CN102024571B - 柔性染料敏化太阳能电池的纳米晶片光阳极制备方法 - Google Patents

柔性染料敏化太阳能电池的纳米晶片光阳极制备方法 Download PDF

Info

Publication number
CN102024571B
CN102024571B CN 200910093880 CN200910093880A CN102024571B CN 102024571 B CN102024571 B CN 102024571B CN 200910093880 CN200910093880 CN 200910093880 CN 200910093880 A CN200910093880 A CN 200910093880A CN 102024571 B CN102024571 B CN 102024571B
Authority
CN
China
Prior art keywords
wafer
solar cell
flexible substrate
preparation
dye molecule
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Expired - Fee Related
Application number
CN 200910093880
Other languages
English (en)
Other versions
CN102024571A (zh
Inventor
向军辉
宋波
邢丽
梁晓红
陈世伟
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Graduate School of CAS
University of Chinese Academy of Sciences
Original Assignee
University of Chinese Academy of Sciences
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by University of Chinese Academy of Sciences filed Critical University of Chinese Academy of Sciences
Priority to CN 200910093880 priority Critical patent/CN102024571B/zh
Publication of CN102024571A publication Critical patent/CN102024571A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN102024571B publication Critical patent/CN102024571B/zh
Expired - Fee Related legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/50—Photovoltaic [PV] energy
    • Y02E10/542—Dye sensitized solar cells
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/50—Photovoltaic [PV] energy
    • Y02E10/549—Organic PV cells

Landscapes

  • Hybrid Cells (AREA)
  • Photovoltaic Devices (AREA)

Abstract

本发明公开了一种柔性染料敏化太阳能电池的纳米晶片光阳极制备方法，涉及太阳能电池技术，其在柔性衬底上用形态控制剂诱导控制的方法制备纳米晶片，然后用纳米晶片吸附染料分子组成太阳能电池的光子吸收和光生载流子传输层；该纳米晶片具有负载染料分子、收集和传导电子以及漫反射光子的作用，染料分子主要作用是捕获光子使得染料分子从基态跃迁到激发态。本发明制备方法，因为采用具有柔性的衬底做为太阳能电池的载体、采用形态控制剂诱导控制电沉积的方法制备纳米晶片等的结构和组成特点，使得构成的太阳能电池具有柔韧性、高效能等优点。

