密度J SC 为10.057mA/cm 2 ，光电转化效 率为6.165。 0063 实例

20、8 0064 1)取10ml异丙醇钛和2.1g冰醋酸混合，超声2min使其混合均匀。按镁原子数 为钛原子数的百万分之三十，向锥形瓶中加入硝酸镁水溶液，所用的硝酸镁水溶液浓度为 3.27510 -4 mol/L，再加入去离子水将体积调整到50mL。将异丙醇钛与冰醋酸的混合液倒 入锥形瓶中，室温下搅拌进行水解和缩聚反应，1小时后向锥形瓶中加入0.68mL浓硝酸，升 温至80摄氏度，进行解胶反应。 0065 2)5)同实施例1的步骤2)5)。 0066 6)测量所得染料敏化太阳能电池的光电能量转换效率： 0067 测量试条件和测量方法同实施例1。 0068 测量结果：开路电压V OC 为0.690V

21、，短路电流密度J SC 为9.003mA/cm 2 ，光电转化效 率为5.499。 说 明 书CN 102623190 A 5/5页 7 0069 实例9 0070 1)取10ml异丙醇钛和2.1冰醋酸混合，超声2min使其混合均匀。按镁原子数 为钛原子数的百万分之五十，向锥形瓶中加入硝酸镁水溶液，所用的硝酸镁水溶液浓度为 3.27510 -4 mol/L，再加入去离子水将体积调整到50mL。将异丙醇钛与冰醋酸的混合液倒 入锥形瓶中，室温下搅拌进行水解和缩聚反应，1小时后向锥形瓶中加入0.68mL浓硝酸，升 温至80摄氏度，进行解胶反应。 0071 2)5)同实施例1的步骤2)5)。 0072 6)测量所得染料敏化太阳能电池的光电能量转换效率： 0073 测量试条件和测量方法同实施例1。 0074 测量结果：开路电压V OC 为0.685V，短路电流密度J SC 为8.762mA/cm 2 ，光电转化效 率为5.383。 0075 表1为实施例19的测量结果，从表中可以明显的看出，采用本发明方法是可以 明显提高染料敏化太阳能电池的光电转化效率。 0076 表1 0077 说 明 书CN 102623190 A 1/1页 8 图1 图2 说 明 书 附 图CN 102623190 A