CN102013332A - 激光选择性烧结柔性太阳电池光阳极的方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种激光选择性烧结制备柔性染料敏化太阳电池的光阳极的方法及装置。方法采用波长为355nm～3.4μm的激光束作用于纳米半导体颗粒多孔膜，使纳米半导体颗粒多孔膜中的纳米半导体颗粒之间以及纳米半导体颗粒与导电膜之间由物理点接触转化为颈型化学连接；激光的功率密度为1-100瓦/cm2，扫描速度为1-900mm/s。该装置包括依次位于同一光路上的激光器、均分镜、扩束准直镜、光阑、导光镜和聚焦镜，光阑为活动安装，可以根据激光聚焦光斑的要求进行替换，均分镜为整形镜或积分镜。本发明可对柔性染料敏化太阳电池的纳米半导体颗粒多孔膜进行高温烧结热处理但不会对光阳极的柔性塑料基板造成任何损伤。
Description
技术领域
本发明属于太阳电池技术领域，具体涉及到一种激光选择性烧结柔性太阳电池光阳极的方法及装置，主要用于激光选择性烧结塑料基板柔性染料敏化太阳电池的纳米颗粒膜。
背景技术
柔性染料敏化太阳电池主要技术在于将高性能的染料与高比表面积的纳米晶薄膜有机地结合，纳米晶薄膜的多孔性使得它的总表面积远大于其几何面积，可以吸附大量的染料，从而可有效吸收太阳光，并转换成电能。柔性染料敏化太阳电池的结构如图1所示，是由柔性塑料基板1、氧化物导电薄膜2、电解质3、染料4和纳米半导体多孔膜6构成，其中，纳米半导体多孔膜6由纳米半导体颗粒5物理点接触而成(见图2所示)。由于使用透明导电柔性塑料基板，不但大大减轻了电池重量，也降低了电池的制作成本，其简单的制作工艺和极其低廉的成本(预计只有晶体硅太阳电池成本的1/10到1/5)和接近产业化的效率而成为目前研究的热点。而且因其可弯曲变形，便于电池的卷轴式连续制造工艺，大大拓展了柔性染料敏化太阳电池的应用范围，增加了新用途。特别是现代社会对便携式电子设备需求急剧增多，如可穿戴电子产品、电子纸、灵敏标签、笔记本电脑和手机等，也需要这种可变形、体积小和重量轻的柔性太阳电池来补充电能。
在柔性染料敏化太阳电池的制备中，由柔性塑料基板1、导电薄膜2和纳米半导体多孔膜6构成光阳极10的制备是柔性染料敏化太阳电池的关键步骤，要求沉积在导电塑料基板(包括柔性塑料基板1和导电薄膜2)上的纳米半导体多孔膜6(厚度约1-30μm)必须在450-550℃左右进行高温烧结热处理，去除纳米半导体薄膜中的残余有机物并使纳米半导体颗粒5之间以及纳米半导体颗粒5与导电薄膜2之间由物理点接触7(见图3所示)转变成颈型化学连接8(见图4所示)，获得与导电膜之间的良好附着力，减小电子在纳米半导体颗粒之间的传输以及由半导体颗粒膜向导电膜传输的阻力，改善纳米半导体颗粒5之间以及纳米半导体颗粒5与导电薄膜2之间的电学连续性、从而提高电子在半导体导带中的扩散系数和电子收集效率，从而改善染料敏化太阳电池的光电转换效率。
用于制备柔性染料敏化太阳电池的塑料基板1通常是透明材料。目前常用的主要有聚酯(PET和PEN)，它们的热稳定最高温度约为150℃，无法满足纳米薄膜450℃以上高温烧结热处理的要求。因而目前制备透明导电柔性塑料基板的光阳极10的方法只能在低温条件下进行。常用的制备方法有：加压法、水热法、低温烧结法、紫外光(UV)辐照法、化学气相沉积(CVD)处理和微波加热法等方法。以上这些方法虽然可以使柔性染料敏化太阳电池的电子在半导体纳米材料颗粒之间的扩散过程和染料敏化太阳电池的效率得到一定的改善，但仍然未达到纳米半导体颗粒5之间以及纳米半导体颗粒5与导电薄膜2之间形成颈型化学连接的理想效果，而且还存在着工艺较复杂，加热时间长使生产效率低，难以大规模生产等问题。
