CN101266883A - 网格状电极集成的双面高效吸光的染料敏化太阳电池 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种网格状电极集成的双面高效吸光的染料敏化太阳电池由五层结构组成，第一层是封装盖板，第二层是作为光阳极的镀膜金属网，第三层是作为对电极的镀膜金属网或镀膜金属片，第四层是作为光阳极的镀膜金属网，第五层是封装盖板，第一层封装盖板和第五层封装盖板之间予以封装形成密闭空间，第二、三和四层位于该密闭空间内，密闭空间的内部充有具有氧化还原作用的电解液。本发明太阳电池可实现双面吸光及吸附更多的染料进一步增加光阳极的光吸收，同时可以高效收集电子，解决传统染料敏化太阳电池无法大面积制备的问题，此外以塑料件盖板封装成柔性太阳电池还可以应用在一些具有美学概念的工艺品或建筑上。
Description
技术领域
本发明涉及太阳能光电利用领域，具体涉及一种太阳电池。
背景技术
近年来，太阳电池技术得到迅速发展，并随着能源紧张而日益倍受重视。已发展的硅太阳电池技术成本过高，到目前为止，人们还无法用高科技的太阳电池来取代常规的化石能源。染料敏化太阳电池由于其简单的制作工艺和极其低廉的成本而成为科学研究的热点。目前染料敏化太阳电池短期内不能产业化的其中一个原因是效率还较低，在薄膜太阳电池中，还无法与发展成熟的非晶硅和CIGS等太阳电池竞争，进一步提高效率是其能否产业化的关键。
传统的染料敏化太阳电池采用以高电阻的半导体氧化物制备的导电玻璃衬底，导电玻璃的面电阻一般可达8-100Ω/cm2/密耳。导电玻璃的面电阻太大，造成收集电子困难，限制其效率提高，使这种电池很难大面积制备，一般在宽度不大于1cm时才不会明显影响其效率。同时，组件的串、并联的设计和性能也受到TCO层电阻的影响，是目前效率还较低的染料敏化太阳电池走向产业化的一个瓶颈。
同时，以平板的导电玻璃为衬底，只能在其上实现制备单层平面光阳极，造成电池吸光面积有限，而平板导电玻璃的单层平面铂电极造成对电解液的催化还原能力有限，因此，不利于提高电池的效率。传统的以导电玻璃为衬底的平面三明治式染料敏化太阳电池的结构和工作原理如图1所示，其包括三层结构：第一层是在透明导电玻璃1(TCO)上镀一层经热处理过的宽带隙多孔纳米晶氧化物薄膜(如TiO2)，在纳米晶氧化物薄膜的表面再吸附上起电荷分离作用的敏化染料2构成光阳极；第二层是充有具有氧化还原作用(如I-和I2)的电解液，第三层是镀有催化剂(如铂、镍、碳)的透明导电玻璃3构成对电极。
双面太阳电池在硅太阳电池上已经实现，且实践证明其对阳光的利用率较单面太阳电池提高30％以上。而柔性非晶硅太阳电池已应用在一些具有美学概念的工艺品或建筑上，并有较好的市场。以导电塑料为衬底制备柔性染料敏化太阳电池目前已有研究，但由于与TiO2薄膜合为一体的导电塑料无法经受光阳极在450℃的热处理温度，因此其效率非常低而无法实用。
发明内容
本发明的目的是提供一种网格状电极集成的双面高效吸光的染料敏化太阳电池，该太阳电池可实现双面吸光及吸附更多的染料进一步增加光阳极的光吸收，同时可以高效收集电子，解决传统染料敏化太阳电池无法大面积制备的问题，此外还可以应用在一些具有美学概念的工艺品或建筑上。
本发明提供的一种网格状电极集成的双面高效吸光的染料敏化太阳电池由五层结构组成，第一层是封装盖板，第二层是作为光阳极的镀膜金属网，第三层是作为对电极的镀膜金属网或镀膜金属片，第四层是作为光阳极的镀膜金属网，第五层是封装盖板，第一层封装盖板和第五层封装盖板之间予以封装形成密闭空间，第二、三和四层位于该密闭空间内，密闭空间的内部充有具有氧化还原作用的电解液；其中所述的作为光阳极的镀膜金属网是由耐电解液腐蚀的金属网或导电纤维网通过镀膜工艺镀上起电荷分离作用的宽带隙纳米晶半导体氧化物薄膜，在经过热处理后吸附敏化染料而制得；所述的作为对电极的镀膜金属网或镀膜金属片是由耐电解液腐蚀的金属网、导电纤维网或金属片通过镀膜工艺镀上起催化作用的铂、镍或碳薄膜而制得。
