CN102385994A - 异型光伏构件柔性染料敏化太阳能电池及制备方法和应用 - Google Patents

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Abstract

本发明属于可再生能源技术领域，涉及一种异型光伏构件柔性染料敏化太阳能电池及其制备方法和应用，解决传统硅太阳能电池板形状单调、多晶硅产业环境污染等问题。以碳纳米管透明导电薄膜、泡沫金属为柔性染料敏化太阳能电池复合工作电极导电基底、碳纳米管透明导电薄膜为对电极，制成形状各异的电池。利用碳纳米管透明导电薄膜优良的导电性能、透光性能以及泡沫金属导电性好、孔隙率高、形状丰富的特点，作为电池的导电基底，选取各种染料及高效电解液，以碳纳米管透明导电薄膜作为对电极组成染料敏化太阳能电池。本发明制备出各种形状的太阳能电池，弥补传统硅电池板的形状单调的问题，对于传统建筑功能改造、新型清洁能源的利用具有重要意义。

Description

异型光伏构件柔性染料敏化太阳能电池及制备方法和应用
技术领域
本发明属于可再生能源技术领域，涉及一种异型光伏构件柔性染料敏化太阳能电池及其制备方法和应用。
背景技术
随着能源危机的日益加剧，太阳能以其清洁、无污染、受地域限制小、方便利用等特性为社会广泛应用。传统太阳能电池以硅基为主，其成本高、制备工艺复杂、污染严重等问题。
1991年瑞士
Figure BDA0000100027740000011
小组首次利用纳米技术将染料敏化太阳能电池(DSC)的转化效率提高到7％(Nature，Vol.353，737-740，1991)。与传统的硅基太阳能电池相比，染料敏化太阳能电池具有成本低、工艺简单、能耗低、环保等特性。
目前，有部分涉及光伏建筑一体化的染料敏化太阳能电池的报道，例如，中国发明专利，发明名称：基于染料敏化太阳能电池的光电一体化建筑材料，公开号：CN 101509306，主要技术方案是将染料敏化太阳能电池串联、并联、串并联结合，拼成大面积，制成光电建筑材料。传统的以导电玻璃作为基底的DSC，存在重量大、易碎、运输困难、形状结构单调等缺点，阻碍了光伏建筑一体化太阳能电池技术的发展。
近年来，以柔性材料为基底的DSC以其可弯曲等优点引起了广泛的关注。例如，中国发明专利，发明名称：以不锈钢为基底的柔性染料敏化太阳能电池及其制备方法，公开号：CN 101447341A，其主要技术方案是采用不锈钢上面制备绝缘层，上面制备钛基薄膜层，再将体系阳极氧化；中国发明专利申请，发明名称：一种柔性染料敏化太阳能电池复合电极制备方法，公开号：CN 101728082A，主要技术方案为利用ITO、FTO柔性塑料片为基底，导电聚合物、有机溶剂和炭黑作为导电聚合物层。
常见柔性导电基底为不锈钢和ITO、FTO塑料片，其存在问题如下：
(1)镀有ITO氧化物的透明导电薄膜。由于ITO氧化物中，铟元素有毒，并且为稀有元素，所以制备成本高；而ITO以颗粒形式附着在衬底材料上，这样基底多次弯折之后，基底表面的颗粒容易脱落而使导电基底失去导电性，影响电池性能。
(2)不锈钢或金属材料。虽然不锈钢和金属材料的柔韧性、导电性、热稳定性都不错，但是其透光性差是其制备柔性DSC的瓶颈，这样以其制备的柔性DSC，要求入射光从对电极照射，而理论和实验证明，从对电极接收入射光会使电池的性能参数大大降低。
发明内容
