專利名稱：一種通過電化學解吸附方法制備可排列多染料吸附層共敏化薄膜的方法
技術領域：
本發明屬于電化學和納米材料的交叉領域，尤其涉及ー種通過電化學解吸附方法制備可排列多染料吸附層共敏化薄膜的方法。
背景技術：
1991年教授研制出的新型光伏器件一染料敏化太陽電池為人類利
用太陽能發電開辟了一個新領域。獨特的結構設計和不尋常的光電轉換模式使染料敏化太陽電池引起了廣泛關注。染料敏化太陽電池是ー種多相光電化學體系，主要由導電玻璃、納米多孔半導體薄膜、染料、電解質和鉬對電極組成“夾心”結構。這幾個部件中，厚度只 有10 Pm左右表面吸附染料的半導體薄膜(敏化薄膜)是電池實現光電能量轉化的核心部件。光電子的產生、傳輸以及復合等重要光電能量轉化過程都發生于此，這幾個過程的動カ學快慢決定著電池光電轉化效率的高低。如何獲得高性能的敏化薄膜一直是染料敏化太陽電池領域中的重點和難點問題。吸收光譜是影響染料敏化太陽電池性能的ー個重要因素，半導體薄膜只吸收太陽光譜中的紫外部分，所以吸附半導體薄膜表面的染料性能決定了敏化薄膜的吸收范圍和強度。由于ー種染料只能吸收特定波長范圍內的光，目前還沒有ー種染料可以較強的吸收從可見光區直至紅外光區范圍的光。例如常用的N719染料在400 600 nm短波區吸收較強而在600 900 nm的長波段吸收較弱。所以600 nm波段以上的入射光大部分不能被吸收而直接透過敏化薄膜，由此造成光能的直接損失。如果增加ー種在400 600 nm短波區吸收較弱而600 900 nm的長波段吸收較強的染料，那么這兩種染料構成的共敏化薄膜將在400 900 nm波段大大提高對光的吸收利用，電池效率也將得到提升。共敏化的方法能夠充分利用現有的染料，將幾種不同種類的染料吸附在同一薄膜上實現染料吸收優勢互補，拓寬了染料敏化太陽電池吸收光譜，提高了光電轉化效率，現已成為染料敏化太陽電池領域ー個研究熱點。共敏化薄膜制備難點在于如何能為每種染料提供一個厚度可控的半導體薄膜空白層同時又不能犧牲染料的吸附量。半導體薄膜浸泡染料方式是共敏化薄膜的主要制備方法，此方法只是被動的控制染料的吸附，不僅造成了染料吸附時間、吸附量和吸附深度之間的矛盾，而且很難通過此方法制備含有2個以上染料吸附層的共敏化薄膜。共敏化制備方法制約其結構的優化。由于目前制備方法難以自由的改變染料吸附層厚度、吸附層位置、染料吸附量和染料吸附層順序，以致不能深入優化吸附層結構，導致薄膜共敏化效果不佳，限制了共敏化薄膜吸收光譜的進ー步拓寬。因此，現階段尋找制備共敏化薄膜新方法仍是此領域的首要任務。本發明制備的含2個以上染料吸附層且層厚度可調控，層位置可選擇和層之間順序可排列的寬光譜共敏化薄膜可以為染料敏化太陽電池提供ー個強壯“心臟”，使電池光電轉換效率得到進ー步提高。

發明內容
本發明提供ー種通過電化學解吸附方法制備可排列多染料吸附層共敏化薄膜的方法，g在得到含有多個染料吸附層且每個吸附層厚度可以調控，吸附層位置可以排列的共敏化薄膜。本發明制備共敏化薄膜包括如下步驟
方法為
(1)在導電玻璃基底上制備納米多孔半導體薄膜；
(2)將納米多孔半導體薄膜浸入染料a溶液中，使薄膜完全吸附染料a，納米多孔半導體薄膜浸入染料溶液的時間一般為10-20小時，溫度為25攝氏度；