因此，研究如何能使纳米半导体多孔膜6在450℃以上进行高温烧结热处理的同时又不破坏支撑半导体多孔膜6的柔性塑料基板1是柔性染料敏化太阳电池制备、发展和应用的关键技术之一。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供了一种激光选择性烧结制备塑料基板柔性染料敏化太阳电池光阳极的方法，该方法可对柔性染料敏化太阳电池的半导体多孔膜进行高温烧结热处理而不会对光阳极的柔性塑料基板造成任何损伤；本发明还提供了实现该方法的装置。
本发明提供的一种激光选择性烧结制备柔性太阳电池光阳极的方法，其特征在于，该方法采用波长为355nm～3.4μm的激光束作用于纳米半导体颗粒多孔膜，使纳米半导体颗粒多孔膜中的纳米半导体颗粒之间以及纳米半导体颗粒与导电膜之间由物理点接触转化为颈型化学连接；激光的功率密度为1-100瓦/cm2，扫描速度为1-900mm/s。
实现上述方法的装置，其特征在于，该装置包括依次位于同一光路上的激光器、均分镜、扩束准直镜、光阑、导光镜和聚焦镜，光阑为活动安装，能够根据激光聚焦光斑的要求进行替换，均分镜为整形镜或积分镜。
本发明提供的一种激光选择性烧结柔性染料敏化太阳电池的纳米半导体颗粒多孔膜的方法，该方法利用激光可选择性以及快速加热和冷却特点，对柔性染料敏化太阳电池的纳米半导体颗粒多孔膜进行烧结而又不损伤光阳极的柔性塑料基板，从而可解决以上瓶颈问题。其基本原理是利用激光单色性的特点和纳米半导体颗粒多孔膜(如TiO2、NiO或其它p型纳米颗粒材料)、柔性塑料基板(如PEN或PET)以及导电薄膜(如ITO、FTO或AZO)对某段波长的激光具有不同吸收和透射率特性，使激光大部分能量只被纳米半导体颗粒吸收而不被柔性塑料基板和导电薄膜吸收，通过精确控制激光功率密度、作用时间和作用方式使纳米半导体颗粒在极短的时间内(微纳秒时间)被迅速加热到450～600C°左右，实现纳米半导体颗粒之间颈型化学连接以及纳米半导体颗粒与导电薄膜之间产生良好附着力，从而提高电子在纳米半导体材料导带中的扩散系数和染料敏化太阳电池的效率。由于激光仅与纳米半导体颗粒产生作用，而且作用时间极短(可在微纳秒时间内完成)以及柔性塑料基板和导电薄膜对激光具有较高的透射性，因此，激光对纳米半导体颗粒450C°以上高温烧结热处理时，柔性塑料基板的温度依然保持在室温范围左右，从而达到既满足纳米半导体颗粒多孔膜高温烧结的需求，又不会损伤柔性塑料基板的要求。同时，通过光学系统设计，对激光光束进行扩束准直和整形以及选形聚焦，使激光光束形成所需要的光斑尺寸以及在光斑尺寸内的能量密度分布均匀化，并与纳米半导体膜的尺寸相匹配，可保证在激光高速烧结纳米半导体膜的同时，烧结质量的稳定性和一致性，以突破目前柔性染料敏化太阳电池制备工艺所遇到的瓶颈障碍。综上所述，激光选择性烧结柔性塑料基板染料敏化太阳电池的纳米半导体颗粒多孔膜技术具有如下优点：
(1)在一定温度范围内，可实现任意温度烧结纳米半导体颗粒多孔膜而不损坏导电薄膜和柔性塑料基板；
(2)极短的激光烧结时间可实现快速激光扫描烧结纳米半导体颗粒多孔膜，大大提高纳米半导体颗粒多孔膜烧结效率，实现印刷制备纳米结构光阳极方式的高效大规模生产；
(3)通过光学系统调制，可实现所需要的激光光斑尺寸和均匀的能量密度分部，在通过激光束烧结过程中，确保一定宽度尺寸和厚度的纳米半导体颗粒膜在迅速通过激光束时，能达到所需要的烧结效果的一致性和稳定性。
附图说明
图1柔性染料敏化太阳电池结构示意图；
图2柔性染料敏化太阳电池中光阳极结构示意图；
图3柔性染料敏化太阳电池中光阳极的纳米半导体颗粒之间以及纳米半导体颗粒与导电膜之间物理点接触示意图；
图4柔性染料敏化太阳电池中纳米半导体颗粒之间以及纳米半导体颗粒与导电膜之间颈型化学连接示意图；
图5为实施本发明方法的一种装置具体实施例的结构示意图。
图6为实施本发明方法的另一种装置具体实施例的结构示意图。
具体实施方式
