專利名稱：一種用于染料敏化太陽能電池的核殼結(jié)構(gòu)陽電極及其制備方法
技術領域：
本發(fā)明屬于染料敏化太陽能電池陽電極的研究領域，涉及在ZnO納米棒陣列膜上 射頻磁控濺射沉積TiO2層，制備TiO2修飾的ZnCVTiO2核殼結(jié)構(gòu)電極應用于染料敏化太陽 能電池。
背景技術：
ZnO的載流子遷移率比TiO2高將近10倍，用一維ZnO納米棒陣列來代替普遍采用 的TiO2納米顆粒多孔膜作為陽電極，可以為電子傳輸提供直接的途徑，有利于減小電池內(nèi) 阻，降低電荷復合并提高電池的光電轉(zhuǎn)換效率。而目前報道的ZnO基染料敏化太陽能電池 效率都很不理想，這是由于ZnO在負載染料的過程中易和染料反應，降低了染料的活性，限 制了電池效率的提高。TiO2具有化學穩(wěn)定性。用TiO2表面修飾一維ZnO陣列，有利于減少界面電荷復合， 提高電子傳輸速度和電池穩(wěn)定性。國內(nèi)外研究者嘗試采用化學法，用寬禁帶半導體修飾ZnO 納米棒，以減少界面復合，提高光電轉(zhuǎn)換效率，取得了一定的成就。但采用射頻磁控濺射制 備ZnCVTiO2核殼結(jié)構(gòu)陽電極，改善電池參數(shù)，提高電池效率的研究目前還未見報道。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種制備染料敏化太陽能電池的核殼結(jié)構(gòu)電極的制備方法， 該方法可以減小電池的暗電流，同時提高電池的短路電流，開路電壓和填充因子，是一種提 高染料敏化太陽能電池光電轉(zhuǎn)換效率的有效方法。同時，ZnCVTiO2的核殼結(jié)構(gòu)抑制了染料 對陽電極的腐蝕，提高了 ZnO基染料敏化太陽能電池的化學穩(wěn)定性。本發(fā)明采用水熱法合成ZnO納米棒陣列膜，然后采用射頻磁控濺射在ZnO納米棒 陣列膜上沉積TiO2層，制備ZnCVTiO2核殼結(jié)構(gòu)陽電極。本發(fā)明采用水熱法，以六水合硝酸鋅(或醋酸鋅或烏洛托品)和氨水(或氫氧化 鈉或碳酸氫銨)為原料制備ZnO納米棒陣列膜。本發(fā)明采用射頻磁控濺射方法在ZnO納米棒上沉積3-20納米的無定型相或銳鈦 礦相TiO2層。對本發(fā)明制得的ZnCVTiO2核殼結(jié)構(gòu)電極進行敏化，并滴加氧化還原電解質(zhì)于敏化 后的電極上，加蓋對電極組裝成染料敏化太陽能電池。所述的氧化還原電解質(zhì)為商用電解 質(zhì)DHS-E23 ；所用的染料為N719或有機染料；所用的對電極為Pt對電極。本發(fā)明的有益效果在于1.本發(fā)明提出了一種制備染料敏化太陽能電池核殼結(jié)構(gòu)陽電極的方法。射頻磁控濺射制備的ZnCVTiO2核殼結(jié)構(gòu)電極較好的解決了染料敏化太陽能電池中陽電極/染料/ 電解質(zhì)界面電荷復合的缺點，并抑制了染料對ZnO的化學腐蝕，提高了電池的穩(wěn)定性。2.射頻磁控濺射法制備的ZnCVTiO2核殼結(jié)構(gòu)電極，降低了電池的暗電流，同時改善了電池的開路電壓，短路電流和填充因子，提高了染料敏化太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率。3.射頻磁控濺射方法制備ZnCVTiO2核殼結(jié)構(gòu)電極，可以有效地控制TiO2層的結(jié)晶 度和厚度，有利于ZnO納米棒陣列膜表面電子的注入，降低電荷復合，提高光電轉(zhuǎn)換效率。 同時磁控濺射制備ZnCVTiO2核殼結(jié)構(gòu)電極的工藝簡單，成本低廉，無污染，重復性好。


圖1是由實施例1所得到ZnCVTiO2核殼結(jié)構(gòu)的掃描電子顯微圖像(SEM)。圖2是由實施例1所得到ZnCVTiO2核殼結(jié)構(gòu)的透射電子顯微圖像(TEM)。
