CN102610395A - 柔性塑料基底的染料敏化太阳能电池光阳极的制备方法 - Google Patents

柔性塑料基底的染料敏化太阳能电池光阳极的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种柔性塑料基底的染料敏化太阳能电池光阳极的制备方法，包括：(1)将镀有铟锡氧化物导电层的塑料薄膜超声清洗；(2)将纳米氧化物颗粒分散到溶剂中，手工研磨或机械球磨，制备成纳米氧化物浆料；(3)采用刮涂或旋涂的方法，将上述纳米氧化物浆料均匀涂覆到经过预处理的塑料基底的表面，在室温下自然晾干后形成氧化物薄膜，得到涂覆有氧化物颗粒的塑料薄膜；(4)将上述涂覆有氧化物颗粒的塑料薄膜放入密封的模具中，抽真空，然后将模具采用冷等静压技术处理，即得。本发明利用冷等静压技术对氧化物薄膜施压，使氧化物薄膜与塑料基底结合得更好；本发明的工艺路线短，有批量化生产的前景。

Description

柔性塑料基底的染料敏化太阳能电池光阳极的制备方法
技术领域
本发明属于染料敏化太阳能电池的制备领域，特别涉及一种柔性塑料基底的染料敏化太阳能电池光阳极的制备方法。
背景技术
1991年瑞士联邦高等工业学院(EPFL)的
Figure BDA0000154081560000011
等制备了一种类似于植物光合作用原理的新型太阳能电池，称为染料敏化纳米晶太阳能电池(Dye-Sensitized Solar Cells，DSSCs)。由于其成本低廉、原材料来源广泛、制备工艺简单、光电转化效率较高，因而以后将有可能取代硅太阳能电池得到广泛应用。
传统的DSSCs是将纳米氧化物浆料涂覆到镀有铟锡金属氧化物导电层的玻璃(FTO或ITO)上，经过400～500℃的高温烧结得到多孔薄膜。以玻璃为基板的DSSCs存在易碎、重量大和价格高的问题。为了解决这些问题，人们开发了柔性DSSC。柔性DSSCs以轻质的塑料薄膜或金属箔为基板，然而由于金属箔不透光，使得电池需从对电极一面受光，光线依次通过对电极和电解液时有一部分太阳光被损耗掉，降低了电池效率。因此开发可以正面透光、轻质、柔性的塑料基底的染料敏化太阳能电池具有重要意义。
基于柔性塑料基底的染料敏化太阳能电池面临的最大问题是塑料基底受热温度必须控制在150℃以下，并不能像玻璃基底一样承受400～500℃的烧结温度。因此需要采用其他办法成膜，例如：Zhang等人将P25纳米TiO2颗粒分散在TiCl4、TiOSO4或TTIP前驱物分子的水或乙醇溶液中制成TiO2浆糊，在柔性的塑料导电衬底上制备TiO2膜，自然晾干后放入100℃的高压釜中用水蒸气进行12h的水热处理，制得柔性电极，用这种电极组装的柔性DSSCs的光电转换效率达2.5％(Zhang，D.S.，et al.Adv.Funct.Mater.，2006，16，1228.)。Miyasaka等用电泳沉积法，将塑料薄膜基板放在持续35～36V的直流电场中低温制备了TiO2膜，但这种方法制备的薄膜表面有大量裂纹，影响最终电池的性能(Miyasaka，T.，et al.J.Electrochem.Soc.，2004，151，1767.)。Murakami等先用电泳法在ITO-PET基板上沉积无黏合剂TiO2薄膜，之后将其置于钛酸异丙酯中进行化学气相沉积(CVD)对裂纹处理，产生新的TiO2粒子，使电泳法制备的薄膜中TiO2颗粒之间的网络连接更好。随后在低于110℃的条件下进行紫外辐照处理，相应的电池光电转换效率达3.18％(Murakami，T.N.，et al.J.Photoch.Photobio.A.，2004，164，187.)。但以上几种低温制备氧化物薄膜的工艺过于复杂，很难得到规模化应用。
机械加压法也可用于制备柔性塑料基底的染料敏化太阳能电池光阳极，生产条件简单。瑞典Uppsala大学的Hagfeldt教授首次将加压法引入到柔性塑料基底的染料敏化太阳能电池光阳极制备过程中来。他们将P25纳米粉分散到乙醇中制成浆料，然后在室温下把浆料涂到柔性基底上，通过辊轧的方法成膜，他们这种柔性光阳极组装成电池后在0.1个太阳下可以得到4.9％的效率，但是在1个太阳光下电池效率会大幅下滑(Lindstrom，H.，et al.Nano Lett.，2001，1，97.)。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种柔性塑料基底的染料敏化太阳能电池光阳极的制备方法，该方法采用冷等静压技术对氧化物薄膜施压，使氧化物薄膜紧密、均匀的附着在塑料基底表面，工艺路线简便，而且可以批量化生产，具有产业化应用的前景。
本发明的一种柔性塑料基底的染料敏化太阳能电池光阳极的制备方法，包括：
(1)将镀有铟锡氧化物导电层的塑料薄膜依次用洗涤剂、去离子水、无水乙醇分别超声清洗5～15分钟，烘干，得到经过预处理的塑料基底；
(2)将纳米氧化物颗粒分散到溶剂中，手工研磨或机械球磨2～12小时，制备成质量分数为10～40％的均匀的纳米氧化物浆料；
