CN101719426B - 柔性染料敏化太阳电池及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种柔性染料敏化太阳电池及其制备方法。本柔性染料敏化太阳电池包括第一电极、第二电极、位于第一电极和第二电极之间的电解质、染料敏化剂。第一电极由具有透明导电薄膜的PET和形成于所述PET上的铂电极层构成。第二电极由Ni-W衬底、形成于Ni-W衬底上的导电层、形成于Ni-W衬底及导电层之间的阻隔层、及形成于导电层上且背向阻隔层一侧的纳米多孔层构成。本柔性染料敏化太阳电池的制备过程包括：A、阻隔层的制备；B、导电层的制备；C、纳米多孔层的制备；D、柔性染料敏化太阳电池的封装。通过采用Ni-W衬底为工作电极，实现了染料敏化太阳电池的柔性化设计。同时，在Ni-W衬底上沉积阻隔层，有效的提高了柔性染料敏化太阳电池的光电转换效率。
Description
技术领域
本发明涉及一种染料敏化太阳电池及其制备方法，尤其涉及一种柔性染料敏化太阳电池及其制备方法。
背景技术
能源一直是人们所关注的问题。矿物燃料资源的逐渐耗尽以及对环境的带来不良的影响，促使人们寻找开发新能源。占地球总能量99％以上的太阳能，具有取之不尽，没有污染等优点，因而成为新能源开发的重点研究领域。
太阳能利用是可再生能源发展的重要组成部分，是二十一世纪具有经济战略意义的高新技术。其中，太阳能的利用之一——光伏发电是国际上公认的综合治理能源缺乏与环境污染的最有效途径之一。面对社会对清洁能源的巨大需求和未来的发展趋势，大力发展适合我国国情的光伏事业已迫在眉睫。发展低成本薄膜太阳能电池的产业化技术成为当前国际光伏界的首选。根据我国的基本国情，为实现太阳电池服务于国民经济的未来目标，国家科技部将降低太阳能电池成本和实现太阳电池的薄膜化确定为我国发展太阳能电池的主要方向。
在过去的20年内，染料敏化半导体薄膜太阳电池，由于其廉价的材料和制造成本以及稳定的性能等优势，越来越成为国际上研究的热点。染料敏化太阳电池的工作原理是，在太阳光的辐照下，吸附在半导体表面的染料吸收太阳光的能量，染料受光激发由基态跃迁到激发态，处于激发态的电子不稳定，激发态染料分子将电子注入到半导体的导带中，还原性的电解质还原此时处于氧化态的染料使染料再生，导带中的电子在纳米晶网络中传输到后接触面后流入外电路中，经负载最终到达铂电极，还原氧化态的电解质，这就完成了电子的整个传输过程。目前，已实现了以导电玻璃为衬底的染料敏化太阳电池，并且光电转换效率达到11％。但是由于导电玻璃的刚性、脆性等因素限制了染料敏化太阳电池的应用与输运。同时，以柔性PET(Polyethylene terephthalate)衬底为工作电极的染料敏化太阳电池由于PET耐高温性差，不适于柔性染料敏化太阳电池制备过程中的烧结工艺，所以不能满足实际之需。
针对现有技术所存在的问题，本案设计人凭借从事此行业多年的经验，积极研究改良，于是有了本发明柔性染料敏化太阳电池及其制备方法。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术存在的缺陷，提供一种柔性染料敏化太阳电池，实现染料敏化太阳电池柔性化，并提高光电转化效率。
本发明的又一目的是针对现有技术存在的缺陷提供一种柔性染料敏化太阳电池的制备方法，实现柔性化染料敏化太阳电池的制造。
为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：所述染料敏化太阳电池包括具有呈面向设置的第一电极和第二电极、位于第一电极和第二电极之间的电解质、染料敏化剂。第一电极包括具有透明导电薄膜的PET和形成于所述PET且面向第二电极一侧的铂电极层。所述铂电极层与透明导电薄膜位于PET的同侧。第二电极12包括Ni-W衬底、形成于Ni-W衬底且面向第一电极一侧的导电层、形成于Ni-W衬底及导电层之间的阻隔层，及形成于导电层上且背向阻隔层一侧的纳米多孔层。其中，在本发明中阻隔层优选的为YxCe1-xO2-0.5x，以0.2≤x≤0.8配比钇、铈元素的原子个数。同样，阻隔层也可为单元金属及多元金属氧化物、钙钛矿及其类钙钛矿结构化合物。导电层为ITO或者FTO。纳米多孔纳米层优选的是由TiO2、ZnO、SnO2、Nb2O3和SrTiO3中的一种或几种构成。染料敏化剂吸附在纳米多孔层外表面。
