[发明专利]NaYF4:Ln3+/C/TiO2复合光阳极及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种复合光阳极及其制备方法。

背景技术

染料敏化太阳能电池（Dye-sensitized Solar Cells，简称为DSSCs）以其低廉的成本、简单的工艺和易于重复等优点，受到国内外的广泛关注。染料敏化的半导体光阳极是DSSCs的关键部分，在很大程度上决定了DSSCs的光电转化效率。目前通常使用的染料为联吡啶钌系列化合物，它们的吸收范围主要在400-600nm之间，对于长波可见光和占太阳光全部能量43%的红外光吸收较弱，这在一定程度上限制了DSSCs光电转换效率的进一步提高。通过拓宽染料的光谱响应范围、优化半导体表面结构和组成、加强染料与半导体之间的结合能明显增强光的吸收，降低电荷复合，加快电子的注入与传输。半导体光阳极作为染料吸附的载体和光生电子传输的通道，一直以来是DSSCs领域研究的焦点。

现有研究表明通过窄禁带半导体复合、贵金属沉积以及金属离子掺杂等手段对TiO₂光阳极进行修饰改性，可以改变非平衡载流子的产生机制，使产生的电子和空穴有效分离，拓宽对太阳光的吸收频带，从而提高DSSCs的光电转化效率。特别是稀土离子的上转换发光特性为DSSCs光响应频带向长波方向大幅度地拓宽提供了可能。林建明等人在2009年《无机化学学报》的第25卷记载了将TiO₂:Er³⁺上转换发光层组装在DSSCs中，使电池不能吸收利用的红外光转化为可以充分吸收的可见光，提高了太阳能的利用率。吴季怀等人在2010年《科学通报》第55卷记载了将TiO₂:Er³⁺/Yb³⁺上转换发光粉应用于DSSCs中，提高了光电转化效率。但是，由于稀土离子有较大的离子半径，难以进入TiO₂晶格，主要存在于TiO₂表面，导致表面的稀土离子掺杂浓度过高，引起荧光浓度猝灭效应。表面态也可能成为荧光的猝灭中心，降低了稀土离子的发光强度。此外，TiO₂的声子能量较高，稀土离子的无辐射跃迁损失很大，大大降低了上转换效率，不能充分发挥稀土离子上转换的优势。

因此，如何合理设计出更有利于光吸收、电子注入和传输的、具有高效上转换发光功能的TiO₂基复合电极光阳极是我们亟待解决的问题。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有复合光阳极组装成染料敏化太阳能电池的光电转换效率低的问题，而提供NaYF₄:Ln³⁺/C/TiO₂复合光阳极及其制备方法。

本发明NaYF₄:Ln³⁺/C/TiO₂复合光阳极由稀土NaYF₄:Ln³⁺纳米晶、C量子点、TiO₂和FTO导电玻璃制成；所述的稀土NaYF₄:Ln³⁺纳米晶、C和TiO₂的质量比为1：1：（10～1000）；所述的FTO导电玻璃为掺F的导电玻璃，所述的稀土NaYF₄:Ln³⁺纳米晶由稀土硝酸盐溶液、表面活性剂和氟源溶液制备，其中稀土硝酸盐溶液中的溶质为硝酸钇、硝酸铒和硝酸镱的混合。

本发明NaYF₄:Ln³⁺/C/TiO₂复合光阳极的制备方法按下列步骤实现：

一、在温度为40～90℃、搅拌速度为100～350r/min的条件下，按摩尔比为1:（0.1～10）：（0.1～5）将稀土硝酸盐溶液、表面活性剂和氟源溶液混合并继续搅拌20min～24h，然后加入到溶剂中，在110～220℃的温度下溶剂热处理2～48h，获得物质A；

二、将步骤一获得的物质A用蒸馏水洗涤至流出的溶液pH值为7，然后在60～80℃的温度下真空干燥3～24h，得到NaYF₄:Ln³⁺纳米晶；

三、按质量比1：1：2将NaYF₄:Ln³⁺纳米晶、C量子点和PVP混合均匀，得到混合材料B；

四、按质量比1：（10～1000）将混合材料B与钛酸四丁酯混合，然后通过静电纺丝获得前驱体材料C；