CN101266884B - 高比表面积网状光阳极集成的高效吸光的染料敏化太阳电池 - Google Patents

高比表面积网状光阳极集成的高效吸光的染料敏化太阳电池 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种高比表面积网状光阳极集成的高效吸光的染料敏化太阳电池，该太阳电池由三层结构组成，其中第一层是作为封装盖板用的超白玻璃，第二层是作为光阳极的高比表面积镀膜金属网，所述的高比表面积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，第三层是作为对电极的镀膜金属片，超白玻璃和镀膜金属片之间予以封装形成密闭空间，密闭空间的内部充有具有氧化还原作用的电解液。本发明太阳电池可以高效收集电子及吸附更多的染料进一步增加光阳极的光吸收，解决导电玻璃衬底电阻大限制电池效率的提高和大面积制备及组件串、并联的的问题，进一步提高电池的效率。

Description

高比表面积网状光阳极集成的高效吸光的染料敏化太阳电池
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
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导电玻璃为衬底的三明治式结构，见附图1。在一面透明导电玻璃1(TCO)上镀一层起电荷分离作用的多孔纳米晶氧化物薄膜(通常是TiO2)，热处理后吸附上单层染料2构成光阳极，对电极由镀有催化剂铂的透明导电玻璃3构成，中间充有具有氧化还原作用的电解液(如含I-/I3 -的有机溶剂)，并由密封剂封装。
传统染料敏化太阳电池采用的三明治结构要求光阳极衬底必须具有透光性，所以透明导电玻璃是传统染料敏化太阳电池衬底的最佳选择。其在电池中主要起到收集电子的作用，同时也是电池的透明支撑结构。而平板导电玻璃为衬底，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，一般TCO导电玻璃面电阻在8-100Ω/cm2/密耳(1密耳＝25μm)范围内，由于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，且电池面积越大，电阻越大，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。也给组件的串、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。
发明内容
本发明的目的是提供一种高比表面积网状光阳极集成的高效吸光的染料敏化太阳电池，该太阳电池可以高效收集电子及吸附更多的染料进一步增加光阳极的光吸收，解决导电玻璃衬底电阻大限制电池效率的提高和大面积制备及组件串、并联的问题，进一步提高电池的效率。
本发明提供的一种高比表面积网状光阳极集成的高效吸光的染料敏化太阳电池由三层结构组成，其中第一层是作为封装盖板用的超白玻璃，第二层是作为光阳极的高比表面积镀膜金属网，所述的高比表面积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，第三层是作为对电极的镀膜金属片，超白玻璃和镀膜金属片之间予以封装形成密闭空间，密闭空间的内部充有具有氧化还原作用的电解液。
上述技术方案中，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或丝网印刷工艺；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；所述的作为对电极的镀膜金属片为镀有铂、镍或碳薄膜的金属片；所述的超白玻璃和镀膜金属片之间采用密封胶予以封装。
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。传统染料敏化太阳电池用的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和金属片代替高阻值的导电玻璃作为衬底将减小太阳电池的内阻。
本发明的工作原理是：镀膜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，网状光阳极的微小空隙可以作为电解液中离子的传输通道，当光线照射到网状光阳极上的敏化染料后，产生光生电子-空穴对，电子和空穴通过宽带隙纳米晶TiO2或SnO2半导体薄膜分离，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。使用时，将导电率好的导线(如铜等)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。
与传统的平面三明治式染料敏化太阳电池相比，本发明高比表面积网状光阳极集成的高效吸光的染料敏化太阳电池具有以下优点：
1、金属网相对于平面导电玻璃电极具有更高的吸附染料的表面积，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。
2、传统的染料敏化太阳电池以导电玻璃为衬底，而目前透明导电薄膜是以SnO2掺F或氧化铟锡等半导体材料制成，其方块电阻很大，难以进行大面积太阳电池制备(小于1cm2)，而本发明由于光阳极与对电极完全以导电率好的金属网或金属片为衬底，减小了电池内阻，更有利于收集电子，解决了导电玻璃作为衬底时电阻影响电池效率和大面积制备问题。同时金属网作为光阳极的衬底，可以不再像传统的太阳电池那样再加额外的金属栅指收集电子，也有效地增加了电池的有效收光面积。
3、对电极是镀铂、镍或碳薄膜的高反射金属片，可以将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、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％，从而提高光阳极的光吸收。
5、钛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，是制备网状光阳极的最佳选择。
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为本发明的高比表面积网状光阳极集成的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，本发明种高比表面积网状光阳极集成的高效吸光的染料敏化太阳电池由三层结构组成，其中第一层是作为封装盖板用的超白玻璃1，第二层是作为光阳极的高比表面积镀膜金属网2，所述的高比表面积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，第三层是作为对电极的镀膜金属片3，超白玻璃1和金属片3之间予以封装形成密闭空间，密闭空间的内部充有具有氧化还原作用的电解液。
上述技术方案中，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或丝网印刷工艺；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；所述的作为对电极的镀膜金属片3为镀有铂、镍或碳薄膜4的金属片；所述的超白玻璃1和镀膜金属片3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10ml水继续研磨，并将0.2ml的曲拉通X-100加入到悬浮液中，制备浓度为54.54％的TiO2溶胶。
用提拉法以每秒钟10mm的提拉速度将直径150μm，60目的钛金属网镀上15μm厚的氧化钛薄膜，并预留出0.3厘米左右的钛金属网作为导电电极，在450℃下热处理30分钟。
将镀膜后的钛金属网放入含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。
用提拉法将钛金属片浸入含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。
超白玻璃光透过率为90％，网状光阳极、对电极依次叠放后用超白玻璃为盖板，以沙林膜和环氧树脂封装，并预留两个小孔，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。
用导电银胶将铜带粘接在光阳极上预留的钛金属网上，在常温干燥环境下8小时固化，对电极铂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2
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100μm直径，100目的镍金属网上10μm厚的氧化钛薄膜，并预留出0.3厘米左右的镍金属网作为导电电极，在500℃下热处理1小时。
将镀膜后的镍金属网放入含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。
用旋涂法将含5mmol/L H2PtCl6的异丙醇溶液滴到钛金属片上，通过旋涂法成膜，在380℃下热处理20min，制备成对电极。
超白玻璃光透，网状光阳极、对电极依次叠放后用镀减反膜的超白玻璃为盖板，以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。
用铝带焊接在光阳极预留裸镍金属网上，用铝带焊接在镀铂对电极上引出电极。
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10μm厚的氧化钛薄膜，并预留出0.3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1.5μm的商业镀铂钛金属片，纯度为TA1。
超白玻璃，网状光阳极、对电极依次叠放后用镀减反膜的超白玻璃为盖板，以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。
用导电银胶将铜带粘接在光阳极预留裸钨金属网上，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。