为达到上述又一目的，本发明提供一种制备所述柔性染料敏化太阳电池的制备方法。所述柔性染料敏化太阳电池的制备方法，其特征在于：
A.阻隔层的制备步骤：
(1)选取高纯度(钇、铈金属粉料的纯度重量百分比在99.999％以上)的钇、铈金属粉料为原料，按照钇、铈元素的不同原子个数比进行配比，通过拼接、镶嵌方法制得具有区域组份性质的金属靶材；
(2)将Ni-W衬底依序通过丙酮溶液、酒精溶液进行超声波清洗；
(3)将洗净的Ni-W衬底固定在直流反应溅射腔体内；
(4)对直流反应溅射腔体的气路进行清洗；
(5)对直流反应溅射腔体抽真空，直至背底真空达到10-5Pa或以下；
(6)通入体积比为Ar∶H2＝19∶1的混合气体，氩气和氢气的纯度体积百分比均在99.999％以上，直至直流反应溅射腔体压强达到1～10Pa；
(7)将直流反应溅射腔体升温至600～900℃，打开直流溅射电源进行预溅射，调整功率至50～250W，进行预溅射，时间20～120min；
(8)打开水汽气路，调节水分压至5×10-3～5×10-2Pa，进行正式溅射，最终得到阻隔层，其化学表达式为YxCe1-xO2-0.5x，0.2≤x≤0.8；
B、导电层的制备步骤：
(1)将具有阻隔层的Ni-W衬底固定于直流反应溅射腔体内；
(2)对直流反应溅射腔体的气路进行清洗；
(3)对直流反应溅射腔体抽真空，直至背底真空达到10-5Pa或以下；
(4)通入体积比为Ar∶O2＝30∶1的混合气体，氩气和氢气的纯度体积百分比均在99.999％以上，直至直流反应溅射腔体压强达到1～10Pa；
(5)将直流反应溅射腔体升温至180～360℃，打开直流溅射电源进行预溅射，调整功率至50～250W，进行溅射，以形成导电层；
C、纳米多孔层的制备步骤：
用丝网印刷机在具有导电层的Ni-W衬底上用二氧化钛半导体氧化物浆料印刷3～4次后在490～510℃烧结，以形成纳米多孔层；
D、柔性染料敏化太阳能电池的封装步骤：
(1)将具有纳米多孔层的第二电极沉浸到染料敏化剂的溶液中，浸泡8～24小时；
(2)从染料敏化剂的溶液中取出第二电极，用无水乙醇清洗；
(3)将第一电极与第二电极通过热封膜封装成一体，并向第一电极、第二电极及热封膜所形成的密闭腔体内注入电解质，便制备本发明所述的柔性染料敏化太阳电池。
在上述高温超导涂层导体缓冲层的制备方法中，溅射气体、水汽的流量分别通过流量计和阀门控制。其中氩气通过气路直接通到金属靶材的表面，水汽通过管路直接通到Ni-W衬底的表面。
本发明与现有技术相比较，其有如下易而易见的突出实质性特点和显著优点：
如上所述，本发明通过采用Ni-W衬底为工作电极，实现了染料敏化太阳电池的柔性化设计。同时，在Ni-W衬底与形成在Ni-W衬底上的导电层之间溅射沉积阻隔层，有效的提高了柔性染料敏化太阳电池的光电转换效率。
附图说明
图1为本发明染料敏化太阳能电池电极的结构示意图；
图2为本发明染料敏化太阳能电池电极的I-V曲线图。
具体实施方式
为详细说明本发明的技术内容、构造特征、所达成目的及功效，下面将结合实例并配合图示予以详细说明。