上述技术方案中，所述的封装盖板为柔性塑料件或超白玻璃；所述的金属网为钛、镍、金、钨、铂、钽或铌金属网；所述的镀膜工艺为提拉成膜法、丝网印刷或电镀工艺；所述的宽带隙纳米晶半导体氧化物薄膜为宽带隙纳米晶TiO2或SnO2半导体薄膜；所述的具有氧化还原作用的电解液为含I-和I2的电解液；所述的第一层封装盖板和第五层封装盖板之间采用密封胶予以封装。
本发明染料敏化太阳电池具有两面金属网作为光阳极衬底，通过在高比表面的金属网上镀宽带隙纳米晶半导体氧化物薄膜再吸附上染料作为光阳极，金属网在充当光阳极衬底的同时，也充当高效收集电子的栅指，网状光阳极间的微小空隙可以作为电解液中离子的传输通道；中间为镀膜的金属网或金属片作为催化和电子传输作用的对电极；在丝网光阳极的外面用两面透过率高的超白玻璃作为盖板可以实现双面高效吸光；在丝网光阳极的外面用塑料封装可以实现制备成柔性双面吸光太阳电池。使用时，将导电率好的导线(如铜线等)分别与本发明太阳电池的正、负电极焊接或以导电胶或导电浆料粘接后引出，接入负载，即可在光照下工作。
通过增加网状电极的目数，可以增大比表面积，从而相对于平板导电玻璃吸附上更多的染料，通过两面光阳极可以实现电池双面吸光。太阳光是一个立体光源，它不仅包括直射光，还有散射光，散射光即使在晴天时也能占总辐射量的10-30％，阴天时会有50％以上的比例，同时太阳光在一天中从东方升起，西方降落，面向东、西垂直放置的太阳电池相对于单面太阳电池可提高30％以上的吸光率，这一点已在双面硅太阳电池结构上证明。
太阳电池里的欧姆电阻分为两类：并联电阻Rsh和串联电阻Rs。并联电阻主要来源于电池边缘漏电，另外杂质和发射区扩散时产生的缺陷引起的p-n结漏电，也会使并联电阻减小。串联电阻包括电极电阻、半导体材料的体电阻、电极和半导体之间的接触电阻，且串联电阻是高阻值，是影响太阳电池内阻的主要因素。TCO导电玻璃面电阻在8-100Ω/cm2/密耳之间，本发明用导电率好的金属网代替高阻值的导电玻璃将减小太阳电池的内阻。
本发明的工作原理是：当光线照射到两面光阳极上的敏化染料后，产生光生电子-空穴对，电子和空穴通过TiO2分离，I-离子被空穴氧化为I3 -离子，电子经镀膜金属网传导后进入负载，再通过镀膜金属网或金属片对电极回到电解液中，又将电解液中的I3 -离子还原为I-离子，完成一个循环。
与传统的平面三明治式染料敏化太阳电池相比，本发明网格状电极集成的双面吸光的染料敏化太阳电池具有以下优点：
1、本发明的结构上由于导电金属网衬底与封装玻璃或塑料衬底相互独立，从而可以同时放置两个网状光阳极实现双面吸光，有效地增加了电池的实际吸光面积。
2、金属网相对于平面导电玻璃电极具有更高的比表面积，可以吸附更多的染料，从而增加光阳极的光吸收，进一步提高太阳电池的效率。
3、镀膜金属网对电极通过增大金属网目数提高比表面积可以增加催化剂(铂、镍或碳薄膜)的载量，从而加速催化反应过程，从而提高电池的效率。如采用镀铂金属片作为对电极，由于金属片具有高反射率，可以将钛金属网光阳极的间隙透过的光再反射回光阳极，达到二次利用光的目的，而传统的染料敏化太阳电池以透明导电玻璃为衬底，这一部分光将浪费掉。
4、由于金属网衬底具有非常好的柔韧性，且本发明的金属网衬底与封装盖板玻璃或塑料相互独立，可以单独进行热处理，而不受盖板材料耐温的限制，如用塑料等柔性材料封装则可制成柔性太阳电池，产品可以应用在一些具有美学概念的工艺品或建筑上。
5、平面结构太阳电池的缺点是无法跟踪太阳入射光，而一天中太阳的高度角和方位角不断地变化，使平面结构的太阳电池在接收阳光时造成“余弦”能量损失，而对双面吸光的网状光阳极丝，可以在一定程度上避免“余弦”能量损失，同时，无论太阳的直射光从任何一个方位角和高度角入射，都会被网状光阳极丝的半个侧圆柱面接收，这样不用消耗额外的能量就可以被动式地跟踪阳光的角度，避免“余弦”能量损失。