(3)以吸附染料a的納米多孔半導體薄膜為工作電極，鉬片作為解吸附電極，飽和甘汞 電極作為參比電極和鉬環作為輔助電極組成四電極系統進行染料解吸附，通過控制施加負電勢的大小、位置和持續時間使得負電勢在薄膜內部只在一定距離內存在，存在電勢的區域內，染料脫附下來形成一個沒有染料吸附的空白層(染料解吸附層);
(4)將含有染料空白層的半導體薄膜浸入第二種染料b，使染料空白層吸附染料得到含有2個染料吸附層的共敏化薄膜；
(5)重復步驟(3)和(4)可得到含多染料吸附層的共敏化薄膜。所述納米多孔半導體薄膜的最佳厚度在10-15微米，電池性能最佳。所述染料有N719、N3、黑染料、Z907、Z910、Z955、K8、K19、K51、K73、HRS-I 釕吡啶類配合物，鋨吡啶類配合物，部花青、葉啉金屬類配合物、ニ氫吲哚衍生物、香豆素衍生物有機染料，每種染料単獨溶解在こ腈或こ醇中，濃度約為1.0X 10_3 -5. OX IO^4 M，構成ー種染料溶液。與現有制備共敏化薄膜技術相比，本發明優勢在于
[1]解決以往單靠染料吸附制備共敏化薄膜方法中存在的染料吸附時間、染料吸附量和染料空白層厚度之間的矛盾；
[2]通過控制電勢分布深度可以調控每個染料吸附層的厚度；
[3]通過改變電勢施加位置就可以改變染料解吸附層的位置；
[4]通過調節敏化順序就可以排列各個染料層的順序；
[5]可以制備含2個以上染料吸附層的共敏化薄膜。


圖I染料敏化薄膜解吸附系統。
具體實施例方式方式一嵌入式制備共敏化薄膜，如圖I所示，將打02漿料印刷于導電基底I上部，通過510で燒結30分鐘形成15 Pm厚度納米多孔TiO2薄膜。浸入染料a溶液中12小時后形成單種染料敏化TiO2薄膜。以吸附染料a的TiO2薄膜2作為工作電極，飽和甘汞電極3作為參比電極和鉬環4作為輔助電極構成三電極染料解吸附系統，電解液為濃度0. 3M TBAPF6和LiClO4的こ腈溶液。負電勢-I. 5 V施加于導電基底I (定義為TiO2薄膜2的前端)后，吸附在TiO2薄膜2上的染料a會從導電基底I開始解吸附。施加電勢時間10分鐘后，獲得約10 Pm染料空白層和5 Pm染料a的吸附層。之后將薄膜浸入染料b中進行二次敏化，10 um染料空白層吸附染料b，獲得b/a型2層共敏化薄膜；再進行染料解吸附步驟，施加電勢時間5分鐘后，獲得約5 Pm染料空白層、5 Pm染料b的吸附層和5 Um染料a的吸附層，之后將薄膜浸入染料c中進行三次敏化，可以獲得c/b/a型3層共敏化薄膜。方式ニ疊加式制備共敏化薄膜，如圖I所示，將打02漿料印刷于導電基底I上部，通過510で燒結30分鐘形成15 Pm厚度納米多孔TiO2薄膜。浸入染料a溶液中12小時后形成單種染料敏化TiO2薄膜。以吸附染料a的TiO2薄膜2作為工作電極，飽和甘汞電極3作為參比電極、鉬環4作為輔助電極和鉬片5作為輔助解吸附電極構成四電極染料解吸附系統，電解液為濃度0.3 M TBAPF6和LiClO4的こ腈溶液。鉬片5緊密接觸TiO2薄膜2的后端。負電勢-I. 5 V施加于鉬片5后，吸附在TiO2薄膜2上的染料a會從TiO2薄膜2后端開始解吸附。施加電勢時間10分鐘后，獲得約10 Pm染料空白層和5 Pm染料a的吸附層。之后將薄膜浸入染料b中進行二次敏化，10 Pm染料空白層吸附染料b，獲得a/b型2層共敏化薄膜；再進行染料解吸附步驟，施加電勢時間5分鐘后，獲得約5 Pm染料空白層、5 Pm染料b的吸附層和5 Pm染料a的吸附層，之后將薄膜浸入染料c中進行三次敏 化，可以獲得a/b/c型3層共敏化薄膜。