图1所示柔性染料敏化太阳电池1，所述柔性染料敏化太阳电池1包括具有呈面向设置的第一电极11和第二电极12、位于第一电极11和第二电极12之间的电解质13、染料敏化剂14。所述第一电极11与所述第二电极12通过热封膜15封装为一体。电解质13及染料敏化剂14密封在由第一电极11、第二电极12和热封膜15形成的密闭腔体内。第一电极11包括具有透明导电薄膜的PET(Polyethylene terephthalate)111和形成于所述PET 111且面向第二电极12一侧的铂电极层112。其中，铂电极层112与透明导电薄膜位于PET 111的同侧。第二电极12包括Ni-W衬底121、形成于Ni-W衬底121且面向第一电极11一侧的导电层122、形成于Ni-W衬底121及导电层122之间的阻隔层123，及形成于导电层122上且背向阻隔层123一侧的纳米多孔层124。其中，在本发明中阻隔层123优选的为YxCe1-xO2-0.5x，以0.2≤x≤0.8配比钇、铈元素的原子个数。同样，阻隔层123也可为单元金属及多元金属氧化物、钙钛矿及其类钙钛矿结构化合物。导电层122为ITO或者FTO。纳米多孔纳米层124优选的是由TiO2、ZnO、SnO2、Nb2O3、SrTiO3的一种或几种构成。染料敏化剂14吸附在纳米多孔层124外表面。
所述柔性染料敏化太阳电池1在工作的情况下，当外界阳光辐照的时候，吸附在纳米多孔层124外表面的染料敏化剂14吸收太阳光的能量，染料敏化剂14受光激发由基态跃迁到激发态，处于激发态的电子不稳定，激发态染料分子将电子迅速的注入到构成纳米多孔层124的半导体的导带中，具有还原性的电解质13还原此时处于氧化态的染料敏化剂14，使染料敏化剂14得以再生，导带中的电子在纳米多孔层124中传输到第二电极12的导电层122上，电子然后通过与导电层122电连接的外电路传输经负载2到第一电极11，进而还原氧化态的电解质13，从而完成电子的整个传输过程。
所述柔性染料敏化太阳电池1的制备过程包括：
A.阻隔层123的制备
(1)选取高纯度(钇、铈金属粉料的纯度重量百分比在99.999％以上)的钇、铈金属粉料为原料，按照钇、铈元素的不同原子个数比进行配比，通过拼接、镶嵌方法制得具有区域组份性质的金属靶材；
(2)将Ni-W衬底121依序通过丙酮溶液、酒精溶液进行超声波清洗；
(3)将洗净的Ni-W衬底固定在直流反应溅射腔体内；
(4)对直流反应溅射腔体的气路进行清洗；
(5)对直流反应溅射腔体抽真空，直至背底真空达到10-5Pa或以下；
(6)通入体积比为Ar∶H2＝19∶1的混合气体，氩气和氢气的纯度体积百分比均在99.999％以上，直至直流反应溅射腔体压强达到1～10Pa；
(7)将直流反应溅射腔体升温至600～900℃，打开直流溅射电源进行预溅射，调整功率至50～250W，进行预溅射，时间20～120min；
(8)打开水汽气路，调节水分压至5×10-3～5×10-2Pa，进行正式溅射，最终得到阻隔层123，其化学表达式为YxCe1-xO2-0.5x，0.2≤x≤0.8。
B、导电层122的制备
(1)将具有阻隔层123的Ni-W衬底121固定于直流反应溅射腔体内；
(2)对直流反应溅射腔体的气路进行清洗；
(3)对直流反应溅射腔体抽真空，直至背底真空达到10-5Pa或以下；
(4)通入体积比为Ar∶O2＝30∶1的混合气体，氩气和氢气的纯度体积百分比均在99.999％以上，直至直流反应溅射腔体压强达到1～10Pa；
(5)将直流反应溅射腔体升温至180～360℃，打开直流溅射电源进行预溅射，调整功率至50～250W，进行溅射，以形成导电层122。
C、纳米多孔层124的制备
用丝网印刷机在具有导电层122的Ni-W衬底上用二氧化钛半导体氧化物浆料印刷3～4次后在490～510℃烧结，以形成纳米多孔层124；
D、柔性染料敏化太阳能电池1的封装
(1)将具有纳米多孔层124的第二电极12沉浸到染料敏化剂14的溶液中，浸泡8～24小时；
(2)从染料敏化剂14的溶液中取出第二电极12，用无水乙醇清洗；
(3)将第一电极11与第二电极12通过热封膜15封装成一体，并向第一电极11、第二电极12及热封膜15所形成的密闭腔体内注入电解质13，便制备本发明所述的柔性染料敏化太阳电池。
在上述高温超导涂层导体缓冲层的制备方法中，溅射气体、水汽的流量分别通过流量计和阀门控制。其中氩气通过气路直接通到金属靶材的表面，水汽通过管路直接通到Ni-W衬底121的表面。
