[發(fā)明專(zhuān)利]染料敏化電池用二氧化鈦-五氧化二鈮核殼結(jié)構(gòu)納米纖維膜的制備方法

無(wú)效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201110399846.3
• 申請(qǐng)日: 2011-12-06
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN102496479A
• 公開(kāi)（公告）日: 2012-06-13
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 杜平凡;熊杰;宋立新;席珍強(qiáng)
• 申請(qǐng)（專(zhuān)利權(quán)）人: 浙江理工大學(xué)
• 主分類(lèi)號(hào): H01G9/042
• 分類(lèi)號(hào): H01G9/042;H01G9/20;H01M14/00;H01L51/48
• 代理公司: 杭州求是專(zhuān)利事務(wù)所有限公司 33200
• 代理人: 林懷禹

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及太陽(yáng)電池制造技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種染料敏化電池用二氧化鈦-五氧化二鈮核殼結(jié)構(gòu)納米纖維膜的制備方法。

背景技術(shù)

隨著社會(huì)、經(jīng)濟(jì)的持續(xù)發(fā)展，不可再生能源如石油、煤炭等日益枯竭，人類(lèi)的生存和發(fā)展正面臨著前所未有的挑戰(zhàn)。尋找清潔、可再生能源已成為全球性問(wèn)題。據(jù)估算，地球每年從太陽(yáng)輻照獲得的能量約為人類(lèi)全年能源消耗量的10萬(wàn)倍，因此，太陽(yáng)能的開(kāi)發(fā)利用是新能源領(lǐng)域的重大課題。基于半導(dǎo)體硅pn結(jié)原理的太陽(yáng)電池是目前技術(shù)最為成熟的光電轉(zhuǎn)換器件，近年來(lái)，硅太陽(yáng)電池規(guī)模化應(yīng)用的步伐正逐步加快。然而，高成本依然是光伏發(fā)電一個(gè)無(wú)法回避的現(xiàn)實(shí)。為此，全球范圍內(nèi)開(kāi)發(fā)新型光伏器件的努力始終沒(méi)有停止。

上世紀(jì)末，隨著納米技術(shù)的興起，一類(lèi)新型的太陽(yáng)電池即染料敏化太陽(yáng)電池（DSSC）應(yīng)運(yùn)而生。1991年，Gr?tzel首次報(bào)道了以釕配合物染料為敏化劑的半導(dǎo)體納米晶薄膜太陽(yáng)電池，其光電轉(zhuǎn)換效率高于7%，引起科學(xué)界廣泛關(guān)注，被視為第三代太陽(yáng)電池。經(jīng)研究努力，小尺寸DSSC的最高轉(zhuǎn)換效率已達(dá)11%，與非晶硅薄膜電池的水平相當(dāng)，而成本不到硅電池的1/5。憑借明顯的成本優(yōu)勢(shì)和簡(jiǎn)便的制作工藝，DSSC或?qū)⒃谖磥?lái)光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展中成為硅電池的有力競(jìng)爭(zhēng)者，應(yīng)用潛力巨大。

DSSC由納米結(jié)構(gòu)薄膜光陽(yáng)極、FTO導(dǎo)電玻璃基體、敏化染料、電解質(zhì)及鍍鉑對(duì)電極組成。其工作原理如下：敏化染料吸收光能，電子由基態(tài)躍遷到激發(fā)態(tài)；FTO上的陽(yáng)極膜作為電子受體接受激發(fā)態(tài)電子，同時(shí)，染料分子失去電子而呈氧化態(tài)；I^-/I₃^-?電解質(zhì)中的I^-?作為電子供體向氧化態(tài)染料分子提供電子而將其還原再生，I₃^-?擴(kuò)散到對(duì)電極得到電子被還原，從而完成光電化學(xué)反應(yīng)循環(huán)。

其中，光陽(yáng)極膜是DSSC的核心部分和重點(diǎn)研究對(duì)象，其作用是對(duì)染料分子激發(fā)的電子進(jìn)行接收和傳輸。常規(guī)的光陽(yáng)極膜通常以二氧化鈦（TiO₂）納米晶為原料。近20年，大量研究者對(duì)納米晶光陽(yáng)極膜進(jìn)行了持續(xù)深入的研究，逐漸形成了相對(duì)成熟的實(shí)驗(yàn)制備工藝。但這種光陽(yáng)極膜也存在著一些固有缺陷，原因是納米晶粒間有著大量的晶界，比表面積巨大，表面懸掛鍵起著俘獲光生電子的陷阱作用，它們會(huì)使電子的壽命和擴(kuò)散距離減小，復(fù)合幾率增加，制約著電池效率的提高。因此，對(duì)納米晶光陽(yáng)極膜進(jìn)行物理化學(xué)修飾來(lái)鈍化這種表面效應(yīng)是提高DSSC性能的重要途徑，主要包括摻雜、TiCl₄處理、表面包覆等方法。

上述三種手段中，前兩者相對(duì)容易。不過(guò)，摻雜對(duì)電池效率的提高比較有限。TiCl₄處理的效果雖受到肯定，但技術(shù)趨于成熟。而包覆法在機(jī)理和技術(shù)上都較復(fù)雜，但對(duì)性能的提高更具潛力，且包覆物的選擇具有多樣性，因而吸引了更多的研究。由于納米晶薄膜表面態(tài)密度高，導(dǎo)致TiO₂導(dǎo)帶電子與氧化態(tài)染料或電解質(zhì)中電子受體的復(fù)合嚴(yán)重。而電荷復(fù)合正是制約DSSC效率提高的主要因素。為此，一些研究嘗試在納米晶表面包覆具有較高導(dǎo)帶位置的金屬氧化物薄層形成核-殼（Core-shell）結(jié)構(gòu)來(lái)減小復(fù)合。即以TiO₂為核，以其它氧化物（ZnO、Nb₂O₅、Al₂O₃、MgO等）為殼的結(jié)構(gòu)。研究認(rèn)為，包覆處理后會(huì)在殼層形成能量勢(shì)壘抑制TiO₂導(dǎo)帶電子與染料及電解質(zhì)的復(fù)合，或是在核殼界面處形成偶極層來(lái)提高電子的注入效率。上述包覆物中，Nb₂O₅是效果較好的一種。如A.?Zaban等用浸沒(méi)法對(duì)TiO₂納米晶做Nb₂O₅包覆處理，A.F.?Nogueira等用凝膠-溶膠法進(jìn)行相同包覆，DSSC的效率均得到明顯提高。

與此同時(shí)，新型納米結(jié)構(gòu)也是DSSC光陽(yáng)極膜研究的重要方向。如果以納米線(xiàn)、納米棒、納米管等一維納米結(jié)構(gòu)代替納米晶，由于它們的晶界較少，可有效減少其中的表面態(tài)對(duì)光生電子的俘獲，抑制電荷復(fù)合與此同時(shí)，新型納米結(jié)構(gòu)也是DSSC光陽(yáng)極膜研究的重要方向。如果以納米線(xiàn)、納米棒、納米管等一維納米結(jié)構(gòu)代替納米晶，由于它們的晶界較少，可有效減少其中的表面態(tài)陷阱對(duì)光生電子的俘獲，抑制電荷復(fù)合，加快電子的收集、傳輸速率，進(jìn)而提高電池的性能。