CN101980344A - 一种染料敏化太阳能电池工作电极及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

一种染料敏化太阳能电池工作电极及其制备方法，属于新能源技术领域，涉及太阳能电池工作电极制备技术，特别涉及导电聚合物敏化的TiO2纳米晶薄膜工作电极及其制备方法。本发明以聚苯胺或聚苯胺衍生物作为光敏化剂，采用特定浓度的聚苯胺或聚苯胺衍生物的有机溶液对TiO2纳米晶多孔薄进行避光敏化处理，得到一种成本低廉，光电转换效率可达到染料敏化太阳能电池的应用要求的染料敏化太阳能电池工作电极。本发明方法简单、易操作，没有环境污染，具有取代采用联吡啶钌的配合物敏化TiO2纳米晶多孔薄膜制备染料敏化太阳能电池工作电极的应用前景。

Description

一种染料敏化太阳能电池工作电极及其制备方法
技术领域
本发明属于新能源技术领域，涉及太阳能电池工作电极制备技术，特别涉及导电聚合物敏化的TiO2纳米晶薄膜工作电极及其制备方法。
背景技术
自从1991年瑞士洛桑联邦理工学院的Michael教授领导的研究小组在纳米晶薄膜太阳能电池研究上取得突破性的进展后(O Reagen Brian，Michael
Figure BSA00000308720200012
Nature，1991，353，737)，纳米晶薄膜太阳能电池以其成本低廉、制备简单以及较高的光电转换率等优点引起了世界各国研究者的广泛关注和研究。目前这类电池的光电转换效率在模拟太阳光照射下可稳定在10％以上，但成本仅为硅太阳能电池的1/5～1/10，使用寿命可达15年以上，而且对环境友好。正是由于有以上诸多优点，纳米晶薄膜太阳能电池的出现为低成本、大规模的利用太阳能提供了一条途径。科学家预测染料敏化太阳能电池极有可能取代传统硅系太阳能电池，成为未来太阳能电池的主导。目前联吡啶钌的配合物是公认的最佳的光敏染料，但是由于贵金属钌的成本以及对环境的影响，限制了这类染料在染料敏化太阳能电池中的应用前景。为了解决这些问题，人们一直在寻求可以替代联吡啶钌配合物的敏化剂。
导电聚苯胺及其衍生物，作为一种不含稀有贵金属的共轭有机染料，具有成本低、环境友好、电导率高、易于制备及掺杂、稳定性好、电化学可逆性强等特点，并且在可见和近红外区有强烈吸收，因此很有希望用它代替联吡啶钌配合物染料，敏化半导体多孔膜电极来制备太阳能电池的工作电极。
发明内容
本发明提供一种染料敏化太阳能电池工作电极及其制备方法。所提供的染料敏化太阳能电池工作电极及其制备方法具有成本低廉和制备简单的特点，其光电转换效率可达到染料敏化太阳能电池的应用要求。
本发明技术方案为：
一种染料敏化太阳能电池工作电极，如图1所示，包括导电玻璃衬底、TiO2纳米晶多孔薄膜和敏化层。所述TiO2纳米晶多孔薄膜位于导电玻璃衬底和敏化层之间，所述敏化层材料为聚苯胺或聚苯胺衍生物。所述聚苯胺或聚苯胺衍生物敏化层由TiO2纳米晶多孔薄膜放入浓度为10-5～10-3mol/L的聚苯胺或聚苯胺衍生物的有机溶液中，加热至80～100℃并于暗处浸泡敏化10～48小时得到；或由10-5～10-3mol/L的聚苯胺或聚苯胺衍生物的有机溶液滴在加热至80～100℃的TiO2纳米晶多孔薄膜表面，经旋涂工艺得到。
一种染料敏化太阳能电池工作电极的制备方法，包括以下步骤：
步骤1：在导电玻璃衬底表面制备TiO2纳米晶多孔薄膜。
步骤2：对TiO2纳米晶多孔薄膜进行敏化处理。具体敏化处理过程为：将TiO2纳米晶多孔薄膜放入浓度为10-5～10-3mol/L的聚苯胺或聚苯胺衍生物的有机溶液中，加热至80～100℃并于暗处浸泡敏化10～48小时，得到染料敏化太阳能电池工作电极；或将10-5～10-3mol/L的聚苯胺或聚苯胺衍生物的有机溶液滴在加热至80～100℃的TiO2纳米晶多孔薄膜表面，经旋涂工艺得到染料敏化太阳能电池工作电极。