图2所示染料敏化太阳能电池1的I-V曲线图。其中，所述染料敏化太阳电池1的电流密度为4.88mA/cm2，开路电压为0.63伏特，填充因子为0.64，转换效率为1.97％。
综上所述，本发明通过采用Ni-W衬底121为工作电极，实现了染料敏化太阳电池的柔性化设计。同时，在Ni-W衬底121与形成在Ni-W衬底121上的导电层122之间溅射沉积阻隔层123，有效的提高了柔性染料敏化太阳电池1的光电转换效率。
本领域技术人员均应了解，在不脱离本发明的精神或范围的情况下，可以对本发明进行各种修改和变型。因而，如果任何修改和变型落入所附权利要求书以及等同物的保护范围内时，认为本发明涵盖这些修改和变型。
Claims (4)
1.一种柔性染料敏化太阳电池，包括：
第一电极；
与第一电极呈面向设置的第二电极，
及位于第一电极和第二电极之间的电解质、染料敏化剂；
其特征在于：所述第一电极由具有透明导电薄膜的PET和形成于所述PET的透明导电薄膜上面的铂电极层构成；所述第二电极由Ni-W衬底、形成于Ni-W衬底且面向第一电极一侧的导电层、形成于Ni-W衬底及导电层之间的阻隔层、及形成于导电层上且背向阻隔层一侧的纳米多孔层构成；所述的阻隔层是YxCe1-xO2-0.5x，以0.2≤x≤0.8配比钇、铈元素的原子个数；所述的纳米多孔层是由TiO2、ZnO、SnO2、Nb2O3和SrTiO3中的一种或几种构成。
2.根据权利要求1所述的柔性染料敏化太阳电池，其特征在于：导电层是FTO或者ITO。
3.根据权利要求1所述的柔性染料敏化太阳电池，其特征在于：染料敏化剂吸附在纳米多孔层的外表面。
4.一种制备如权利要求1所述的柔性染料敏化太阳电池的方法，其特征在于：
A.阻隔层的制备步骤：
(1)选取纯度重量百分比在99.999％以上的钇、铈金属粉料为原料，按照钇、铈元素的不同原子个数比进行配比，通过拼接或镶嵌方法制得具有区域组份性质的金属靶材；
(2)将Ni-W衬底依序通过丙酮溶液、酒精溶液进行超声波清洗；
(3)将洗净的Ni-W衬底固定在直流反应溅射腔体内；
(4)对直流反应溅射腔体的气路进行清洗；
(5)对直流反应溅射腔体抽真空，直至背底真空达到10-5Pa或以下；
(6)通入体积比为Ar∶H2＝19∶1的混合气体，氩气和氢气的纯度体积百分比均在99.999％以上，直至直流反应溅射腔体压强达到1～10Pa；
(7)将直流反应溅射腔体升温至600～900℃，打开直流溅射电源进行预溅射，调整功率至50～250W，进行预溅射，时间20～120min；
(8)打开水汽气路，调节水分压至5×10-3～5×10-2Pa，进行正式溅射，最终得到阻隔层；
B、导电层的制备步骤：
(1)将具有阻隔层的Ni-W衬底固定于直流反应溅射腔体内；
(2)对直流反应溅射腔体的气路进行清洗；
(3)对直流反应溅射腔体抽真空，直至背底真空达到10-5Pa或以下；
(4)通入体积比为Ar∶O2＝30∶1的混合气体，其中氩气和氧气的纯度体积百分比均在99.999％以上，直至直流反应溅射腔体压强达到1～10Pa；
(5)将直流反应溅射腔体升温至180～360℃，打开直流溅射电源进行预溅射，调整功率至50～250W，进行溅射，以形成导电层；
C、纳米多孔层的制备步骤：
用丝网印刷机在具有导电层的Ni-W衬底上用二氧化钛半导体氧化物浆料印刷3～4次后在490～510℃烧结，以形成纳米多孔层；
D、柔性染料敏化太阳电池的封装步骤：
(1)将具有纳米多孔层的第二电极沉浸到染料敏化剂的溶液中，浸泡8～24小时；
(2)从染料敏化剂(14)的溶液中取出第二电极，用无水乙醇清洗；
(3)将第一电极与第二电极通过热封膜封装成一体，并向第一电极、第二电极及热封膜所形成的密闭空间注入电解质，便制备本发明所述的柔性染料敏化太阳电池。
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