本发明的目的在于提出一种异型光伏构件柔性染料敏化太阳能电池及其制备方法和应用，解决传统硅太阳能电池板形状单调、制备工艺复杂、成本高、多晶硅产业环境污染等问题。利用碳纳米管透明导电薄膜易于弯折、对于纳米氧化物具有良好的支撑作用，以及泡沫金属材料良好的柔韧性和透光性，优选各种染料通过复合工艺制备低成本、异型光伏构件柔性染料敏化太阳能电池。
本发明的技术方案是：
一种异型光伏构件柔性染料敏化太阳能电池，包括导电基底、二氧化钛多孔膜、染料敏化剂、对电极，在电池组成中，以碳纳米管透明导电薄膜和泡沫金属作为复合工作电极导电基底，碳纳米管透明导电薄膜以连续的形式附着于泡沫金属，泡沫金属表面涂覆有二氧化钛多孔膜，染料敏化剂吸附在二氧化钛多孔膜上，以碳纳米管透明导电薄膜为对电极，对电极与导电基底之间注入电解液。
所述碳纳米管透明导电薄膜基底，采用喷涂法涂覆在透明塑料膜上的碳纳米管薄膜。
在柔性染料敏化太阳能电池中，其一种导电基底材料为碳纳米管透明导电薄膜，薄膜表面的碳纳米管相互连通，形成交织网络，为电子提供良好的导电通道，其方块电阻为200-240Ω/sq，透光率达80-85％，厚度为100-300μm；另一种基底材料为泡沫金属，具有金属材料本身良好的导电性、热稳定性，其孔隙率达90％以上、比表面积大、质量轻、易弯折，如：泡沫镍、泡沫铜或泡沫合金等，平均孔径在500-5000μm，厚度为1-5mm，具有金属的良好导电性、透光率高，具有良好的柔韧性，可以制成各种形状的柔性染料敏化太阳能电池。
所述异型光伏构件柔性染料敏化太阳能电池的制备方法，包括如下步骤：
(1)将碳纳米管透明导电薄膜和泡沫金属导电基底清洗，去除表面污垢和杂质；碳纳米管透明导电薄膜以连续的形式附着于泡沫金属，制成复合工作电极导电基底；
(2)配置二氧化钛浆料，将浆料用玻璃棒滚涂于步骤(1)清洗的导电基底，制成二氧化钛工作电极，在80-100℃温度下处理20-40分钟；
(3)优选配置染料，作为敏化剂，将步骤(2)中制得的工作电极浸泡在染料中40-50小时；
(4)配置碘和碘化钾的电解液；
(5)如步骤(1)清洗碳纳米管透明导电薄膜(方块电阻为200-240Ω/sq，透光率达80-85％，厚度为100-300μm)，自然条件下干燥，作为对电极；
(6)完成电池的封装。
所述步骤(1)中，清洗过程分别用蒸馏水、丙酮、无水乙醇清洗；
所述步骤(2)中，选取聚乙二醇为分散剂、OP乳化剂、二氧化钛颗粒(平均粒径10-30nm)，水为溶剂，聚乙二醇、OP乳化剂、二氧化钛颗粒、水按重量比为0.02-0.04∶0.05-0.2∶0.2-0.4∶1.0-1.5配置二氧化钛浆料；先将聚乙二醇、OP乳化剂加入蒸馏水中，用玻璃棒搅拌，使其充分溶解，并尽量减少气泡，再将二氧化钛分次加入，边加入边搅拌，待二氧化钛充分与其他组分混合时，继续搅拌1-3小时，待二氧化钛成为浆料时，停止搅拌，待用。
所述步骤(2)中，对于碳纳米管透明导电薄膜、泡沫金属复合工作电极用80-100℃处理。
所述步骤(3)中，选取海棠花叶、绿色植物叶子等提取液作为天然染料，或以N3染料和N719染料作为合成染料，浓度为4-6×10-4mol/L，以无水乙醇作为溶剂；
所述步骤(4)碘和碘化钾的电解液中，碘的浓度为5-10g/L，碘化钾的浓度为50-80g/L；溶剂为乙腈和叔丁醇混合，按体积比计，乙腈∶叔丁醇为3-5∶1。
所述异型光伏构件柔性染料敏化太阳能电池的应用，利用可弯折的柔性基底制备形状各异的染料敏化太阳能电池，用于建筑门窗、外墙结构改造或特殊形状建筑物表面。
