CN102956356A - 一种快速制备大面积染料敏化太阳能电池的装置及方法 - Google Patents

Abstract

一种快速制备大面积染料敏化太阳能电池的装置及方法。本发明涉及新能源领域中的染料敏化太阳能电池制造工艺的优化。染敏电池研究中目前亟待解决的一个关键问题就是光电转化效率和电池稳定性都因制备方法不同而明显不同，这严重地制约了它的工业化生产与大规模应用。本发明提出一种基于静电雾化原理的喷射沉积方法制备染敏薄膜电池，即利用静电喷射技术结合计算机自动控制模拟印刷的方式在各种衬底材料上直接堆叠组装形成薄膜电池模块，通过优化相关工艺参数可以获得高质量大面积染料敏化薄膜电池，它能够克服丝网印刷法制备电极薄膜所导致的栅线断线、短路和波浪网纹等缺陷，以及磁控溅射镀膜太致密不均匀的缺点。

Description

一种快速制备大面积染料敏化太阳能电池的装置及方法

技术领域

本发明涉及一种快速制备大面积染料敏化太阳能电池的方法，具体涉及将静电喷镀技术和伺服电机驱动设备相结合的自动喷镀加工平台，并利用其快速制备大面积染料敏化太阳能电池。

背景技术

自1991年,瑞士洛桑高等工业学院的Gratzel研究小组研制出一种纳米晶染料敏化太阳能电池,一举突破了光电转化效率7%。染料敏化太阳能电池(Dye-Sensitized Solar Cells,简称DSSC)受到各国学者和专家的重视，近年来其研究发展特别迅速。2011年Gratzel研究小组又将太阳能电池的光电转化效率提高到了12.3%，这样的性能现在可媲美硅础太阳能电池板，但是至今由于DSC自身的原因，致使很多研究者一直停留在小面积的电池研究中，使其难以走上工业化。目前，大面积DSSC制备方法主要有丝网印刷法和磁控溅射法，丝网印刷法制备TiO₂薄膜的工艺过程中扩散、钝化、印刷和烧结各个环节还存在很多问题，例如栅线断线、过刻、堵孔、短路和波浪网纹等问题。而磁控溅射得到的TiO₂薄膜太致密，孔隙率相对较低且分布不均匀，不利于染料分子的吸附。

发明内容

发明目的：为了克服丝网印刷法制备TiO₂薄膜所导致的栅线断线、短路和波浪网纹等缺陷，以及磁控溅射镀膜太致密不均匀的缺点，本发明专利是将静电喷镀技术和伺服电机驱动设备相结合的自动喷镀平台，不仅能够喷镀出均匀的TiO₂多孔薄膜，而且可以喷镀出不同大小形状薄膜，以便于染料敏化太阳能电池走向工业化。

本发明提供了一种快速制备大面积染料敏化太阳能电池的装置及方法，所述的装置包括静电喷镀自组装装置和伺服电机驱动装置。

所述的静电喷镀自组装装置，包括CCD工业摄像机、高压直流稳压稳流电源、注射泵、加热器、雾化喷嘴、环形电极、导管和铁杆，将雾化喷嘴和环形电极固定在铁杆上，上下距离为3cm，CCD工业摄像机的镜头与雾化喷嘴的不锈钢毛细管等水平，高压直流稳压稳流电源的正极接线头连接在雾化喷嘴上，负极连接环形电极，中间形成一个稳定的电场，导管一端连接环形电极上面的不锈钢毛细管，另一端连接注射器，将注射器安装在注射泵上，加热器放在环形电极下方10cm，整个静电喷镀自组装装置即组装完成。

所述的伺服电机驱动装置，以MPC08卡软件和伺服电机驱动为部件，MPC08卡软件用于编写要喷镀薄膜形状的程序，伺服电机驱动是执行MPC08软件的输出命令进行平动。

本发明的自动喷镀加工平台，是以静电喷镀自组装装置和伺服电机驱动装置为部件，将静电喷镀自组装装置固定到，伺服电机驱动装置的中轴上，在平动时可进行连续喷镀。本发明的图1和图2的结合就是自动喷镀加工平台，将自动喷镀加工平台的纵向轴定义为X 轴，横向轴定义为Y轴，静电自组装装置固定Y轴上，可进行连续喷镀。

本发明所述的方法如下：

1.导电玻璃的清洗：对切割好的导电玻璃用蒸馏水、无水乙醇、丙酮依次超声波清洗30min，晾干备用。

2. 铂栅电极：用注射器以5μl/s滴加氯铂酸溶液滴在清洗好的FTO（100mm×120mm）导电玻璃侧边上，放入马弗炉中在400℃下加热30min，取出用无水乙醇清。