Description

柔性染料敏化太阳能电池的纳米晶片光阳极制备方法
技术领域
本发明涉及太阳能电池技术领域，是一种柔性染料敏化太阳能电池的纳米晶片光阳极制备方法。
背景技术
目前基于光电效应的染料敏化太阳能电池器件结构大多是用基于刚性衬底制备的吸附染料分子的半导体材料作为光阳极。刚性材料作为衬底具有能保持结构稳定的优点，但不利于携带、不易变形以满足形成不同外型的需求等缺点。柔性材料作为衬底制备的多孔纳米晶染料敏化太阳能电池具有很多优异的性能，运用在超大规模集成电路和集成光学系统上，具有能形成任何复杂外型、较高的能量转化效率、高柔韧性等优点，拓展了太阳能电池的应用领域。
基于不同半导体材料制备的薄膜太阳能电池中，硅太阳能电池是目前发展最成熟并且占主导地位的产品。其优点在于效率高、技术成熟，但硅的制备一般采用物理提纯的方法，耗能高且成本昂贵。近年来随着纳米技术的不断发展，染料敏化太阳能电池被认为是硅太阳能电池的最具潜力的替代者之一。而这种电池的关键组成部件之一就是用作光阳极的半导体材料，目前大多是用零维结构的纳米颗粒组成。但纳米颗粒材料具有传输电阻较高的缺点，降低了器件的光电转化效率。而一维结构的氧化锌多孔纳米晶片具有比纳米线和纳米颗粒更好的电荷在半导体中传输能力、更有利于电解质中I3 -的传输和吸附更多的染料分子，运用在染料敏化太阳能电池上具有比其他两种材料更优异的能量转化效率等优点。
在中国实用新型专利(专利号ZL 01246415.5)中提出将若干块太阳能电池板串并联后组成一块较大的太阳能电池板，用透明的聚醋乙酯粘胶固定，再在上下分别用透明的聚四氟乙烯复合材料粘胶固定。其优点在于在空间上重组了太阳能电池片，使其具有柔韧性，但只是从组装柔性衬底和将太阳能电池片分成小块的方法并未降低其成本，且其柔韧度受到太阳能电池片大小的限制，弯曲的弧形不够规则。
在中国实用新型专利(专利号ZL 200720007679.2)中提出了一种由具柔性的基布层、电池片及高分子保护薄膜层构成的柔性太阳能电池组件，其具有防水、抗重压、抗摔砸、结实耐久、高效能、便于携带等优点。但该太阳能电池组件具有成本较高、不便于在电极上组装外电路形成复式结构等缺点。
在中国发明专利(专利号ZL 200710177245.1)中公开了一种采用非离子型表面活性剂和硝酸锌溶液在一定温度下混合成的电镀液中电镀生成晶化的氧化锌纳米带阵列的氧化锌电极。所制备的电池光电转换效率可超过5％。但该方法制备的氧化锌电极采用的基底材料是刚性的透明导电玻璃、碳电极和金属电极中的一种，不具有柔性衬底的柔韧性。
美国的US 20070051403实用新型专利中提出了一种包含柔性电极、染料敏化半导体(氧化锌或者氧化钛掺杂染料分子)、电荷传输层(含有电荷传输材料和抗氧化材料)、对电极(金属电极)结构的光伏电池，虽然美国的US 20070051403专利报道的材料种类多，且与本发明接近，但本发明具有采用形态控制剂控制生成多孔纳米晶的方法和制备的器件具有光电转换效率更高的特点。
发明内容
本发明的目的是公开一种柔性染料敏化太阳能电池的纳米晶片光阳极制备方法，采用本发明方法制备的光阳极的染料敏化太阳能电池，其柔韧性和能效都大大提高。
为达到上述目的，本发明的技术解决方案是：
一种柔性染料敏化太阳能电池的纳米晶片光阳极制备方法，其特征在于：在柔性衬底上用形态控制剂诱导控制的方法制备纳米晶片，然后用纳米晶片吸附染料分子组成太阳能电池的光子吸收和光生载流子传输层；该纳米晶片具有负载染料分子、收集和传导电子以及漫反射光子的作用，染料分子主要作用是捕获光子使得染料分子从基态跃迁到激发态。
所述的光阳极制备方法，其所述形态控制剂，为氯化铵；包括步骤：
A)将覆盖有透明导电膜的聚合物构成的柔性衬底，依次分别在去离子水、乙醇溶剂或丙酮溶剂中超声各≥5min，然后在空气中干燥；
B)将干燥后的柔性衬底放入含有0.1M硝酸锌和氯化铵作为形态控制剂的电解液中，在pH2.0-6.0、50℃水浴和2.0V电压的条件下，电解1h，在透明导电膜表面制备氧化锌多孔纳米晶片薄膜；
C)将负载有氧化锌多孔纳米晶片薄膜的柔性衬底在≤130℃空气中干燥；
D)干燥后，放入含有顺-二(异硫氰酸根)-反-二(2，2’-联吡啶-4，4’-二羧酸)合钌的乙醇溶液中室温下浸泡≥12h，使其充分吸收染料分子后，取出在空气中室温下干燥；
E)在吸附了染料的纳米晶片层上涂抹电解质，得成品染料敏化太阳能电池的纳米晶片光阳极。
柔性染料敏化太阳能电池使用本发明方法制备的光阳极，其性能有如下改善：
1、选择柔性电极作为衬底，使得器件具有良好好的柔韧性和易于操作等性能。
2、在电化学沉积过程中，相比于未添加形态控制剂而生成纳米颗粒，添加了形态控制剂后控制生成的多孔纳米晶片制备的半导体光阳极材料具有更好的电荷在半导体中的传输效率、吸附更多的染料分子和提高了电解质中的I3 -的传输能力的优点，制备的器件光电转换效率更高。
附图说明
图1是用本发明方法制备的多孔纳米晶片光阳极组成的染料敏化太阳能电池结构示意图；
图2是用本发明方法制备的多孔纳米晶片光阳极组成的染料敏化太阳能电池工作原理图；
图3是未添加氯化铵溶液，用电沉积的方法合成的氧化锌纳米颗粒的SEM照片；
图4是添加氯化铵溶液，用电沉积的方法合成的氧化锌纳米多晶片SEM照片。
具体实施方式
按照图1所示的太阳能电池结构，图中，柔性衬底1，导电电极2，多孔纳米晶片3，染料分子4，电解质5，对电极6，封装材料7。