本发明的有益效果在于：
1、本发明利用碳纳米管透明导电薄膜、泡沫金属作为柔性DSC的基底，其易于多次弯折、环境友好等特性弥补传统ITO透明导电薄膜的缺点，利用碳材料制备太阳能光伏建筑构件，符合现代绿色建筑理念；制备异型太阳能电池构件，弥补传统硅基太阳能电池板形状单调、不易弯折的问题；
2、本发明利用天然染料制备柔性DSC，成本低、制备过程无污染，具有环境友好特性；
3、本发明制备工艺简单、条件易控，易适合于批量生产，制得的柔性DSC具有优异环境友好特性并且以其异型构件为特点，对于现代建筑外墙建造、传统建筑物节能改造具有重大意义。
总之，本发明以碳纳米管透明导电薄膜、泡沫金属为柔性染料敏化太阳能电池复合工作电极导电基底，可制成形状各异的电池。利用碳纳米管透明导电薄膜优良的导电性能、透光性能以及泡沫金属导电性好、孔隙率高、形状丰富的特点，作为电池的导电基底，选取各种染料及高效电解液，以碳纳米管透明导电薄膜作为对电极组成染料敏化太阳能电池。本发明通过采用特殊的柔性基底材料，可以制备出各种形状的太阳能电池，弥补了传统硅电池板的形状单调的问题，对于传统建筑的功能改造、新型清洁能源的利用具有重要意义。
附图说明
图1为本发明异型光伏构件柔性染料敏化太阳能电池示意图。图中，1柔性碳纳米管透明导电薄膜；2泡沫金属；3二氧化钛多孔膜；4染料敏化剂；5电解液；6柔性碳纳米管透明导电薄膜对电极。
具体实施方式
如图1所示，本发明异型光伏构件柔性染料敏化太阳能电池包括柔性碳纳米管透明导电薄膜1、泡沫金属2、二氧化钛多孔膜3、染料敏化剂4、电解液5、柔性碳纳米管透明导电薄膜对电极6；在电池组成中，以柔性碳纳米管透明导电薄膜1和泡沫金属2作为复合工作电极导电基底，柔性碳纳米管透明导电薄膜1以连续的形式附着泡沫金属2，泡沫金属2表面涂覆有二氧化钛多孔膜3，染料敏化剂4吸附在二氧化钛多孔膜3上，以柔性碳纳米管透明导电薄膜6为对电极，对电极6与导电基底之间注入电解液5。
实施例1：
首先，将碳纳米管透明导电薄膜和泡沫金属复合电极(采用喷涂法涂覆在透明塑料膜上的碳纳米管薄膜，方块电阻为220Ω/sq，透光率达81％，碳纳米管透明导电薄膜厚度为100μm；泡沫金属Ni，孔隙率为95％，平均孔径在5000μm，厚度为1mm)，导电基底分别用蒸馏水、丙酮、无水乙醇清洗，自然条件下晾干，待用。将0.03g聚乙二醇、0.1mlOP乳化剂(如：烷基酚聚氧乙烯(10)醚，OP-10)加入1.2ml蒸馏水中，用玻璃棒搅拌，使其充分溶解，并尽量减少气泡，将0.3g二氧化钛(P25，平均粒径20nm)分三次加入，边加入边搅拌，待二氧化钛充分与其他组分混合时，继续搅拌2小时，待二氧化钛成为浆料时，停止搅拌，待用。将清洗并已干燥后的导电基底置于桌面，用透明胶带粘住基底的四周，中间留出约2.5cm×2.5cm的孔隙。将配好的二氧化钛浆料用玻璃棒蘸取，并在基底上滚涂，制成二氧化钛工作电极。将二氧化钛工作电极置于烘箱中，80℃半小时(使二氧化钛与基底充分附着，加强二氧化钛颗粒之间的连接)。采取海棠花叶，用蒸馏水清洗之后，先剪成小块，再放入研钵中，边研磨边加入适量无水乙醇(加入无水乙醇的作用是将花叶中的花青素提取出来)，提取清液为初始天然染料。将温度处理后的工作电极置于染料中，避光浸泡48小时。称取0.3g碘化钾、0.03g碘，其溶剂为乙腈与乙二醇体积比为4∶1混合成5mL，磁力搅拌2小时，配置电解液。用同样方法清洗碳纳米管透明导电薄膜(方块电阻为220Ω/sq，透光率达81％，厚度为100μm)，作为电池对电极。将两电极错开，三面用胶封好，24小时后，滴入电解液，封装第四面，利用电化学工作站、氙灯光源进行测试。测试结果如下：制备的柔性染料太阳能电池可弯折，其开路电压为2伏、短路电流密度为3.04μA/cm2。