3．TiO₂浆料的制备：浆料采用P25、无水乙醇、OP乳化剂、乙酰丙酮、PEG2000以20:1:1:4的比例混合，在磁力搅拌器上磁力搅拌1小时，静置10分钟备用。

4. 静电喷镀TiO2薄膜：将TiO₂浆料吸入10ml注射器，并安装在注射泵上，设置流量为0.5ml/min，开启CCD工业摄像机，调节高压直流稳压稳流电源，当射流模式由低落模式变为锥-射模式（图3），把清洗好的导电玻璃放在环形电极下，调节加热器的温度为70℃，可开启MPC08卡软件，打开提前编写好的程序，开始自动喷镀镀膜。随后将喷镀好的TiO2薄膜放入马弗炉，在450 ℃下加热30min。图4和图5为经过热处理之后的TiO₂薄膜，图5中8条TiO₂薄膜，被铂栅电极并联起来，以提高电流和降低电阻。

5. TiO₂薄膜在N719染料的浸泡吸附：将经过热处理的TiO₂薄膜加热到80℃，随后放入摩尔浓度为4×10-4mol/L的N719的无水乙醇溶液中浸泡24 h，取出，用无水乙醇清洗未浸泡好的染料。

铂对电极：用注射器以5μl/s滴加氯铂酸溶液在清洗好的FTO（100mm×120mm）导电玻璃上，放入马弗炉中在400℃下加热30min，取出用无水乙醇清洗。

6.       电池的封装：将PE保鲜膜裁剪成凹形，在制备好的光阳极的导电玻璃的三边上滴加微量的无水乙醇，随后将裁剪好的PE保鲜膜贴在三边上，再利用“三明治”的形式对电池进行封装，将封装好的电池用夹子夹住，放在恒温磁力搅拌器上在100℃上加热30min，电池三边便封装密实。

7.       电解质的灌注：用注射器抽取2ml的电解质溶液，在未封装的一边注入电解质溶液，当电解质充满整个电池为止，最后用PE保鲜膜对电池进行封装。

8.        电池光电性能测试：采用的是日本SAN-EI三永公司的XES-40S1型太阳光模拟器和美国吉时利公司的2400型数字源表，采用两线法测试电池的光电性能，电位扫描区间为0 ~3V，扫描速率为5mV/s，测试在光照为100mW/cm²强度下进行。表1为实施例中测得的光电性能指标。

所述的二氧化钛（TiO₂）浆料，包括TiO₂浆料的成分和配合比，其主要特征是P25（TiO₂，尺寸为30nm左右）、聚乙二醇2000、OP乳化剂、乙酰丙酮的比例为20:4:1:1,此比例粘度适宜，经过静电喷镀到导电玻璃(100mm×120mm)上，在加热器加热到70℃，正好形成所需要的TiO₂薄膜形状.

预喷射薄膜形状程序的编写，喷镀条形（60mm×6mm）TiO₂薄膜程序为

   （X=12000，V=20000）        （X=60mm ,V=2mm/s)  

   （Y=4000，V=20000）          (Y=2mm,V=2mm/s)

    (X=-120000,V=20000)           (X=-60mm,V=2mm/s)

   （X=6000mm，V=20000)        （X=3mm，V=2mm/s)

伺服电机驱动是以脉冲的形式进行输出驱动1个脉冲是0.5μm，将上述程序设置为8个循环即可喷镀出8条尺寸为60mm×6mm的TiO₂薄膜。

铂栅电极，将每条电池并联起来，可提高整个电池的干路电流，降低电池的电阻，铂栅电极的制备是将氯铂酸（浓度为5×10^-4mol/L）的异丙醇溶液用5ml的注射器滴加在导电玻璃上，利用热解法形成电阻为8~10Ω/□的条形（1cm×6cm）通明的铂栅电极。

电池的封装，将PE保鲜膜裁剪成凹形，在制备好的光阳极的导电玻璃的三边上滴加微量的无水乙醇，随后将裁剪好的PE保鲜膜贴在三边上，再利用“三明治”的形式对电池进行封装，将封装好的电池用夹子夹住，放在恒温磁力搅拌器上在100℃上加热30min，电池三边便封装密实。

本发明的有益效果是，可以数控计算机程序准确地喷镀出所需要的TiO₂多孔薄膜。是一种全自动的理想镀膜装置，无需手工操作且制备工艺简单。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明: 

