CN101587781B - 一种全喷涂工艺制备染料敏化太阳能电池的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种全喷涂工艺制备染料敏化太阳能电池的方法，属于绿色可再生能源技术领域。其特征是将半导体浆料、电解质材料及对电极材料利用喷涂法涂布在导电基板上获得光阳极和对电极并完成电池的制备。本发明的有益效果是采用全喷涂法制备染料敏化太阳能电池，简化了制备工艺，避免了大型贵重仪器的使用。在工业生产上易实现流水作业，不但可以降低太阳能电池成本，并且可以得到具有高效率的太阳能电池，适合于各种染料敏化太阳能电池的制作。
Description
技术领域
本发明属于绿色可再生能源技术领域，涉及一种全喷涂工艺制备染料敏化太阳能电池的方法。
背景技术
随着全球能源紧缺和地球温暖化及环境污染问题变得日趋严重，太阳能的有效利用和开发已成为目前紧迫的研究课题。硅太阳能电池的实用化虽然比较成熟，但是因为制备工艺复杂，价格昂贵，无法得到大量普及。最近一种新型的染料敏化太阳能电池被发表(自然，353卷，737页，1991年)。自发表以来由于该太阳能电池理论光电转换效率高，制备工艺简单，费用低，因此受到全世界的关注，被认为是能够取代硅太阳能电池的下一代太阳能电池。但是目前实际小面积的光电转换效率还只有12％，要实现染料敏化太阳能电池的产业化，还需要提高太阳能电池的光电变换效率。
染料敏化太阳能电池是由光阳极、电解质以及对电极构成。其中光阳极是吸附有染料的氧化钛、氧化锌等薄膜。光阳极通常具有较高的比表面积，起着吸附染料、分离电荷和收集光生电子等作用。光阳极的制备多数采用丝网印刷或是刮涂的方法，将半导体浆料涂布到导电基板上，经过高温烧结获得半导体薄膜。对电极是在导电基板上制备催化剂铂膜，多数采用溅射法方法。染料一般采用浸渍的方法将半导体薄膜浸泡在染料溶液中将染料吸附在半导体薄膜上。电解质采用真空灌注的方法经过事先在对电极上打好的小孔注入光阳极和对电极之间然后再封装。
上述工艺经过需要专门的印刷设备及昂贵的大型溅射仪器。并且对电解质的真空灌装及后续的密封技术要求很高，这些工艺都直接影响染料敏化太阳能电池的成本及其应用。迄今为止该领域的电极制备工艺的多为采用丝网印刷方法和刮膜法等。丝网印刷虽然适合于大面积制作太阳能电池，但是对半导体浆料粘度要求高，通常不能一次成膜，需要反复印刷数次。并且制作的膜通常易产生裂纹，影响光电转换效率。另外需要制备专用模板，并要求有较大的绷网张力，需要强度大的边框、绷网机及牢固的粘合法；另外要求丝网耐酸碱及有机溶剂侵蚀。刮膜方法由于制备的光阳极膜不易均匀，且再现性不好，因此不适合于大面积制造太阳能电池。与丝网印刷和刮涂法相比，喷涂法克服了上述缺点。另外喷涂所用的材料范围广，可以在多种基体材料上形成涂层，并且制作的太阳能电池光电转换效率高。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种全喷涂工艺制备染料敏化太阳能电池中的光阳极、对电极及灌注电解质的方法，利用该方法可低成本简单地制备刚性、柔性或刚柔复合的染料敏化太阳能电池，并且制备的太阳能电池光电转换效率高。
本发明的技术方案：
染料敏化太阳能电池是由光阳极、对电极及位于两电极之间的电解质组成。该染料敏化太阳能电池的全喷涂制备工艺如下：
(1)制备光阳极：光阳极包括基板、导电膜和半导体薄膜以及染料。
首先在涂有导电膜的基板上喷涂半导体浆料，经热处理形成多孔的半导体薄膜。喷涂半导体浆料方法为高低压静电喷涂、高低气压喷涂、真空等离子喷涂、大气等离子喷涂、电弧喷涂、热喷涂、火焰粉末喷涂、低压大流量喷涂，低压低流量喷涂，混气喷涂，无气喷涂，粉末静电喷涂等喷涂方法。基板可以是金属薄板、玻璃或柔性高分子薄膜等。
基板上涂有的导电膜为氧化锡、氧化铟、氧化铟锡、石墨、碳纳米管或其他导电性材料；
半导体薄膜可以为一种半导体氧化物、两种以上半导体氧化物的复合体或金属或/和非金属掺杂的半导体氧化物。
采用喷涂法或浸渍法将染料吸附在半导体薄膜上制得光阳极，所述染料可为合成的染料或是天然染料，也可以是金属络合物或纯有机化合物。
