CN102117702A - 强磁场下制备染料敏化太阳能电池中光阳极的方法 - Google Patents

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苏青峰
张根发
罗军
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Abstract

强磁场下制备染料敏化太阳能电池中光阳极的方法，属于染料敏化太阳能电池领域，具体涉及一种在强磁场下制备光阳极中氧化钛涂层的方法。本发明是为了解决现有的高温烧结法制备的光阳极氧化钛薄膜存在表面平整度不高，致密性不好的问题。本发明包括如下步骤：（a）清洗导电玻璃；（b）制备TiO2纳米透明层；（c）制备TiO2光散射层；还包括步骤（d），把印制好TiO2薄膜的导电玻璃放入1~14T强磁场作用下的气氛炉内，通入氧气，气氛炉内气压为3~5kPa，随后升温至450~480℃高温烧结处理30~40分钟，使用TiCl4溶液处理所述导电玻璃，经烘干后制得光阳极。本发明适用于制备染料敏化太阳能电池。

Description

强磁场下制备染料敏化太阳能电池中光阳极的方法
技术领域
本发明属于染料敏化太阳能电池领域，具体涉及一种在强磁场下制备染料敏化太阳能电池中光阳极的方法。
背景技术
新能源取代传统能源发展趋势已不可避免，其中对太阳能的利用已成为新能源的发展热点，近二十年发展起来的第三代太阳能电池——染料敏化太阳能电池（DSSC），更是薄膜电池中发展的佼佼者。与目前处于主导地位的晶体硅太阳能电池相比，DSSC结构及生产工艺简单，易于大规模工业化生产，制备生产工艺中无毒无污染，且成本较低，预计只有晶体硅电池的1/10～1/5，制备电池能耗较少，能源回收周期短。
染料敏化太阳能电池主要包括光阳极、对电极、电极之间的电解质和封装材料。在染料敏化太阳能电池中，受到光激发的光敏染料产生的超快速光生电子注入氧化钛的导带并在随后的染料再生过程中将光生空穴经氧化钛传导至电流收集器，从而完成光-电转换的全过程。在这一过程中，光阳极中的氧化钛活性涂层是一种关键的电荷传导物质。目前，制备纳米氧化钛涂层材料的方法一般多采用丝网印刷法将纳米氧化钛溶胶涂覆于基材表面并进行高温烧结，其优点是工艺稳定，容易进行大面积涂覆，形成的膜较均匀，而且可以控制膜厚，具备适合工业化生产的特点，但是，通过常规的高温烧结法制备光阳极的氧化钛薄膜存在表面平整度不高，致密性不好的缺陷。
近年来，磁场强度超过10T的超导强磁场的应用已受到人们的广泛关注，强磁场因其超强的磁化作用，可以使得非铁磁性物质也能显示出内禀磁性，如水塑料、木材等可在强磁场中悬浮。与普通磁场作用于宏观的物体不同，强磁场能够将高强度的磁能传递到物质的原子尺度，改变原子的排列、匹配和迁移等行为，从而对材料的组织和性能产生深远的影响。强磁场在材料制备中能控制材料在晶体生长过程中的形态、大小、分布和取向等等。从而影响材料的组织结构，最终获得具有优良性能的新材料。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有的高温烧结法制备的光阳极氧化钛薄膜存在表面平整度不高，致密性不好的问题，进而提供了一种在强磁场下染料敏化太阳能电池中光阳极的制备方法，从而提高光阳极中二氧化钛薄膜的结晶质量，实现光能转化率的提高。
本发明的技术方案是：强磁场下制备染料敏化太阳能电池中光阳极的方法，包括如下步骤：
（a）清洗：清洗导电玻璃；
（b）制备TiO2纳米透明层：采用丝网印刷法将TiO2料浆涂覆于所述导电玻璃表面制备TiO2纳米透明层；
（c）制备TiO2光散射层：在所述TiO2纳米透明层上再丝网印刷一层TiO2光散射层；其特征在于：还包括如下步骤
（d）把印制好TiO2薄膜的导电玻璃放入1~14T强磁场作用下的气氛炉内，通入氧气，气氛炉内气压为3~5kpa，随后升温至450℃~480℃高温烧结处理30~40分钟，使用TiCl4溶液处理所述导电玻璃，经烘干后制得光阳极。
进一步优选地，步骤（d）中把印制好TiO2薄膜的导电玻璃放入10T强磁场作用下的气氛炉内，通入氧气，气氛炉内气压为5kpa，随后升温至480℃高温烧结处理30分钟，使用TiCl4溶液处理所述导电玻璃，经烘干后制得光阳极。
进一步优选地，步骤（a）中，将导电玻璃在超声清洗器内依次使用去离子水、无水乙醇和丙酮清洗10分钟，在烘干箱内烘干后置于浓度为40 mmol/L 的TiCl4溶液中浸泡，水浴加热至70℃下浸泡30分钟后，取出烘干，将处理后的导电玻璃置于气氛炉内，在320℃下保温10分钟后升至380℃保温10分钟，再升温到455℃保温15分钟，最后将温度升至500℃并保温15分钟。
进一步优选地，步骤（b）中，将已配制好的25nm TiO2料浆涂覆于经步骤（a）处理后的导电玻璃的表面，通过均化、干燥工艺形成厚度为14μm的纳米透明TiO2膜层。
进一步优选地，步骤（c）中，在涂覆有纳米透明TiO2膜层的导电玻璃之上再丝网印刷一层400nm TiO2，通过均化、干燥工艺形成厚度为12μm的散射层。
本发明具有以下有益效果：本发明是将高温烧结光阳极的过程置于强磁场中进行，利用强磁场对物质极强的磁化力、磁能作用以及对运动电荷的洛仑兹力，能增强反应物的活化和离解，促进光阳极中电子、二氧化钛等活性基团之间的相互作用，使二氧化钛薄膜能够更致密地生长，即磁场在薄膜生长期间就强制地形成一个优化的生长方向，影响并控制薄膜的生长过程。在强磁场作用下，可以克服其他高温烧结所制备的光阳极二氧化钛薄膜质量差且粘结性不高，薄膜表面平整度不高，致密性不好等缺点。是一种高效制备高质量光阳极的方法。本发明可提高染料敏化太阳电池的光电转换效率，推动染料敏化太阳电池的产业化进程。
附图说明
通过下面结合附图对其示例性实施例进行的描述，本发明上述特征和优点将会变得更加清楚和容易理解。
图1为本发明制备方法中所用装置的结构示意图；
附图标号说明：
1-气氛炉        2-超导磁铁线圈        3-氧气瓶
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细说明。
实施例一：结合图1说明本发明的强磁场下制备染料敏化太阳能电池中光阳极的方法，其包括如下步骤：
（a）清洗导电玻璃，将导电玻璃在超声清洗器内依次使用去离子水、无水乙醇和丙酮清洗10分钟，在烘干箱内烘干后置于浓度为40 mmol/L 的TiCl4溶液中浸泡，水浴加热至70℃下浸泡30分钟后，取出烘干，将处理后的导电玻璃置于气氛炉1内，在320℃下保温10分钟后升至380℃保温10分钟，再升温到455℃保温15分钟，最后将温度升至500℃并保温15分钟；
（b）制备TiO2纳米透明层：将已配制好的25nm TiO2料浆涂覆于经步骤（a）处理后的导电玻璃的表面，通过均化、干燥工艺形成厚度为14μm的纳米透明TiO2膜层；
（c）制备TiO2光散射层：在涂覆有纳米透明TiO2膜层的导电玻璃之上再丝网印刷一层400nm TiO2，通过均化、干燥工艺形成厚度为12μm的光散射层；
（d）把印制好TiO2薄膜的导电玻璃放入气氛炉内，由超导磁铁线圈 2产生1~14T强磁场，并由氧气瓶3通入氧气，气氛炉1内气压为3~5kpa，随后升温至450℃~480℃高温烧结处理30~40分钟，使用TiCl4溶液处理所述导电玻璃，经烘干后制得光阳极。
将已溅射了铂电极的导电玻璃（FTO）与光阳极对接，在真空环境中注入电解质，并进行封装，完成染料敏化太阳能电池的制备。
经此方法烧结的光阳极上的TiO2薄膜结晶度高，薄膜致密性更好，能有效提高染料敏化太阳能电池的光利用率。
需要注意的是，以上内容是结合具体的实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施方式仅限于此，在本发明的上述教导下，本领域技术人员可以在上述实施例的基础上进行各种改进和变形，而这些改进或者变形落在本发明的保护范围内。本领域技术人员应该明白，上面的具体描述只是为了解释本发明的目的，并非用于限制本发明。本发明的保护范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (5)