本发明的柔性染料敏化太阳能电池的纳米晶片光阳极制备方法，首先在氯化铵诱导下，用电沉积的方法在柔性衬底1(聚对苯二甲酸乙二醇酯/纳米锡铟金属氧化物电极，既PET/ITO电极)的ITO面制备氧化锌多孔纳米晶片薄膜，然后在氧化锌多孔纳米晶片中掺杂染料分子后作为光阳极、I/I3 -作为电解质和金属铂(Pt)作为对电极的结构制备染料敏化太阳能电池。以下结合表1和图1-4，详细说明本发明的具体实施方法。
实施例1
含有染料分子的氧化锌多孔纳米晶片的合成步骤如下：将覆盖有ITO的PET(柔性衬底1)依次分别在去离子水、乙醇和丙酮溶液中超声各5min，然后在空气中干燥。在pH2.0-6.0、50℃水浴和2.0V电压的条件下，将柔性衬底1(聚对苯二甲酸乙二醇酯/纳米锡铟金属氧化物电极，既PET/ITO电极)、参比电极和对电极的三电极系统放入含有形态控制剂氯化铵的0.1M硝酸锌电解液中电解1h。将负载有氧化锌多孔纳米晶片3的柔性衬底1(聚对苯二甲酸乙二醇酯/纳米锡铟金属氧化物电极，既PET/ITO电极)在130℃下空气中干燥，然后放入含有顺-二(异硫氰酸根)-反-二(2，2’-联吡啶-4，4’-二羧酸)合钌(简称钌535)的溶液中室温下浸泡12h，使其充分吸收染料分子4后，取出在空气中低温加热干燥。最后在吸附了染料的纳米晶片层上涂抹I/I3 -电解质。该电解质具有向外电路传输空穴的作用。
从图3所示可以看出，未添加形态控制剂时用电沉积的方法制备的氧化锌颗粒直径分布在200～500nm，薄膜厚度约为5μm。而添加了形态控制剂氯化铵制备的氧化锌多孔纳米晶片的SEM如图4所示，可以看到厚度为30～50nm，宽度为2～3μm。所有的氧化锌纳米晶片均为不规则的交错排列结构，PET/ITO上负载的氧化锌纳米晶片层厚度约为5μm，通过比色法分析，吸附的染料分子浓度为9.25×10-5mol L-1。
用氯化铵控制电沉积生成多孔氧化锌纳米晶片的机理可能是：
Zn(NO3)2→Zn2++2NO3 -               (1)
2NO3 -+H2O+2e-→NO2 -+2OH-           (2)
Zn2++2OH-→Zn(OH)2                 (3)
Zn(OH)2+4NH3→[Zn(NH3)4]2++2OH-    (4)
[Zn(NH3)4]2++2OH-→ZnO+4NH3+H2O    (5)
反应式(1)-(3)属于硝酸锌的水解形成氢氧化锌沉淀，反应式(4)和(5)属于氨分子诱导氢氧化锌沉淀再溶解然后在PET/ITO的ITO面上生成氧化锌多孔纳米晶片。
实施例2
具有柔性衬底的多孔纳米晶片染料敏化太阳能电池的制备步骤如下：由于本发明只涉及对染料敏化太阳能电池中光阳极材料的改进，对构成染料敏化太阳能电池的其它部件的制备方法及装配成器件的方法没有限定，因此，除光阳极材料的制备外，其他制备和组装方法均可以采用本领域熟知公认的方法制备和组装。例如：将上述负载有染料的氧化锌多孔晶片的PET/ITO作为光阳极。将金属铂(Pt)电极在0.1M HCl中浸泡，然后用去离子水洗涤，待金属铂(Pt)干燥后作为对电极。将上述光阳极和对电极由封装材料密封，在中间形成一定容纳电解质的空间，然后将I/I3 -电解质填充在该空间内，最后完全密封组装成具有柔性衬底的氧化锌多孔纳米晶片染料敏化太阳能电池。
柔性衬底1，导电电极2，多孔纳米晶片3，染料分子4，电解质5，对电极6，封装材料7
用本发明的多孔纳米晶片光阳极组成的染料敏化太阳能电池工作原理见图2，图中，导电电极，2，多孔纳米晶片3，染料分子4，电解质5，对电极6。具体的工作原理是：在PET/ITO透明光阳极端受到太阳光照射后，吸附在氧化锌纳米晶片上的染料分子受光照激发由基态跃迁到激发态，激发态的染料分子不稳定将电子注入到半导体氧化锌多孔纳米晶片的导带中，同时失去电子的激发态染料分子与I-接触得到电子还原为基态的染料分子。导带中的电子在纳米晶网络中传输到ITO电极上，然后流入到外电路中形成电流。I/I3 -电解液中的3I-离子与染料分子的基态接触传输电子到染料分子的空穴上生成I3 -，I3 -扩散到对电极得到电子而再生为3I-。整个过程不断循环的进行，完成将太阳能转化为电能，电能传输在外电路做功或者发生能量转化的过程。
实施例3
基于本发明提出的一种基于柔性衬底制备的纳米晶片染料敏化太阳能电池的方法制备的柔性衬底的氧化锌纳米晶染料敏化太阳能电池，结构和数据如表1中编号1所示。改变氧化锌微结构和衬底组成，其他制备方法均同于编号1，制备的太阳能电池结构和数据如表1中编号2、3所示。
从表1中所示的结果可以看出编号1相对于编号2的太阳能电池具有以下不同之处：氧化锌微结构不同，编号1为纳米晶片，编号2为纳米颗粒；上述不同之处导致的结果是编号1短电路电流、开电路电压、染料填充因子和光电转化效率均高于编号2，编号1的太阳能电池性能优于编号2的太阳能电池性能。
从表1中所示的结果可以看出编号1相对于编号3的太阳能电池具有以下不同之处：氧化锌微结构不同，编号1为纳米晶片，编号3为纳米线；衬底不同，编号1为柔性聚合物，编号3为玻璃；以上两种不同导致的结果是编号1的短电路电流、染料填充因子和光电转换效率均高于编号3，编号1的太阳能电池的性能优于编号3的太阳能电池性能。
从编号1与编号2、3的比较中可以看出，编号1为基于本发明提出的一种基于柔性衬底制备的纳米晶片染料敏化太阳能电池的方法制备的柔性衬底的氧化锌纳米晶染料敏化太阳能电池性能明显优于刚性衬底、微结构为纳米颗粒或者纳米线制备的器件，也优于柔性衬底、微结构为纳米颗粒制备的器件。
表1三类染料敏化太阳能电池的结构和性能对比
Figure GSB00000677587300071