图1为静电喷镀自组装装置；

图2为伺服电机驱动设备；

图3为锥-射模式；

图4为条形TiO₂薄膜（尺寸为7×6mm×6mm)；

图5为条形TiO2薄膜（尺寸为8×60mm×6mm)；

图6为条形TiO2薄膜内部串联。

具体实施方式

1. 导电玻璃的清洗：对切割好的导电玻璃用蒸馏水、无水乙醇、丙酮依次超声波清洗30min，晾干备用。

2. 铂栅电极：用注射器以5μl/s滴加氯铂酸溶液滴在清洗好的FTO（100mm×120mm）导电玻璃侧边上，放入马弗炉中在400℃下加热30min，取出用无水乙醇清。

3．TiO₂浆料的制备：浆料采用P25、无水乙醇、OP乳化剂、乙酰丙酮、PEG2000以20:1:1:4的比例混合，在磁力搅拌器上磁力搅拌1小时，静置10分钟备用。

4. 静电喷镀TiO2薄膜：将TiO₂浆料吸入10ml注射器，并安装在注射泵上，设置流量为0.5ml/min，开启CCD工业摄像机，调节高压直流稳压稳流电源，当射流模式由低落模式变为锥-射模式（图3），把清洗好的导电玻璃放在环形电极下，调节加热器的温度为70℃，可开启MPC08卡软件，打开提前编写好的程序，开始自动喷镀镀膜。随后将喷镀好的TiO2薄膜放入马弗炉，在450 ℃下加热30min。图4和图5为经过热处理之后的TiO₂薄膜，图5中8条TiO₂薄膜，被铂栅电极并联起来，以提高电流和降低电阻。

5. TiO₂薄膜在N719染料的浸泡吸附：将经过热处理的TiO₂薄膜加热到80℃，随后放入摩尔浓度为4×10-4mol/L的N719的无水乙醇溶液中浸泡24 h，取出，用无水乙醇清洗未浸泡好的染料。

铂对电极：用注射器以5μl/s滴加氯铂酸溶液在清洗好的FTO（100mm×120mm）导电玻璃上，放入马弗炉中在400℃下加热30min，取出用无水乙醇清洗。

6.       电池的封装：将PE保鲜膜裁剪成凹形，在制备好的光阳极的导电玻璃的三边上滴加微量的无水乙醇，随后将裁剪好的PE保鲜膜贴在三边上，再利用“三明治”的形式对电池进行封装，将封装好的电池用夹子夹住，放在恒温磁力搅拌器上在100℃上加热30min，电池三边便封装密实。

7.   电解质的灌注：用注射器抽取2ml的电解质溶液，在未封装的一边注入电解质溶液，当电解质充满整个电池为止，最后用PE保鲜膜对电池进行封装。

8.    电池光电性能测试：采用的是日本SAN-EI三永公司的XES-40S1型太阳光模拟器和美国吉时利公司的2400型数字源表，采用两线法测试电池的光电性能，电位扫描区间为0 ~3V，扫描速率为5mV/s，测试在光照为100mW/cm²强度下进行。表1为实施例中测得的光电性能指标。

 表1电池串联的性能参数

电池尺寸	开路电压(Voc)	短路电流（Isc）	填充因子（FF）	效率（η）
					3×10mm×32mm	2.95v	3.390mA	14.65	3.712％

Claims (10)

1.一种快速制备大面积染料敏化太阳能电池的装置，其特征在于，包括静电喷镀自组装装置和伺服电机驱动装置。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，将静电喷镀自组装装置固定到，伺服电机驱动装置的中轴上，在平动时可进行连续喷镀。

3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述的静电喷镀自组装装置，包括CCD工业摄像机、高压直流稳压稳流电源、注射泵、加热器、雾化喷嘴、环形电极、导管和铁杆，将雾化喷嘴和环形电极固定在铁杆上，上下距离为3cm，CCD工业摄像机的镜头与雾化喷嘴的不锈钢毛细管等水平，高压直流稳压稳流电源的正极接线头连接在雾化喷嘴上，负极连接环形电极，中间形成一个稳定的电场，导管一端连接环形电极上面的不锈钢毛细管，另一端连接注射器，将注射器安装在注射泵上，加热器放在环形电极下方10cm，整个静电喷镀自组装装置即组装完成。