6、通过对FTO导电玻璃、ITO导电玻璃和超白玻璃的透过率进行测试，其平均透过率分别是77.0％，83.2％和90.2％，本发明的染料敏化太阳电池电极不再用导电玻璃作衬底，用超白玻璃取代一面导电玻璃将使光透过率明显提高13％左右，如果再考虑在超白玻璃上制备减反射膜，透过率将进一步提高4-5％。
7、如金属网采用钛金属可以耐各种强酸强碱(如硝酸等)，甚至王水也不能腐蚀。同时钛的储量也非常丰富，在金属中排第七，特别是我国有大量的钛资源，成本相对低，是制备网状电极衬底的最佳选择。
下面结合附图及具体实施方式对本发明作进一步的说明。
附图说明
图1为传统的平面三明治式染料敏化太阳电池的结构示意图；
图2为本发明的网格状电极集成的双面高效吸光的染料敏化太阳电池的结构示意图。
具体实施方式
如图2所示，本发明网格状电极集成的双面高效吸光的染料敏化太阳电池由五层结构组成，第一层1是封装盖板，第二层2是作为光阳极的镀膜金属网，第三层3是作为对电极的镀膜金属网或镀膜金属片，第四层4是作为光阳极的镀膜金属网，第五层5是封装盖板，第一层封装盖板和第五层封装盖板之间予以封装形成密闭空间，第二、三和四层位于该密闭空间内，密闭空间的内部充有具有氧化还原作用的电解液；其中所述的作为光阳极的镀膜金属网是由耐电解液腐蚀的金属网或导电纤维网通过镀膜工艺镀上起电荷分离作用的宽带隙纳米晶半导体氧化物薄膜，在经过热处理后吸附敏化染料而制得；所述的作为对电极的镀膜金属网或镀膜金属片是由耐电解液腐蚀的金属网、导电纤维网或金属片通过镀膜工艺镀上起催化作用的铂、镍或碳薄膜而制得。
上述技术方案中，所述的封装盖板为柔性塑料件或超白玻璃；所述的金属网为钛、镍、金、钨、铂、钽或铌金属网；所述的镀膜工艺为提拉成膜法、丝网印刷或电镀工艺；所述的宽带隙纳米晶半导体氧化物薄膜为宽带隙纳米晶TiO2或SnO2半导体薄膜；所述的具有氧化还原作用的电解液为含I-和I2的电解液；所述的第一层封装盖板和第五层封装盖板之间采用密封胶予以封装。
实施例1
以德国Degussa公司生产的商业纳米二氧化钛P25粉12克放入研钵中研磨，并逐滴加入含4ml含10％乙酰丙酮的异丙醇溶液，再逐滴加入12ml水继续研磨，并将0.2ml的曲拉通X-100加入到悬浮液中，研磨成TiO2溶胶。
用提拉法以每秒钟3mm的提拉速度将1cm2直径100μm，100目的钛金属网镀上13μm厚的氧化钛薄膜，并预留出0.3厘米左右的钛网作为导电电极，在450℃下热处理30分钟。
将镀膜后的网状光阳极放入含3×10-5mol/L的N719钌有机染料的乙醇溶液中，加温至80℃浸泡3小时，取出后用乙醇清洗，并置干燥避光环境中保存。
用提拉法将钛金属网浸入含5mmol/L H2PtCl6的异丙醇溶液中，通过立式拉膜机提拉法成膜，在380℃下热处理20min，制备成对电极。
用塑料包裹光阳极、对电极、光阳极后用环氧树脂封装，以针筒将含有0.3m/L的LiI和0.03m/L的I2的乙腈电解液注入到电池内部，再将小孔以环氧树酯胶堵住，可制备柔性双面吸光太阳电池。
铜线用导电银胶在光阳极预留的钛金属网上实现并联，在常温干燥环境下8小时固化，对电极镀铂金属网也采用同样方法处理后。
将引出的正负电极接入负载即可在光照下工作。
实施例2
将250mL的钛酸丁酯和20mL异丙醇混合均匀后放入分液漏斗中，二十分钟内滴加至PH值为1的含硝酸的1500mL去离子水中并激烈搅拌，该混合液在80℃下继续搅拌10小时，形成透明的纳米TiO2胶体溶液，然后放入高温高压反应釜中230℃下恒温反应12小时，将制得的纳米TiO2溶胶通过旋转蒸发法浓缩至浓度为60％的TiO2溶胶。