本发明方法采用波长为355nm～3.4μm的激光束在基材上进行扫描，激光束穿过柔性塑料基板和导电薄膜作用于纳米半导体颗粒多孔膜或直接照射纳米半导体颗粒多孔膜，使纳米半导体颗粒多孔膜中的纳米半导体颗粒之间由物理点接触转化为颈型化学连接；基材依次由柔性有塑料基板、导电薄膜和纳米半导体颗粒多孔膜叠置而成，激光的功率密度为1～100瓦/cm2，扫描速度为1～900mm/s。
如图5和图6所示，实现该发明的装置由依次位于同一光路上的激光器20、均分镜21、扩束准直镜22、光阑23、导光镜24和聚焦镜25构成，光阑23为活动安装，可根据激光聚焦光斑的要求进行替换。均分镜为整形镜或积分镜。
柔性光阳极10装在传送轮27上组成传送装置，由计算机40是控制传送装置，同时计算机40具有控制激光器的激光参数以及开启和关断激光束功能。
本发明的具体实施方式一如图5所示：由计算机40调节激光器，输出合适的激光功率，控制激光器20输出大部分功率可以透过柔性塑料基板1和导电薄膜2，但被纳米半导体颗粒5吸收的激光束30(如355nm～3.4μm波长的激光束)，经过均分镜21进行整形均光，形成激光束截面功率密度分布均匀激光束31，再通过扩束准直镜22进行扩束准直，形成激光束32，经光阑23选择所需要的激光光斑尺寸33，再由导光镜24将激光束33输入聚焦镜25，形成所需要的点、线或面激光聚焦光斑34，穿过柔性塑料基板1和导电薄膜2，射入纳米半导体颗粒5，对光阳极10的纳米半导体颗粒多孔膜6进行高温热处理烧结。同时计算机40向传送轮27发出指令，让传送轮27以一定的转速带动光阳极10以一定的线速度向前转送，通过优化激光能量密度和光阳极10的传送速度，达到高温烧结热处理，去除纳米半导体薄膜中的残余有机物并使纳米半导体颗粒5之间以及纳米半导体颗粒5与导电膜2之间由物理点接触7转变成颈型化学连接8，获得良好化学连接以及与导电膜之间的良好附着力而不损伤柔性塑料基板1和导电薄膜2的效果，改善纳米半导体颗粒之间的电学性能、提高电子在半导体导带中的扩散系数和染料敏化太阳电池的效率。
本发明的具体实施方式二如图6所示：由计算机40调节激光器，输出合适的激光功率，控制激光器20输出大部分功率可以透过柔性塑料基板1和导电薄膜2，但被纳米半导体颗粒5吸收的激光束30(如355nm～3.4μm波长的激光束)，经过均分镜21进行整形均光，形成激光束截面功率密度分布均匀激光束31，再通过扩束准直镜22进行扩束准直，形成激光束32，经光阑23选择所需要的激光光斑尺寸33，再由导光镜24将激光束33输入聚焦镜25，形成所需要的点、线或面激光聚焦光斑34，直接照射纳米半导体颗粒5，对光阳极10的纳米半导体颗粒多孔膜6进行高温热处理烧结。同时计算机40向传送轮27发出指令，让传送轮27以一定的转速带动光阳极10以一定的线速度向前转送，通过优化激光能量密度和光阳极10的传送速度，达到高温烧结热处理，去除纳米半导体薄膜中的残余有机物并使纳米半导体颗粒5之间以及纳米半导体颗粒5与导电膜2之间由物理点接触7转变成颈型化学连接8，获得良好化学连接以及与导电膜之间的良好附着力而不损伤柔性塑料基板1和导电薄膜2的效果，改善纳米半导体颗粒之间的电学性能、提高电子在半导体导带中的扩散系数和染料敏化太阳电池的效率。
实例1：
本发明采用了雷石公司制作的型号3W 3.4微米中红外OPO激光器，输出波长为3.4μm，连续输出功率从0到10瓦。聚焦光斑尺寸为10mm×0.2mm，穿过0.2mm厚的PEN柔性塑料基板和100nm厚的ITO导电膜，对TiO2纳米颗粒多孔膜进行烧结。激光输出方式为连续输出，TiO2光阳极的传送速度从10mm/s到900mm/s。调节激光功率密度从5瓦/cm2到100瓦/cm2变化时，TiO2纳米颗粒多孔膜的TiO2纳米颗粒之间以及TiO2纳米颗粒与导电膜之间由物理点接触转化为颈型化学连接。当激光能量密度较高时，TiO2纳米颗粒将被烧熔化，但PEN柔性塑料基板无任何损伤。