实施例2：
首先，将碳纳米管透明导电薄膜和泡沫金属复合电极(采用喷涂法涂覆在透明塑料膜上的碳纳米管薄膜，方块电阻为220Ω/sq，透光率达81％，碳纳米管透明导电薄膜厚度为200μm；泡沫金属镍，孔隙率为95％，平均孔径在500μm，厚度为3mm)，导电基底分别用蒸馏水、丙酮、无水乙醇清洗，自然条件下晾干，待用。将0.03g聚乙二醇、0.1mlOP乳化剂(如：烷基酚聚氧乙烯(10)醚，OP-10)加入1.2ml蒸馏水中，用玻璃棒搅拌，使其充分溶解，并尽量减少气泡，将0.3g二氧化钛(P25，平均粒径20nm)分二次加入，边加入边搅拌，待二氧化钛充分与其他组分混合时，继续搅拌2小时，待二氧化钛成为浆料时，停止搅拌，待用。将清洗并已干燥后的导电基底置于桌面，用透明胶带粘住基底的四周，中间留出约2.5cm×2.5cm的孔隙。将配好的二氧化钛浆料用玻璃棒蘸取，并在基底上滚涂，制成二氧化钛工作电极。将二氧化钛工作电极置于烘箱中，100℃半小时(使二氧化钛与基底充分附着，加强二氧化钛颗粒之间的连接)。采取小白菜叶子，用蒸馏水清洗之后，先剪成小块，再放入研钵中，边研磨边加入适量丙酮(使叶绿素更好地分离出来)，提取清液为初始天然染料。将温度处理后的工作电极置于染料中，避光浸泡48小时。称取0.3g碘化钾、0.03g碘，其溶剂为乙腈与乙二醇体积比为4∶1混合成5mL，磁力搅拌2小时，配置电解液。用同样方法清洗碳纳米管透明导电薄膜(方块电阻为220Ω/sq，透光率达81％，厚度为200μm)，作为电池对电极。将两电极错开，三面用胶封好，48小时后，滴入电解液，封装第四面，利用电化学工作站、氙灯光源进行测试。测试结果如下：制备的柔性染料敏化太阳能电池可弯折，其开路电压为2伏、短路电流密度为3.92μA/cm2。
实施例3：
首先，将碳纳米管透明导电薄膜和泡沫金属复合电极(采用喷涂法涂覆在透明塑料膜上的碳纳米管薄膜，方块电阻为220Ω/sq，透光率达81％，碳纳米管透明导电薄膜厚度为300μm；泡沫镍，孔隙率为95％，平均孔径在2000μm，厚度为5mm)，导电基底分别用蒸馏水、丙酮、无水乙醇清洗，自然条件下晾干，待用。将0.035g聚乙二醇、0.15mlOP乳化剂(如：烷基酚聚氧乙烯(10)醚，OP-10)加入1.3ml蒸馏水中，用玻璃棒搅拌，使其充分溶解，并尽量减少气泡，将0.35g二氧化钛(P25，平均粒径20nm)分三次加入，边加入边搅拌，待二氧化钛充分与其他组分混合时，继续搅拌3小时，待二氧化钛成为浆料时，停止搅拌，待用。将清洗并已干燥后的导电基底置于桌面，用透明胶带粘住基底的四周，中间留出约2.5cm×2.5cm的孔隙。将配好的二氧化钛浆料用玻璃棒蘸取，并在基底上滚涂，制成二氧化钛工作电极。将二氧化钛工作电极置于烘箱中，90℃半小时(使二氧化钛与基底充分附着，加强二氧化钛颗粒之间的连接)。配置5×10-4mol/L的N3染料的无水乙醇溶液，作为合成染料。将温度处理后的工作电极置于染料中，避光浸泡48小时。称取0.35g碘化钾、0.035g碘，其溶剂为乙腈与乙二醇体积比为5∶1混合成5mL，磁力搅拌2小时，配置电解液。用同样方法清洗、浸泡碳纳米管薄膜(方块电阻为220Ω/sq，透光率达81％，厚度为300μm)，作为电池对电极。将两电极错开，三面用胶封好，24小时后，滴入电解液，封装第四面，将电池弯折45度，利用电化学工作站、氙灯光源进行测试。测试结果如下：制备的柔性染料敏化太阳能电池在弯折45度后，测得开路电压为5伏、短路电流密度为20.3μA/cm2。