Claims (2)

1.一种柔性染料敏化太阳能电池的纳米晶片光阳极制备方法，其特征在于：在柔性衬底上用氯化铵作为形态控制剂诱导控制的方法制备纳米晶片，然后用纳米晶片吸附染料分子组成太阳能电池的光子吸收和光生载流子传输层；该纳米晶片具有负载染料分子、收集和传导电子以及漫反射光子的作用，染料分子主要作用是捕获光子使得染料分子从基态跃迁到激发态。
2.如权利要求1所述的光阳极制备方法，其特征在于：所述氯化铵作为形态控制剂，包括步骤：
A)将覆盖有透明导电膜的聚合物构成的柔性衬底，依次分别在去离子水、乙醇溶剂或丙酮溶剂中超声各≥5min，然后在空气中干燥；
B)将干燥后的柔性衬底放入硝酸锌为0.1M和氯化铵作为形态控制剂的电解液中，在pH2.0-6.0、50℃水浴和2.0V电压的条件下，电解1h，在透明导电膜表面制备氧化锌多孔纳米晶片薄膜；
C)将负载有氧化锌多孔纳米晶片薄膜的柔性衬底在≤130℃空气中干燥；
D)干燥后，放入含有顺-二(异硫氰酸根)-反-二(2，2’-联吡啶-4，4’-二羧酸)合钌的乙醇溶液中室温下浸泡≥12h，使其充分吸收染料分子后，取出在空气中室温下干燥；
E)在吸附了染料的纳米晶片层上涂抹电解质，得成品染料敏化太阳能电池的纳米晶片光阳极。
CN 200910093880 2009-09-23 2009-09-23 柔性染料敏化太阳能电池的纳米晶片光阳极制备方法 Expired - Fee Related CN102024571B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN 200910093880 CN102024571B (zh) 2009-09-23 2009-09-23 柔性染料敏化太阳能电池的纳米晶片光阳极制备方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN 200910093880 CN102024571B (zh) 2009-09-23 2009-09-23 柔性染料敏化太阳能电池的纳米晶片光阳极制备方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN102024571A CN102024571A (zh) 2011-04-20
CN102024571B true CN102024571B (zh) 2012-05-09