4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述的伺服电机驱动装置是以MPC08卡软件和伺服电机驱动为部件，MPC08卡软件用于编写要喷镀薄膜形状的程序，伺服电机驱动是执行MPC08软件的输出命令进行平动。

5.一种快速制备大面积染料敏化太阳能电池的方法，其特征在于，包括如下步骤：

（1）导电玻璃的清洗：对切割好的导电玻璃用蒸馏水、无水乙醇、丙酮依次超声波清洗30min，晾干备用；

（2）铂栅电极：用注射器以5μl/s滴加氯铂酸溶液滴在清洗好的FTO导电玻璃侧边上，放入马弗炉中在400℃下加热30min，取出用无水乙醇清；

（3）二氧化钛TiO₂浆料的制备：浆料采用P25、无水乙醇、OP乳化剂、乙酰丙酮、PEG2000以20:1:1:1：4的比例混合，在磁力搅拌器上磁力搅拌1小时，静置10分钟备用；

（4）静电喷镀TiO2薄膜：将TiO₂浆料吸入10ml注射器，并安装在注射泵上，设置流量为0.5ml/min，开启CCD工业摄像机，调节高压直流稳压稳流电源，当射流模式由低落模式变为锥-射模式，把清洗好的导电玻璃放在环形电极下，调节加热器的温度为70℃，可开启MPC08卡软件，打开提前编写好的程序，开始自动喷镀镀膜，随后将喷镀好的TiO2薄膜放入马弗炉，在450 ℃下加热30min；

（5）TiO₂薄膜在N719染料的浸泡吸附：将经过热处理的TiO₂薄膜加热到80℃，随后放入摩尔浓度为4×10-4mol/L的N719的无水乙醇溶液中浸泡24 h，取出，用无水乙醇清洗未浸泡好的染料；

铂对电极：用注射器以5μl/s滴加氯铂酸溶液在清洗好的FTO导电玻璃上，放入马弗炉中在400℃下加热30min，取出用无水乙醇清洗；

( 6 ) 电池的封装：将PE保鲜膜裁剪成凹形，在制备好的光阳极的导电玻璃的三边上滴加微量的无水乙醇，随后将裁剪好的PE保鲜膜贴在三边上，再利用“三明治”的形式对电池进行封装，将封装好的电池用夹子夹住，放在恒温磁力搅拌器上在100℃上加热30min，电池三边便封装密实; 

（7）电解质的灌注：用注射器抽取2ml的电解质溶液，在未封装的一边注入电解质溶液，当电解质充满整个电池为止，最后用PE保鲜膜对电池进行封装；

（8）电池光电性能测试。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述的二氧化钛浆料，优选 P25、聚乙二醇2000、OP乳化剂、乙酰丙酮的比例为20:4:1:1。

7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，步骤（5）中N719染料的制备如下：将50mg的N719染料倒入200ml的烧杯中，用量筒量取20ml的无水乙醇，然后倒入烧杯中，超声波5分钟；超声波之后静置5分钟，重复5次；放入磁子在磁力搅拌器上搅拌12小时，将溶液倒入清洗好的棕色瓶中，避光保存。

8.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述的电解质是KI/I₂的乙睛溶液，用量筒量取4ml乙腈和1ml乙二醇溶液倒入烧杯中，用电子天平精确称量0.4122gKI、0.063gI₂倒入烧杯中，经过磁力避光搅拌30min，待用，最终得到KI0.5mol/L、I₂O.05mol/L的液态电解质。

9.根据要求5所述的方法，其特征在于，电池内部串联和外部并联，内部串联即为通过自动喷镀平台喷镀出每个条形电池串联的形状，以便于提高电压；外部并联即为通过铂栅电极将每个条形电池并联以便于提高电路电流，降低电阻；并通过热解法制备铂电极，用注射器以5μl/s滴加氯铂酸溶液在清洗好的FTO导电玻璃上，放入马弗炉中在400℃下加热30min，取出用无水乙醇清洗。

10.根据权利要求5所述的方法，其特征在于， 预喷射薄膜形状程序的编写，喷镀条形6cm×0.6cmTiO₂薄膜程序为：

   X=12000，V=20000        X=60mm ,V=2mm/s  

   Y=4000，V=20000         Y=2mm,V=2mm/s

   X=-120000,V=20000          X=-60mm,V=2mm/s

   X=6000mm，V=20000        X=3mm，V=2mm/s

伺服电机驱动是以脉冲的形式进行输出驱动1个脉冲是0.5μm，将上述程序设置为8个循环即可喷镀出8条尺寸为60mm×6mm的TiO₂薄膜。

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