本发明的各实例中，激光束的扫描速度均等于光阳极的传送速度。
实例2：
本发明采用了IPG公司制作的YLR-5-LP型号光纤激光器，输出波长为1071nm，连续输出功率从0到50瓦。聚焦光斑尺寸为10mm×0.2mm，穿过0.2mm厚的PEN柔性塑料基板和100nm厚的ITO导电膜，对TiO2纳米颗粒多孔膜进行烧结。激光输出方式为连续输出，TiO2光阳极的传送速度从100-700mm/s，调节激光器输出的光束的功率密度从3瓦/cm2到60瓦/cm2变化时，TiO2纳米颗粒多孔膜的TiO2纳米颗粒之间以及TiO2纳米颗粒与导电膜之间由物理点接触转化为颈型化学连接，当激光能量密度较高时，TiO2纳米颗粒将被烧熔化，但PEN柔性塑料基板无任何损伤。
实例3：
本发明采用了美国光波公司制作的Awave-532-20W-25K型号全固态调Q绿光激光器，输出波长为532nm，TiO2光阳极的传送速度10-900mm/s，频率设定为150kHz，聚焦光斑尺寸为10mm×0.2mm，穿过0.2mm厚的PEN柔性塑料基板和100nm厚的ITO导电膜，对TiO2纳米颗粒多孔膜进行烧结，准连续功率密度从8-100瓦/cm2变化时，TiO2纳米颗粒多孔膜的TiO2纳米颗粒之间以及TiO2纳米颗粒与导电膜之间由物理点接触转化为颈型化学连接直到TiO2纳米颗粒被烧熔化，但PEN柔性塑料基板无任何损伤。
实例4：
本发明采用了美国光波公司制作的Awave-355-10W-25K型号全固态调Q紫外激光器，输出波长为355nm，频率设定为150kHz，聚焦光斑尺寸为10mm×0.2mm，穿过0.2mm厚的PET柔性塑料基板和100nm厚的ITO导电膜，对TiO2纳米颗粒多孔膜进行烧结，准连续功率密度从3-50瓦/cm2变化，TiO2光阳极的传送速度1-40mm/s时，TiO2纳米颗粒多孔膜的TiO2纳米颗粒之间以及TiO2纳米颗粒与导电膜之间由物理点接触转化为颈型化学连接直到TiO2纳米颗粒被烧熔化，但PET柔性塑料基板无任何损伤。
实例5：
本发明采用了美国光波公司制作的Awave-355-10W-25K型号全固态调Q紫外激光器，输出波长为355nm，频率设定为150kHz，聚焦光斑尺寸为10mm×0.2mm，直接对沉积在0.2mm厚的PEN柔性塑料基板和100nm厚的ITO导电膜上的TiO2纳米颗粒多孔膜进行烧结，准连续功率密度从1-50瓦/cm2变化，TiO2光阳极的传送速度10-80mm/s时，TiO2纳米颗粒多孔膜的TiO2纳米颗粒之间以及TiO2纳米颗粒与导电膜之间由物理点接触转化为颈型化学连接直到TiO2纳米颗粒被烧熔化，但PEN柔性塑料基板无任何损伤。
以上所述为本发明的较佳实施例而已，但本发明不应该局限于该实施例和附图所公开的内容。所以凡是不脱离本发明所公开的精神下完成的等效或修改，都落入本发明保护的范围。
Claims (2)
1.一种激光选择性烧结制备柔性太阳电池光阳极的方法，其特征在于，该方法采用波长为355nm～3.4μm的激光束作用于纳米半导体颗粒多孔膜，使纳米半导体颗粒多孔膜中的纳米半导体颗粒之间以及纳米半导体颗粒与导电膜之间由物理点接触转化为颈型化学连接；激光的功率密度为1-100瓦/cm2，扫描速度为1-900mm/s。
2. 一种实现权利要求1所述方法的装置，其特征在于，该装置包括依次位于同一光路上的激光器（20）、均分镜（21）、扩束准直镜（22）、光阑（23）、导光镜（24）和聚焦镜（25），光阑为活动安装，能够根据激光聚焦光斑的要求进行替换，均分镜（21）为整形镜或积分镜。
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