用丝网印刷法以将75μm直径，200目的钨金属网上镀10μm厚的氧化钛薄膜，并预留出0.2厘米左右的钨金属网作为导电电极，在500℃下热处理1小时。
将镀膜后的钨金属网放入含5×10-5mol/L的N719钌有机染料的乙醇溶液中，在室温下放置72小时，取出后用乙醇清洗，并置干燥避光环境中保存。
对电极采用膜厚为1μm的商业两面镀铂钛金属片，纯度为TA1。
网状光阳极、对电极、网状光阳极依次叠放后用塑料包裹后，以环氧树脂封装，并预留两个小孔，以针筒将含有0.5m/L的LiI和0.05m/L的I2的乙腈电解液注入到电池内部，再将小孔以环氧树酯胶堵住，可制备柔性双面吸光太阳电池。
用导电银胶将铜带粘接在光阳极预留裸钨金属网上将其并联，在常温干燥环境下8小时固化，对电极镀铂金属片也采用同样方法处理后。
将引出的正负电极接入负载即可在光照下工作。
实施例3
将125mL的钛酸异丙酯和20mL异丙醇混合均匀后放入分液漏斗中，十分钟内滴加至含5.3mL70％硝酸的750mL去离子水中并激烈搅拌，该混合液在80℃下继续搅拌8小时，形成透明的纳米TiO2胶体溶液，然后放入高温高压反应釜中200℃下恒温反应12小时，将制得的纳米TiO2溶胶通过旋转蒸发法浓缩至浓度为45％的TiO2溶胶。
用丝网印刷法以将150μm直径，60目的镍网镀上18μm厚的氧化钛薄膜，并预留出0.3厘米左右的镍网作为导电电极，在500℃下热处理1小时。
将镀膜后的镍网为衬底的光阳极放入含5×10-5mol/L的N719钌有机染料的乙醇溶液中，在室温下放置72小时，取出后用乙醇清洗，并置干燥避光环境中保存。
镀减反射膜的超白玻璃光透过率为95％，一面光阳极、一面对电极、一面光阳极依次叠放后用超白玻璃作为盖板，用沙林膜和环氧树脂封装，并预留两个小孔，以针筒将含有0.5m/L的LiI和0.05m/L的I2的乙腈电解液注入到电池内部，再将小孔以环氧树酯胶堵住，可制备双面高效吸光太阳电池。
对电极采用膜厚为1.5μm的商业镀铂钛金属网，纯度为TA1。
用铜带焊接在光阳极预留裸镍网上，在80℃真空干燥箱中保温1小时固化，对电极镀铂金属片也采用同样方法处理后引出电极。
将引出的正负电极接入负载即可在光照下工作。
Claims (7)
1.一种网格状电极集成的双面高效吸光的染料敏化太阳电池，其特征在于由五层结构组成，第一层(1)是封装盖板，第二层(2)是作为光阳极的镀膜金属网，第三层(3)是作为对电极的镀膜金属网或镀膜金属片，第四层(4)是作为光阳极的镀膜金属网，第五层(5)是封装盖板，第一层封装盖板和第五层封装盖板之间予以封装形成密闭空间，第二、三和四层位于该密闭空间内，密闭空间的内部充有具有氧化还原作用的电解液；其中所述的作为光阳极的镀膜金属网是由耐电解液腐蚀的金属网或导电纤维网通过镀膜工艺镀上起电荷分离作用的宽带隙纳米晶半导体氧化物薄膜，在经过热处理后吸附敏化染料而制得；所述的作为对电极的镀膜金属网或镀膜金属片是由耐电解液腐蚀的金属网、导电纤维网或金属片通过镀膜工艺镀上起催化作用的铂、镍或碳薄膜而制得。
2.根据权利要求1所述的染料敏化太阳电池，其特征在于所述的封装盖板为柔性塑料件或超白玻璃。
3.根据权利要求1所述的染料敏化太阳电池，其特征在于所述的金属网为钛、镍、金、钨、铂、钽或铌金属网。
4.根据权利要求1所述的染料敏化太阳电池，其特征在于所述的镀膜工艺为提拉成膜法、丝网印刷或电镀工艺。
5.根据权利要求1所述的染料敏化太阳电池，其特征在于所述的宽带隙纳米晶半导体氧化物薄膜为宽带隙纳米晶TiO2或SnO2半导体薄膜。
6.根据权利要求1所述的染料敏化太阳电池，其特征在于所述的具有氧化还原作用的电解液为含I-和I2的电解液。
7.根据权利要求1所述的染料敏化太阳电池，其特征在于所述的第一层封装盖板和第五层封装盖板之间采用密封胶予以封装。
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