(3)将步骤(1)得到的塑料薄膜经过预处理，得到预处理后的塑料薄膜；然后采用刮涂或旋涂的方法，将上述纳米氧化物浆料均匀涂覆到预处理后的塑料薄膜的表面，在室温下自然晾干后形成氧化物薄膜，得到涂覆有氧化物颗粒的塑料薄膜；
(4)将上述涂覆有氧化物颗粒的塑料薄膜放入密封的模具中，抽真空，然后将模具采用冷等静压技术处理，施加50～200兆帕的压强，保压时间为30～120秒，即得到基于塑料基底的柔性染料敏化太阳能电池光阳极。
所述步骤(1)中的塑料薄膜为透明或半透明的聚对苯二甲酸乙二醇酯塑料薄膜、聚萘二甲酸乙二醇酯塑料薄膜或聚酰亚胺薄膜。
所述步骤(2)中的纳米氧化物颗粒为氧化钛纳米颗粒、氧化锌纳米颗粒、氧化钨纳米颗粒、氧化铌纳米颗粒、氧化铝纳米颗粒或氧化镉纳米颗粒。
所述步骤(2)中的溶剂为水、乙醇、丙酮中的一种或几种的混合溶剂。
所述步骤(3)中的预处理为紫外-臭氧处理或等离子处理。
所述步骤(3)中的氧化物薄膜的厚度为2～20微米。
利用机械加压或对辊机施压得到的氧化物薄膜不均匀，因此得到的柔性染料敏化太阳能电池效率不高，而采用等静压技术可以解决这个问题。等静压工作原理为帕斯卡定律：“在密闭容器内的介质(液体或气体)压强，可以向各个方向均等地传递。”冷等静压成型是将待压试样置于高压容器中，在常温下，利用液体介质不可压缩的性质和均匀传递压力的性质从各个方向对试样进行均匀加压，其压强大小不变且均匀地传递到各个方向。因此本发明用冷等静压技术对涂覆过氧化物薄膜的塑料基底施压，可以得到致密、均匀的柔性染料敏化太阳能电池光阳极。
冷等静压利用液体介质不可压缩的性质和均匀传递压力的性质从各个方向对试样进行均匀加压，可以得到更均匀的氧化物薄膜，进而提高柔性染料敏化太阳能电池的效率。
本发明在清洗好的并经过预处理的导电塑料基底表面涂覆一层纳米氧化物浆料，待其自然晾干后将整个塑料薄膜放入密封的模具中，抽真空，然后将模具置于冷等静压机的液压油中，施加一定的压强和保压时间，氧化物薄膜便可紧密、均匀的结合在塑料基底表面，即可得到基于塑料基底的柔性染料敏化太阳能电池光阳极。
有益效果
(1)本发明的工艺路线短，操作简单，冷等静压可以一次性对大量样品施压，具有批量化生产的前景；
(2)本发明利用冷等静压技术对氧化物薄膜施压，相对于机械加压和对辊加压，它可以施加高达200兆帕的压力，从而使氧化物薄膜与塑料基底结合的更好，得到的电池的光电转换效率较高。
附图说明
图1为实施例1中基于柔性塑料基底的染料敏化太阳能电池光阳极的数码照片；
图2为实施例1中柔性光阳极的场发射扫描电镜图；
图3为实施例1中基于柔性塑料基底的染料敏化太阳能电池的电流-电压曲线；
图4为实施例2中基于柔性塑料基底的染料敏化太阳能电池的电流-电压曲线。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
实施例1
(1)将镀有铟锡氧化物导电层的聚对苯二甲酸乙二醇酯薄膜(ITO-PET)依次用洗涤剂、去离子水、无水乙醇分别超声清洗10分钟，烘干备用。
(2)将纳米氧化钛颗粒分散到乙醇溶剂中，机械球磨12小时，制备成质量分数为30％的均匀浆料；
(3)将步骤(1)得到的清洗后的塑料基底经过等离子预处理，然后采用刮涂的方法，将纳米氧化钛的浆料均匀涂覆到的塑料基底表面，在室温下自然晾干后形成薄膜；
(4)将涂覆有氧化钛的塑料薄膜放入密封的模具中，抽真空，然后将模具置于冷等静压机的液压油中，施加150兆帕的压强，保压时间为60秒，将塑料薄膜从模具中取出来，即可得到基于塑料基底的柔性染料敏化太阳能电池光阳极。图1为所得柔性光阳极的数码照片，图2为柔性光阳极的场发射扫描电镜图，图3为将其组装成电池后的电流-电压曲线。
实施例2
(1)将镀有铟锡氧化物导电层的聚对苯二甲酸乙二醇酯薄膜(ITO-PET)依次用洗涤剂、去离子水、无水乙醇分别超声清洗15分钟，烘干备用；
(2)将纳米氧化钛颗粒分散到水溶液中，手工研磨2小时，制备成质量分数为10％的均匀浆料；
(3)将步骤(1)得到的清洗后的塑料基底经过离子处理，然后采用旋涂的方法，将纳米氧化钛的浆料均匀涂覆到塑料基底的表面，在室温下自然晾干后形成薄膜；
(4)将涂覆有氧化钛的塑料薄膜放入密封的模具中，抽真空，然后将模具置于冷等静压机的液压油中，施加50兆帕的压强，保压时间为120秒，将塑料薄膜从模具中取出来，即可得到基于塑料基底的柔性染料敏化太阳能电池光阳极。图4为将其组装成电池后的电流-电压曲线。
实施例3
(1)将镀有铟锡氧化物导电层的聚萘二甲酸乙二醇酯塑料薄膜(ITO-PEN)依次用洗涤剂、去离子水、无水乙醇分别超声清洗15分钟，烘干备用；
(2)将纳米氧化锌颗粒分散到丙酮中，机械球磨10小时，制备成质量分数为20％的均匀浆料；
(3)将步骤(1)得到的清洗后的塑料基底经过紫外-臭氧预处理，然后采用刮涂的方法，将纳米氧化锌的浆料均匀涂覆到的塑料基底的表面，在室温下自然晾干后形成氧化物薄膜；
(4)将涂覆有氧化物的塑料薄膜放入密封的模具中，抽真空，然后将模具置于冷等静压机的液压油中，施加200兆帕的压强，保压时间为30秒，将塑料薄膜从模具中取出来，即可得到基于塑料基底的柔性染料敏化太阳能电池光阳极。