方式三夾心式制備共敏化薄膜，如圖I所示，將打02漿料印刷于導電基底I上部，通過510で燒結30分鐘形成15 Pm厚度納米多孔TiO2薄膜。浸入染料a溶液中12小時后形成單種染料敏化TiO2薄膜。以吸附染料a的TiO2薄膜2作為工作電極，飽和甘汞電極3作為參比電極、鉬環4作為輔助電極和鉬片5作為輔助解吸附電極構成四電極染料解吸附系統，電解液為濃度0.3 M TBAPF6和LiClO4的こ腈溶液。鉬片5緊密接觸TiO2薄膜2的后端。負電勢-I. 5 V施加于導電基底I和鉬片5后，吸附在TiO2薄膜2上的染料a會從TiO2薄膜2前端和后端開始解吸附。施加電勢時間5分鐘后，獲得兩個約5 Pm染料空白層和5 Pm染料a的吸附層。之后將薄膜浸入染料b中進行二次敏化，兩個5 y m染料空白層吸附染料b，獲得b/a/b型3層共敏化薄膜。
權利要求
1.一種通過電化學解吸附方法制備可排列多染料吸附層共敏化薄膜的方法，其特征是方法為 (1)在導電玻璃基底上制備納米多孔半導體薄膜； (2)將納米多孔半導體薄膜浸入染料a溶液中，使薄膜完全吸附染料a，納米多孔半導體薄膜浸入染料溶液的時間一般為10-20小時，溫度為25攝氏度； (3)以吸附染料a的納米多孔半導體薄膜為工作電極，鉬片作為解吸附電極，飽和甘汞電極作為參比電極和鉬環作為輔助電極組成四電極系統進行染料解吸附，通過控制施加負電勢的大小、位置和持續時間使得負電勢在薄膜內部只在一定距離內存在，存在電勢的區域內，染料脫附下來形成一個沒有染料吸附的空白層(染料解吸附層)； (4)將含有染料空白層的半導體薄膜浸入第二種染料b，使染料空白層吸附染料得到含有2個染料吸附層的共敏化薄膜； (5)重復步驟(3)和(4)可得到含多染料吸附層的共敏化薄膜。
2.根據權利I所述的通過電化學解吸附方法制備可排列多染料吸附層共敏化薄膜的方法，其特征是納米多孔半導體薄膜的最佳厚度在10-15微米，電池性能最佳。
3.根據權利I所述的通過電化學解吸附方法制備可排列多染料吸附層共敏化薄膜的方法，其特征是所述染料有町19州3、黑染料、2907、2910、2955、1(8、1(19、1(51、1(73、冊5-1釕吡啶類配合物，鋨吡啶類配合物，部花青、葉啉金屬類配合物、二氫吲哚衍生物、香豆素衍生物有機染料，每種染料單獨溶解在乙腈或乙醇中，濃度約為1.0 X 10_3 -5.0X10_4 M，構成一種染料溶液。
全文摘要
一種通過電化學解吸附方法制備可排列多染料吸附層共敏化薄膜的方法，方法為(1)在導電玻璃基底上制備納米多孔半導體薄膜；(2)將納米多孔半導體薄膜浸入染料a溶液中，使薄膜完全吸附染料a；(3)以吸附染料a的納米多孔半導體薄膜為工作電極，鉑片作為解吸附電極；(4)將含有染料空白層的半導體薄膜浸入第二種染料b，使染料空白層吸附染料得到含有2個染料吸附層的共敏化薄膜；(5)重復步驟(3)和(4)可得到含多染料吸附層的共敏化薄膜。本發明優勢在于:解決以往單靠染料吸附制備共敏化薄膜方法中存在的染料吸附時間、染料吸附量和染料空白層厚度之間的矛盾;通過控制電勢分布深度可以調控每個染料吸附層的厚度。
文檔編號H01G9/04GK102709067SQ20121016492
公開日2012年10月3日 申請日期2012年5月25日 優先權日2012年5月25日
發明者何興道, 劉偉慶, 戴松元, 肖慧榮, 高益慶 申請人:南昌航空大學