步骤1中：所述导电玻璃可以是各种导电玻璃，包括ITO导电玻璃、FTO导电玻璃、TCO导电玻璃、AZO导电玻璃等，但最好是采用FTO导电玻璃；所述TiO2纳米晶多孔薄膜可采用现有的各种制备方法得到，包括采用丝网印刷方式或刮涂方式将TiO2浆料均匀涂覆在清洁干净的导电玻璃上，经干燥、烧结后得到。
步骤2中所述聚苯胺或聚苯胺衍生物的有机溶液以聚苯胺或聚苯胺衍生物为溶质，以N，N-二甲基甲酰胺、N-甲基吡咯烷酮、二甲基亚砜或四氢呋喃为溶剂。
由于聚苯胺类或聚苯胺衍生物化学稳定性好、电化学可逆性强，在可见和近红外区有比较强烈的吸收，能够有效吸收利用太阳光。本发明将聚苯胺或聚苯胺衍生物作为光敏剂，采用特定浓度的聚苯胺或聚苯胺衍生物的有机溶液对TiO2纳米晶多孔薄膜进行敏化处理，得到了一种成本低廉，光电转换效率可达到染料敏化太阳能电池的应用要求的染料敏化太阳能电池工作电极。本发明方法简单、易操作，没有环境污染，具有取代采用联吡啶钌的配合物敏化TiO2纳米晶多孔薄膜制备染料敏化太阳能电池工作电极的应用前景。
附图说明
图1为本发明提供的染料敏化太阳能电池工作电极的结构示意图。其中1是导电玻璃，2是TiO2纳米晶多孔薄膜，3是聚苯胺或聚苯胺衍生物敏化层。
图2为采用本发明制备的聚苯胺敏化TiO2薄膜的太阳能电池工作电极组装的太阳能电池的电流-电压测试曲线。
图3为采用本发明制备的聚邻甲氧基苯胺敏化TiO2薄膜的太阳能电池工作电极组装的太阳能电池的电流-电压测试曲线。
具体实施方式
本发明将通过下面的实施例进行说明。但是，应当理解本发明并不限于下述的特殊实例和实施方案。在这里包含这些特殊实例和实施方案的目的在于帮助本领域中的技术人员实践本发明。任何本领域中的技术人员很容易在不脱离本发明精神和范围的情况下进行进一步的改进和完善，因此本发明只受到本发明权利要求的内容和范围的限制，其意图涵盖所有包括在权利要求所限定的本发明精神和范围内的备选方案或等同方案。
实施方式1
首先利用丝网印刷的方式将粒径为10～20纳米的TiO2浆料丝网印刷到清洁干净的导电玻璃表面，室温下干燥，重复印刷多次，在空气气氛下400～500℃烧结20～60分钟，得到厚度约为10微米的TiO2纳米晶多孔薄膜；然后将将制备好的TiO2纳米晶多孔薄膜浸入到浓度为10-5～10-3mol/L的聚苯胺的N，N-二甲基甲酰胺溶液中，加热至80～100℃并避光敏化10～48小时，取出，用乙醇轻轻冲洗，室温下晾干得到染料敏化太阳能电池工作电极。
将制备好的工作电极组装成电池器件，在100mW/cm2的光照下测量其光电性能，电流-电压测试曲线如图2所示，其开路电压(Voc)＝305mV，短路电流(Jsc)＝58μA/cm2。
实施方式2
利用刮涂的方式将粒径为10～20纳米的TiO2浆料涂覆到清洁干净的导电玻璃上，室温下干燥，重复2次，在空气气氛下400～500℃烧结20～60分钟，得到厚度约为10微米的TiO2纳米晶多孔薄膜；然后将将制备好的TiO2纳米晶多孔薄膜浸入到浓度为10-5～10-3mol/L的聚邻甲氧基苯胺的N-甲基吡咯烷酮溶液中，加热至80～100℃并避光敏化10～48小时，取出，用乙醇轻轻冲洗，室温下晾干得到染料敏化太阳能电池工作电极。
将制备好的工作电极组装成电池器件，在100mW/cm2的光照下测量其光电性能，电流-电压测试曲线如图3所示，其开路电压(Voc)＝415mV，短路电流(Jsc)＝71μA/cm2。
对上述两种实施方式提供的染料敏化太阳能电池工作电极进行测试时，首先将染料敏化太阳能电池工作电极、对电极以及电解液组装成太阳能电池结构，然后进行光电性能测试。对电极采用金属铂电极；电解液采用四丁基碘化胺和碘的碳酸乙烯酯和碳酸丙烯酯的混合溶液，其中四丁基碘化胺的浓度为0.5M，碘的浓度为0.05M，碳酸乙烯酯和碳酸丙烯酯的体积比为3∶1；具体测试时，采用电化学工作站(CHI660C，上海辰华仪器有限公司)在室温下测量，使用氙灯作为模拟光源(XQ150W，上海蓝晟电子有限公司)，入射光强100mW/cm2，光照面积0.25cm2。