(2)制备对电极：对电极包括基板、导电膜和催化剂层。催化剂层是采用喷涂法将含有催化剂的浆料或溶液涂布在导电基板表面，经煅烧或化学还原法制备而成。基板可以是玻璃、金属或柔性高分子薄膜等。基板上载有的导电膜为氧化锡、氧化铟、氧化铟锡、石墨、碳纳米管或其他导电性材料；催化剂层是金属或非金属，例如铂或碳。或不喷涂金属铂，直接应用金属或碳片等直接做对电极。
(3)采用喷涂法或灌装法将电解质注入在上述制备的光阳极和对电极之间。所述的电解质由起氧化还原作用的化合物和电解液组成，电解液可为有机溶剂、离子性液体、熔融性盐或半熔融性盐或固体电解液。电解液中含有的氧化还原剂主要由碘和碘化物或溴和溴化物或是第四级铵盐化合物的碘溴盐类等组成。
(4)对染料敏化太阳能电池进行封装。
将上述制备的光阳极和对电极及电解质用密封胶或高分子膜进行密封，在两极引出导线后即完成染料敏化太阳能电池的制作。用于工业及民用的大面积染料敏化太阳能电池可对制作的小单元进行内部或外部的串并联。
上面所述工艺还可以简化为以下工艺：将半导体浆料、染料溶液、电解质材料的两种或三种分别混合制备浆料，利用喷涂法喷涂在导电基板上，然后再按上述工艺，完成电池的制备。
本发明的有益效果是采用全喷涂法制备染料敏化太阳能电池，简化了制备工艺，避免了大型贵重仪器的使用。在工业生产上易实现流水作业，不但可以降低太阳能电池成本，并且可以得到具有高效率的太阳能电池。本发明的工艺适合于刚性、柔性及刚柔基板复合的染料敏化太阳能电池的制作。
附图说明
附图1是染料敏化太阳能电池的示意图。
附图1中：1光阳极基板；2导电膜；3半导体薄膜；4染料；5电解质；6对电极上的催化剂层；7对电极基板。
附图2是用本发明的喷涂法与传统的丝网印刷法制备的染料敏化太阳能电池的性能比较。实线和虚线分别为喷涂法和丝网印刷法的电池的电流-电压曲线。
具体实施方式
以下结合技术方案和附图详细叙述本发明的具体实施例。
实施例1：
A)制备光阳极：以清洗干净的导电玻璃为光阳极电极基板材料，将镂空的模板放在光阳极导电基板表面，用喷涂法将TiO2浆料喷涂在导电玻璃上。浆料的配比如下：TiO2(P25)∶PEG 600∶乙醇的配比为1g∶1.5g∶10g。将喷涂完浆料的导电玻璃，经500℃煅烧获得多孔二氧化钛半导体薄膜。之后采用喷涂法将钌染料(N719)吸附在半导体薄膜上制得光阳极。
B)对电极制作：配制浓度为5％的氯铂酸异丙醇溶液，采用喷涂法在导电玻璃表面喷涂上一层氯铂酸，经过400℃煅烧制备获得对电极。
喷涂电解质溶液。采用喷涂法将电解质喷涂在上述制备的光阳极上。电解质溶液是由乙腈和异丙醇及碘和碘离子所组成。
C)对染料敏化太阳能电池进行封装并测试光电性能：将以上制备的光阳极和对电极及电解质用密封胶或高分子膜进行密封，组装成染料敏化太阳能电池。并测得其光电性能，获得的开路电压为813mV；短路光电流密度为13.5mA/cm2；填充因子为67.1％；光电转换效率为7.3％。
实施例2：
光阳极及对电极的制备同上，但是染料是采用浸泡法将二氧化钛薄膜在室温下浸泡12小时。然后用无水乙醇淋洗晾干。所用溶液是N719的乙醇溶液(N719的浓度为5×10-4mol/L)。组装制作的染料敏化太阳能电池其开路电压为836mV；短路光电流密度为14.5mA/cm2；填充因子为68.3％；光电转换效率为8.3％。
实施例3：
光阳极采用传统的丝网印刷法制作，对电极的制备同上，染料是采用浸泡法将二氧化钛薄膜在室温下浸泡12小时。然后用无水乙醇淋洗晾干。所用溶液是N719的乙醇溶液(N719的浓度为5×10-4mol/L)。组装制作的染料敏化太阳能电池其开路电压为781mV；短路光电流密度为9.41mA/cm2；填充因子为71.1％；光电转换效率为5.2％。
实施例4：
光阳极和对电极以导电高分子薄膜(ITO/PEN)为电极基板材料，基板厚度约0.2mm，可见光透过率＞75％，表面方块电阻为18Ω/□。光阳极浆料制备及喷涂工艺同实施例1，喷涂后的光阳极膜浸入浓度为5×10-4mol/L的N719溶液12小时，淋洗后晾干(光阳极活性面积：0.20cm2)。
对电极制备工艺与实施例1不同，基板采用的是导电高分子薄膜(ITO/PEN)，在其表面涂布一层氯铂酸，经过60mmol/L的硼氢化钠溶液还原获得Pt对电极.