圖3是TiO2表面修飾ZnO納米棒陣列膜前后組裝的染料敏化太陽能電池的I-V曲 線(a)表面修飾前，(b)表面修飾后(實施例2)圖4是TiO2表面修飾ZnO納米棒陣列膜前后組裝的染料敏化太陽能電池的暗電 流與電壓的變化曲線(a)表面修飾前，(b)表面修飾后(實施例2)
具體實施例方式以下結(jié)合具體的實施例對本發(fā)明的技術方案作進一步的說明，而不是限制本發(fā)明 的應用范圍。實施例1 在2微米ZnO納米棒陣列膜上，射頻磁控濺射約IOnm的無定型TiO2層， 制備ZnCVTiO2核殼結(jié)構(gòu)電極。采用水熱法，在透明導電玻璃上合成ZnO納米棒陣列膜(參見L.VayssieresAdv. Mater. 15(5)464(2003)·)。采用TiO2靶，基片不加熱，氬氣氣流量10-60SCCM，沉積壓強 0. 5-5Pa,以1-lOnm/min的濺射速度在ZnO納米棒陣列膜上射頻磁控濺射沉積IOnm無定型 相TiO2,制備成ZnCVTiO2核殼結(jié)構(gòu)電極。敏化ZnCVTiO2核殼結(jié)構(gòu)電極，滴加氧化還原電解 質(zhì)于敏化后的電極上，蓋上對電極，組裝成“三明治”型染料敏化太陽能電池(參見P. Wang， S. Μ. Zakeeruddin, J. Ε. Moser, Μ. K. Nazeeruddin, Τ. Sekiguchi and Μ. Gratzel, Natur. Mater. , 2,402 (2003) ； Μ. Law, L.E.Greene, Α. Radenovic, Τ. Kuykendal 1, J. Liphardt and P. D. Yang, J. Phys. Chem. B, 110，22652 (2006) ·)在室溫環(huán)境，采用標準太陽光模擬光源，在空氣質(zhì)量為AMI. 5G，光強為lOOmW/cm2 條件下，測得擁有IOnm無定型相TiO2層的Zn0/Ti02核殼結(jié)構(gòu)電極所組裝成的染料敏化太 陽能電池(有效光照面積0. 158cm2)的光電轉(zhuǎn)換效率為1. 16%，比未經(jīng)TiO2表面修飾的染 料敏化太陽能電池的光電效率(0. 91% )提高了 0. 25%，短路電流由3. 36mA · cm_2提高到 3. 57mA · cnT2，開路電壓由636mV提高到653mV，填充因子由0. 42提高到0. 50。 實施例2 在2微米ZnO納米棒陣列膜上，射頻磁控濺射約IOnm的銳鈦礦相TiO2 層，制備ZnCVTiO2核殼結(jié)構(gòu)電極。 采用水熱法，在透明導電玻璃上合成ZnO納米棒陣列膜(參見L. Vayssieres,Adv. Mater. 15 (5) 464 (2003).)。采用TiO2靶，基片溫度450°C，在ZnO納米棒陣列膜上射頻磁控 濺射沉積IOnm銳鈦礦相TiO2,制備成Zn0/Ti02核殼結(jié)構(gòu)電極。敏化Zn0/Ti02核殼結(jié)構(gòu)電 極，滴加氧化還原電解質(zhì)于敏化后的電極上，蓋上對電極，組裝成“三明治”型染料敏化太陽 能電池(參見 P. Wang, S. Μ. Zakeeruddin, J. Ε. Moser，Μ. K. Nazeeruddin, Τ. Sekiguchi and Μ. Gratzel,Natur. Mater. ,2,402(2003) ；Μ. Law,L. Ε. Greene,A. Radenovic,Τ. Kuykendal1,J. Liphardtand P. D. Yang, J. Phys. Chem. B, 110，22652 (2006) ·)在室溫環(huán)境，采用標準太陽光模擬光源，在空氣質(zhì)量為AMI. 5G，光強為lOOmW/cm2 條件下，測得擁有IOnm銳鈦礦相TiO2層的Zn0/Ti02核殼結(jié)構(gòu)電極所組裝成的染料敏化太 陽能電池(有效光照面積0. 