实施例4：
首先，将碳纳米管透明导电薄膜和泡沫镍复合电极(采用喷涂法涂覆在透明塑料膜上的碳纳米管薄膜，方块电阻为220Ω/sq，透光率达81％，碳纳米管透明导电薄膜厚度为300μm；泡沫金属Ni，孔隙率为95％，平均孔径在5000μm，厚度为3mm)，导电基底分别用蒸馏水、丙酮、无水乙醇清洗，自然条件下晾干，待用。将0.025g聚乙二醇、0.08mlOP乳化剂(如：烷基酚聚氧乙烯(10)醚，OP-10)加入1.1ml蒸馏水中，用玻璃棒搅拌，使其充分溶解，并尽量减少气泡，将0.25g二氧化钛(P25，平均粒径20nm)分二次加入，边加入边搅拌，待二氧化钛充分与其他组分混合时，继续搅拌1小时，待二氧化钛成为浆料时，停止搅拌，待用。将清洗并已干燥后的导电基底置于桌面，用透明胶带粘住基底的四周，中间留出约2.5cm×2.5cm的孔隙。将配好的二氧化钛浆料用玻璃棒蘸取，并在基底上滚涂，制成二氧化钛工作电极。将二氧化钛工作电极置于烘箱中，100℃半小时(使二氧化钛与基底充分附着，加强二氧化钛颗粒之间的连接)。配置5×10-4mol/L的N719染料的无水乙醇溶液，作为合成染料。将温度处理后的工作电极置于染料中，避光浸泡48小时。称取0.25g碘化钾、0.025g碘，其溶剂为乙腈与乙二醇体积比为3∶1混合成5mL，磁力搅拌2小时，配置电解液。用同样方法清洗碳纳米管透明导电薄膜(方块电阻为220Ω/sq，透光率达81％，厚度为300μm)，作为电池对电极。将两电极错开，三面用胶封好，24小时后，滴入电解液，封装第四面，将电池弯折90度，利用电化学工作站、氙灯光源进行测试。测试结果如下：制备的柔性染料敏化太阳能电池在弯折90度后，测得开路电压为5.2伏、短路电流密度为17.8μA/cm2。
实施例结果表明，本发明以碳纳米管透明导电薄膜、泡沫金属为基底材料制备柔性DSC，解决传统柔性基底存在的问题。碳材料来源广泛，而且不会对环境造成污染，碳纳米管以连续的形式附着在泡沫金属上，其透光率高、导电性好，在弥补ITO透明导电薄膜的同时适合作为柔性DSC的基底材料；泡沫金属具有金属材料的导电性和热稳定性，其90％以上的孔隙率使其具有非常好的透光性能，尤其是其优良的柔韧性，可以弯折一定角度、制备出各种形状的柔性DSC，以其作为支撑骨架，对于现代建筑外墙建造、传统建筑物节能改造都具有重大意义。

Claims (10)

1.一种异型光伏构件柔性染料敏化太阳能电池，其特征在于，包括导电基底、二氧化钛多孔膜、染料敏化剂、对电极，在电池组成中，以碳纳米管透明导电薄膜和泡沫金属作为复合工作电极导电基底，碳纳米管透明导电薄膜以连续的形式附着于泡沫金属，泡沫金属表面涂覆有二氧化钛多孔膜，染料敏化剂吸附在二氧化钛多孔膜上，以碳纳米管透明导电薄膜为对电极，对电极与导电基底之间注入电解液。
2.按照权利要求1所述的异型光伏构件柔性染料敏化太阳能电池，其特征在于，所述碳纳米管透明导电薄膜基底，采用喷涂法涂覆在透明塑料膜上的碳纳米管薄膜。