Family

ID=43865755

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN 200910093880 Expired - Fee Related CN102024571B (zh) 2009-09-23 2009-09-23 柔性染料敏化太阳能电池的纳米晶片光阳极制备方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN102024571B (zh)

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102522206B (zh) * 2011-11-25 2014-05-07 华侨大学 基于钛箔网的大面积柔性染料敏化太阳能电池的制备方法

Also Published As

Publication number Publication date
CN102024571A (zh) 2011-04-20

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Andualem et al. Review on dye-sensitized solar cells (DSSCs)
Jasim Natural dye-sensitized solar cell based on nanocrystalline TiO2
CN101901693A (zh) 石墨烯复合染料敏化太阳能电池的光阳极及其制备方法
Wang et al. Engineering organic/inorganic hierarchical photocathode for efficient and stable quasi-solid-state photoelectrochemical fuel cells
CN106128772B (zh) 一种硫化铅量子点光伏电池的制备方法
CN103779102B (zh) 低温原位构建BiOI/Bi2S3异质结薄膜及柔性光电化学太阳能电池器件
Onimisi et al. Size effects of silver nanoparticles on the photovoltaic performance of a dye sensitized solar cells
CN108364792A (zh) 一种镍钴硒空心球状多级结构材料的制备方法及其应用
CN100541822C (zh) 一种纳米晶薄膜的染料敏化太阳能电池及其制备方法
CN105887130B (zh) 一种电连接剂制备光催化分解水颗粒膜电极的方法
CN105280389B (zh) 染料敏化太阳能电池的制备方法
CN102024571B (zh) 柔性染料敏化太阳能电池的纳米晶片光阳极制备方法
Alfa et al. Fabrication and Characterisation of Titanium Dioxide Based Dye Sensitized Solar Cell using Flame of the Forest Dye
CN110085428A (zh) 一种二氧化钛/石墨烯复合型光阳极及其制备方法
Qu et al. Upconverting TiO2 spheres with light scattering effect for enhanced quantum dot-sensitized solar cells
Effendi et al. Studies on graphene zinc-oxide nanocomposites photoanodes for high-efficient dye-sensitized solar cells
CN115064388A (zh) 基于复合结构光阳极的染敏太阳能电池及其制法和应用
KR101462356B1 (ko) 염료감응형 태양 전지 및 그 제조 방법
CN107068409B (zh) 一种包含优化结构光电极的染料敏化太阳能电池
CN103066345A (zh) 一种光电化学电池电极及其制备方法和应用
CN102930995A (zh) 一种量子点修饰有机无机杂化太阳能电池及其制备方法
CN102254693B (zh) 染料敏化太阳电池光阳极的制备方法
CN109427487B (zh) 一种柔性基染料敏化太阳能电池结构及其制备方法
CN111129316A (zh) 一种基于多功能复合集流体的碳基钙钛矿太阳能电池
Toivola Dye-sensitized solar cells on alternative substrates

Legal Events

Date Code Title Description
C06 Publication
PB01 Publication
C10 Entry into substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
C14 Grant of patent or utility model
GR01 Patent grant
C17 Cessation of patent right
CF01 Termination of patent right due to non-payment of annual fee

Granted publication date: 20120509

Termination date: 20120923