Claims (6)

1.一种柔性塑料基底的染料敏化太阳能电池光阳极的制备方法，包括：
(1)将镀有铟锡氧化物导电层的塑料薄膜依次用洗涤剂、去离子水、无水乙醇分别超声清洗5～15分钟，烘干；
(2)将纳米氧化物颗粒分散到溶剂中，手工研磨或机械球磨2～12小时，制备成质量分数为10～40％的均匀的纳米氧化物浆料；
(3)将步骤(1)得到的塑料薄膜经过预处理，得到预处理后的塑料薄膜；然后采用刮涂或旋涂的方法，将上述纳米氧化物浆料均匀涂覆到预处理后的塑料薄膜的表面，在室温下自然晾干后形成氧化物薄膜，得到涂覆有氧化物颗粒的塑料薄膜；
(4)将上述涂覆有氧化物颗粒的塑料薄膜放入密封的模具中，抽真空，然后将模具采用冷等静压技术处理，施加50～200兆帕的压强，保压时间为30～120秒，即得。
2.根据权利要求1所述的一种柔性塑料基底的染料敏化太阳能电池光阳极的制备方法，其特征在于：所述步骤(1)中的塑料薄膜为聚对苯二甲酸乙二醇酯塑料薄膜、聚萘二甲酸乙二醇酯塑料薄膜或聚酰亚胺薄膜。
3.根据权利要求1所述的一种柔性塑料基底的染料敏化太阳能电池光阳极的制备方法，其特征在于：所述步骤(2)中的纳米氧化物颗粒为氧化钛纳米颗粒、氧化锌纳米颗粒、氧化钨纳米颗粒、氧化铌纳米颗粒、氧化铝纳米颗粒或氧化镉纳米颗粒。
4.根据权利要求1所述的一种柔性塑料基底的染料敏化太阳能电池光阳极的制备方法，其特征在于：所述步骤(2)中的溶剂为水、乙醇、丙酮中的一种或几种的混合溶剂。
5.根据权利要求1所述的一种柔性塑料基底的染料敏化太阳能电池光阳极的制备方法，其特征在于：所述步骤(3)中的预处理为紫外-臭氧处理或等离子处理。
6.根据权利要求1所述的一种柔性塑料基底的染料敏化太阳能电池光阳极的制备方法，其特征在于：所述步骤(3)中的氧化物薄膜的厚度为2～20微米。
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