3.按照权利要求1所述的异型光伏构件柔性染料敏化太阳能电池，其特征在于，在柔性染料敏化太阳能电池中，其一种导电基底材料为碳纳米管透明导电薄膜，薄膜表面的碳纳米管相互连通，形成交织网络，为电子提供良好的导电通道；碳纳米管透明导电薄膜的方块电阻为200-240Ω/sq，透光率达80-85％，厚度为100-300μm；另一种基底材料为泡沫金属，泡沫金属孔隙率达90％以上，平均孔径在500-5000μm，厚度为1-5mm，泡沫金属为泡沫镍、泡沫铜或泡沫合金。
4.按照权利要求1所述的异型光伏构件柔性染料敏化太阳能电池的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)将导电基底清洗，去除表面污垢和杂质；碳纳米管透明导电薄膜以连续的形式附着于泡沫金属，制成复合工作电极导电基底；
(2)配置二氧化钛浆料，将浆料用玻璃棒滚涂于步骤(1)清洗的导电基底，制成二氧化钛工作电极，在80-100℃温度下处理20-40分钟；
(3)配置染料，将步骤(2)中制得的工作电极浸泡在染料中40-50小时；
(4)配置碘和碘化钾的电解液；
(5)如步骤(1)清洗碳纳米管透明导电薄膜，其方块电阻为200-240Ω/sq，透光率达80-85％，厚度为100-300μm，自然条件下干燥，作为对电极；
(6)完成电池的封装。
5.按照权利要求4所述的异型光伏构件柔性染料敏化太阳能电池的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中，清洗过程分别用蒸馏水、丙酮、无水乙醇清洗。
6.按照权利要求4所述的异型光伏构件柔性染料敏化太阳能电池的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)中，选取聚乙二醇为分散剂、OP乳化剂、二氧化钛颗粒，二氧化钛颗粒平均粒径10-30nm，水为溶剂，聚乙二醇、OP乳化剂、二氧化钛颗粒、水按重量比为0.02-0.04∶0.05-0.2∶0.2-0.4∶1.0-1.5配置二氧化钛浆料；先将聚乙二醇、OP乳化剂加入蒸馏水中，用玻璃棒搅拌，使其充分溶解，并尽量减少气泡，再将二氧化钛分次加入，边加入边搅拌，待二氧化钛充分与其他组分混合时，继续搅拌1-3小时，待二氧化钛成为浆料时，停止搅拌，待用。
7.按照权利要求4所述的异型光伏构件柔性染料敏化太阳能电池的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)中，对于碳纳米管透明、导电薄膜泡沫金属复合工作电极用80-100℃处理。
8.按照权利要求4所述的异型光伏构件柔性染料敏化太阳能电池的制备方法，其特征在于，所述步骤(3)中，选取海棠花叶或绿色植物叶子提取液作为天然染料；或者，以N3染料或N719染料作为合成染料，浓度为4-6×10-4mol/L，以无水乙醇作为溶剂。
9.按照权利要求4所述的异型光伏构件柔性染料敏化太阳能电池的制备方法，其特征在于，所述步骤(4)碘和碘化钾的电解液中，碘的浓度为5-10g/L，碘化钾的浓度为50-80g/L；溶剂为乙腈和叔丁醇混合，按体积比计，乙腈∶叔丁醇为3-5∶1。
10.按照权利要求1所述的异型光伏构件柔性染料敏化太阳能电池的应用，其特征在于，利用可弯折的柔性基底制备形状各异的染料敏化太阳能电池，用于建筑门窗、外墙结构改造或特殊形状建筑物表面。
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