将上述工艺制备的电极组装成全柔性染料敏化太阳能电池，并测得其光电性能，获得的开路电压为777mV；短路电流为6.46mA/cm2；填充因子为65.8％；光电转换效率为3.3％。
实施例5：
光阳极浆料制备及喷涂工艺同实施例1，对电极制备与实施例2相同。将上述工艺制备的两个电极组装成刚柔复合染料敏化太阳能电池，并测定其光电性能，获得的开路电压为832mV；短路电流为6.98mA/cm2；填充因子为59％；光电转换效率为3.43％。
以上实施例中使用的是小型喷笔，喷笔和膜板的距离约为5cm，对覆盖有镂空的模板(4x5mm网格6个)进行均匀喷涂。喷涂时间为2-50秒。小型静音空气泵的工作气压约为0.1Mpa。
Claims (2)
1.一种全喷涂工艺制备染料敏化太阳能电池的方法，染料敏化太阳能电池是由光阳极、对电极及位于两电极之间的电解质组成，其特征在于工艺步骤如下：
(1)制备光阳极：光阳极包括基板、导电膜和半导体薄膜以及染料；
在导电基板上喷涂半导体浆料，经热处理形成多孔的半导体薄膜；导电基板是涂有导电膜的基板或金属薄板、导电玻璃或柔性导电高分子薄膜；基板上涂有的导电膜为导电性材料；
半导体薄膜为一种半导体氧化物或两种以上半导体氧化物的复合体或金属或/和非金属掺杂的半导体氧化物；
采用喷涂法或浸渍法将染料吸附在半导体薄膜上制得光阳极，所述染料为合成的染料、天然染料、金属络合物或纯有机化合物；
(2)制备对电极：对电极包括基板、导电膜和催化剂层；基板是玻璃、金属或柔性高分子薄膜；基板载有的导电膜为氧化锡、氧化铟、氧化铟锡、石墨、碳纳米管或其他导电性材料；催化剂层是金属或非金属；
催化剂层是采用喷涂法将含有催化剂的浆料或溶液涂布在导电基板表面，经煅烧或化学还原法制备而成；
(3)采用喷涂法将电解质喷涂在上述制备的吸附着染料的光阳极和对电极之间；所述的电解质由起氧化还原作用的化合物和电解液组成，电解液为有机溶剂、离子性液体、熔融性盐或半熔融性盐或固体电解液；电解液中含有的氧化还原剂主要由碘和碘化物或溴和溴化物或是第四级铵盐化合物的碘溴盐类组成；
(4)将上述制备的光阳极和对电极及电解质用密封胶或高分子膜进行密封，在两极引出导线完成染料敏化太阳能电池的制作。
2.根据权利要求1所述的一种全喷涂工艺制备染料敏化太阳能电池的方法，其特征在于：喷涂半导体浆料方法为高低压静电喷涂、高低气压喷涂、真空等离子喷涂、大气等离子喷涂、电弧喷涂、热喷涂、火焰粉末喷涂、低压大流量喷涂、低压低流量喷涂、混气喷涂、无气喷涂或粉末静电喷涂方法。
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