[发明专利]染料敏化太阳能电池用掺杂纳米金的电极及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种电极及其制备方法，尤其是涉及一种染料敏化太阳能电池用掺杂纳米金的电极及其制备方法。

背景技术

在环境危机及能源危机的背景下，太阳能作为一种富有前景的能源，已经在国际上得到了广泛的推广，并极有希望，取代当今大量应用的化石能源。单晶硅、多晶硅、薄膜太阳能电池等已经开始大规模生产。而由M.教授的研究小组率先研发出的染料敏化太阳能电池(Dye Sensitized Solar Cells，DSSC)，因其原料丰富且廉价，制作方式简易，而独树一帜。在染料敏化电池中，工作电极通常由二氧化钛微晶制备而成，联吡啶配合物等染料起着吸光和激发电子的功能，吸附于工作电极上，并在二氧化钛-电解液的界面上完成电子-空穴对的分离，产生电流，目前染料敏化太阳能电池的最高转换效率可带11％。

染料敏化太阳能电池由二氧化钛电极，电解液以及对电极组成，提高电池电极的光吸收效率，增强电子空穴分离的效率均能够提升染料敏化太阳能电池的光电转换性能，其中，使用双染料共同敏化太阳能电池的方法是一种有效的提升光吸收效率的方法。我们在Journal of Materials Chemistry《材料化学期刊》上发表的Au@SiO₂nanoparticles coupling co-sensitizers for synergic efficiency enhancement of dye sensitized solar cells《使用包裹二氧化硅的纳米金与染料对协同作用提升染料敏化太阳能电池的效率》一文(J.Mater.Chem.，2012，22，24734)系统得介绍了使用双染料共敏化二氧化钛电池电极的方法以及采取这些方法制备出电池的效率。然而，在二氧化钛表面吸附双层染料虽然可以提高光吸收率，但却因界面电阻增大，电子难以有效注入到二氧化钛中，故只有在合适的染料搭配下，才能够提高电池的光电转换效率，难以大规模推广应用。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种具有共振效果、大幅提升了染料电池的光吸收效率，以及光电转换效率的染料敏化太阳能电池用掺杂纳米金的电极及其制备方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

染料敏化太阳能电池用掺杂纳米金的电极包括基板、基板上附着的二氧化钛薄膜，其特征在于，所述的二氧化钛薄膜中均匀掺杂纳米金粒子，该二氧化钛薄膜为经两种不同染料先后敏化的双层结构的薄膜，下层为平板结构的二氧化钛膜层，上层为具有周期状间隙的二氧化钛膜层，使用双层染料敏化，周期性结构可与纳米金产生强烈的共振效果，大幅提升了染料电池的光吸收效率，以及光电转换效率。

所述的纳米金粒子的的直径为10～100nm，平板结构的二氧化钛膜层厚度为5～10μm，具有周期状间隙的二氧化钛膜层的厚度为3～10μm。

采用钌的配合物染料N3，N749，N719中的两种染料先后敏化太阳能电池电极双层结构的薄膜。

所述的基板为为掺杂氟的氧化锡导电玻璃基板(FTO导电玻璃)或掺铟氧化锡导电玻璃(ITO导电玻璃)。

染料敏化太阳能电池用掺杂纳米金的电极的制备方法，其特征在于，该方法采用以下步骤：

(1)制备二氧化硅包覆的纳米金颗粒溶液，具体来说，将浓度为0.01wt％的氯金酸水溶液在磁力搅拌加热下煮沸，并迅速加入浓度1wt％的柠檬酸钠水溶液反应1～20min后脱离热源制得纳米金溶液，溶液冷却后中滴加浓度为1.7-2μM的三乙氧基硅烷水溶液，剧烈搅拌40min后加入浓度为0.5-0.8wt％硅酸钠水溶液，氯金继续搅拌12分钟，并静置三天，获得二氧化硅包覆的纳米金颗粒溶液，在使用前硅酸钠水溶液的pH值需调至10～11，其中的酸水溶液、柠檬酸钠水溶液、三乙氧基硅烷水溶液、硅酸钠水溶液体积比为1000∶10～100∶20∶40；

(2)将二氧化硅包覆的纳米金颗粒及二氧化钛浆料分散于乙醇并混合均匀，再将乙醇蒸发，得到掺杂纳米金的二氧化钛浆料；

(3)将掺杂纳米金的二氧化钛浆料均匀涂覆在基板上，，膜厚通过胶带控制在5～10μm，室温下干燥后进行高温烧结得到电极基体；

(4)采用乳液聚合法，在隔绝空气的条件下，将反应单体苯乙烯与表面活性剂均匀混合，在60℃-100℃下注入引发剂进行反应，制备得到粒径为150nm～300nm的聚苯乙烯小球，其中，所述的表面活性剂为甲基丙烯酸，所述引发剂为过硫化钾；