Claims (6)

1.一种染料敏化太阳能电池工作电极，包括导电玻璃衬底、TiO2纳米晶多孔薄膜和敏化层；所述TiO2纳米晶多孔薄膜位于导电玻璃衬底和敏化层之间，其特征在于，所述敏化层材料为聚苯胺或聚苯胺衍生物；所述聚苯胺或聚苯胺衍生物敏化层由TiO2纳米晶多孔薄膜放入浓度为10-5～10-3mol/L的聚苯胺或聚苯胺衍生物的有机溶液中，加热至80～100℃并于暗处浸泡敏化10～48小时得到；或由10-5～10-3mol/L的聚苯胺或聚苯胺衍生物的有机溶液滴在加热至80～100℃的TiO2纳米晶多孔薄膜表面，经旋涂工艺得到。
2.一种染料敏化太阳能电池工作电极的制备方法，包括以下步骤：
步骤1：在导电玻璃衬底表面制备TiO2纳米晶多孔薄膜；
步骤2：对TiO2纳米晶多孔薄膜进行敏化处理；具体敏化处理过程为：将TiO2纳米晶多孔薄膜放入浓度为10-5～10-3mol/L的聚苯胺或聚苯胺衍生物的有机溶液中，加热至80～100℃并于暗处浸泡敏化10～48小时，得到染料敏化太阳能电池工作电极；或将10-5～10-3mol/L的聚苯胺或聚苯胺衍生物的有机溶液滴在加热至80～100℃的TiO2纳米晶多孔薄膜表面，经旋涂工艺得到染料敏化太阳能电池工作电极。
3.根据权利要求2所述的染料敏化太阳能电池工作电极的制备方法，其特征在于，步骤1中所述导电玻璃包括ITO导电玻璃、FTO导电玻璃、TCO导电玻璃或AZO导电玻璃。
4.根据权利要求2所述的染料敏化太阳能电池工作电极的制备方法，其特征在于，步骤1中所述导电玻璃是FTO导电玻璃。
5.根据权利要求2所述的染料敏化太阳能电池工作电极的制备方法，其特征在于，步骤1中所述TiO2纳米晶多孔薄膜采用丝网印刷方式或刮涂方式将TiO2浆料均匀涂覆在清洁干净的导电玻璃上，经干燥、烧结后得到。
6.根据权利要求2所述的染料敏化太阳能电池工作电极的制备方法，其特征在于，步骤2中所述聚苯胺或聚苯胺衍生物的有机溶液以聚苯胺或聚苯胺衍生物为溶质，以N，N-二甲基甲酰胺、N-甲基吡咯烷酮、二甲基亚砜或四氢呋喃为溶剂。
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