1. 强磁场下制备染料敏化太阳能电池中光阳极的方法，包括如下步骤：
（a）清洗：清洗导电玻璃；
（b）制备TiO2纳米透明层：采用丝网印刷法将TiO2料浆涂覆于所述导电玻璃表面制备TiO2纳米透明层；
（c）制备TiO2光散射层：在所述TiO2纳米透明层上再丝网印刷一层TiO2光散射层；其特征在于：还包括如下步骤
（d）把印制好TiO2薄膜的导电玻璃放入1~14T强磁场作用下的气氛炉（1）内，通入氧气，气氛炉（1）内气压为3~5kpa，随后升温至450℃~480℃高温烧结处理30~40分钟，使用TiCl4溶液处理所述导电玻璃，经烘干后制得光阳极。
2.根据权利要求1所述的制备染料敏化太阳能电池中光阳极的方法，其特征在于：所述步骤（d）中把印制好TiO2薄膜的导电玻璃放入10T强磁场作用下的气氛炉（1）内，通入氧气，气氛炉（1）内气压为5kpa，随后升温至480℃高温烧结处理30分钟，使用TiCl4溶液处理所述导电玻璃，经烘干后制得光阳极。
3.根据权利要求1所述的制备染料敏化太阳能电池中光阳极的方法，其特征在于：所述步骤（a）中，将导电玻璃在超声清洗器内依次使用去离子水、无水乙醇和丙酮清洗10分钟，在烘干箱内烘干后置于浓度为40 mmol/L 的TiCl4溶液中浸泡，水浴加热至70℃下浸泡30分钟后，取出烘干，将处理后的导电玻璃置于气氛炉（1）内，在320℃下保温10分钟后升至380℃保温10分钟，再升温到455℃保温15分钟，最后将温度升至500℃并保温15分钟。
4.根据权利要求1所述的制备染料敏化太阳能电池中光阳极的方法，其特征在于：所述步骤（b）中，将已配制好的25nm TiO2料浆涂覆于经步骤（a）处理后的导电玻璃的表面，通过均化、干燥工艺形成厚度为14μm的纳米透明TiO2膜层。
5.根据权利要求1所述的制备染料敏化太阳能电池中光阳极的方法，其特征在于：所述步骤（c）中，在涂覆有纳米透明TiO2膜层的导电玻璃之上再丝网印刷一层400nm TiO2，通过均化、干燥工艺形成厚度为12μm的光散射层。
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