158cm2)的光電轉(zhuǎn)換效率為1. 33%，比未經(jīng)TiO2表面修飾的染 料敏化太陽能電池的光電效率(0. 91% )提高了 0. 42%，短路電流由3. 36mA · cm_2提高到 3. 97mA · cnT2，開路電壓由636mV提高到668mV，填充因子由0. 42提高到0. 50。實施例3 在2微米ZnO納米棒陣列膜上，射頻磁控濺射約6nm的銳鈦礦相TiO2層， 制備ZnCVTiO2核殼結(jié)構(gòu)電極。采用水熱法，在透明導電玻璃上合成ZnO納米棒陣列膜(參見L. Vayssieres,Adv. Mater. 15 (5) 464 (2003).)。采用TiO2靶，基片溫度450°C，在ZnO納米棒陣列膜上射頻磁控 濺射沉積6nm銳鈦礦相TiO2,制備成Zn0/Ti02核殼結(jié)構(gòu)電極。敏化Zn0/Ti02核殼結(jié)構(gòu)電 極，滴加氧化還原電解質(zhì)于敏化后的電極上，蓋上對電極，組裝成“三明治”型染料敏化太陽 能電池(參見 P. Wang, S. Μ. Zakeeruddin, J. Ε. Moser，Μ. K. Nazeeruddin, Τ. Sekiguchi and Μ.Gratzel,Natur. Mater. ,2,402(2003) ；Μ.Law,L. Ε. Greene,A. Radenovic,Τ. Kuykendal1, J. Liphardtand P. D. Yang, J. Phys. Chem. B, 110，22652 (2006) ·)在室溫環(huán)境，采用標準太陽光模擬光源，在空氣質(zhì)量為AMI. 5G，光強為lOOmW/cm2 條件下，測得擁有6nm銳鈦礦相TiO2層的Zn0/Ti02核殼結(jié)構(gòu)電極所組裝成的染料敏化太 陽能電池(有效光照面積0. 158cm2)的光電轉(zhuǎn)換效率為1. 20%，比未經(jīng)TiO2表面修飾的染 料敏化太陽能電池的光電效率(0. 91% )提高了 0. 29%，短路電流由3. 36mA · cm_2提高到 3. 66mA · cnT2，開路電壓由636mV提高到691mV，填充因子由0. 42提高到0. 47。
權(quán)利要求
一種用于染料敏化太陽能電池的核殼結(jié)構(gòu)陽電極，其特征在于在ZnO納米棒陣列膜上射頻磁控濺射沉積TiO2層，制備得到的ZnO/TiO2核殼結(jié)構(gòu)陽電極。
2.—種權(quán)利要求1所述的染料敏化太陽能電池核殼結(jié)構(gòu)陽電極的制備方法，其特征在 于所述ZnO納米棒陣列膜以硝酸鋅或醋酸鋅或烏洛托品中的一種和氨水或氫氧化鈉或碳 酸氫銨的一種為原料，經(jīng)水熱法合成；采用射頻磁控濺射方法在ZnO納米棒上沉積3-20納 米的無定型相或銳鈦礦相Ti02層。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種用于染料敏化太陽能電池的核殼結(jié)構(gòu)陽電極及其制備方法。該方法其采用射頻磁控濺射在ZnO納米棒陣列膜上沉積TiO2層，制備了ZnO/TiO2核殼結(jié)構(gòu)電極。本發(fā)明解決了染料敏化太陽能電池中染料對ZnO的化學腐蝕問題，提高了ZnO基太陽能電池的穩(wěn)定性；ZnO/TiO2核殼結(jié)構(gòu)抑制了染料敏化太陽能電池中陽電極/染料/電解質(zhì)界面的電荷復合，有利于提高電池的光電轉(zhuǎn)換效率。該方法制備的陽電極可以減小電池的暗電流，同時提高電池的短路電流，開路電壓和填充因子。
文檔編號H01G9/20GK101834068SQ20091011124
公開日2010年9月15日 申請日期2009年3月13日 優(yōu)先權(quán)日2009年3月13日
發(fā)明者曹永革, 王美麗, 黃常剛 申請人:中國科學院福建物質(zhì)結(jié)構(gòu)研究所