Claims (7)

1.一种高比表面积网状光阳极集成的染料敏化太阳电池，其特征在于由三层结构组成，其中第一层是作为封装盖板用的超白玻璃(1)，第二层是作为光阳极的高比表面积镀膜金属网(2)，所述的高比表面积镀膜金属网(2)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，第三层是作为对电极的镀膜金属片(3)，超白玻璃(1)和镀膜金属片(3)之间予以封装形成密闭空间，密闭空间的内部充有具有氧化还原作用的电解液。
2.根据权利要求1所述的染料敏化太阳电池，其特征在于所述的金属网为钛、镍、金、钨、铂、钽或铌金属网。
3.根据权利要求1所述的染料敏化太阳电池，其特征在于所述的镀膜工艺为提拉成膜法或丝网印刷工艺。
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。
5.根据权利要求1所述的染料敏化太阳电池，其特征在于所述的具有氧化还原作用的电解液为含I-和I2的电解液。
6.根据权利要求1所述的染料敏化太阳电池，其特征在于所述的作为对电极的镀膜金属片(3)为镀有铂、镍或碳薄膜(4)的金属片。
7.根据权利要求1所述的染料敏化太阳电池，其特征在于所述的超白玻璃(1)和镀膜金属片(3)之间采用密封胶予以封装。
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