CN103050289B - 聚苯胺透明对电极基双面染料敏化太阳能电池及其制备方法和应用 - Google Patents

聚苯胺透明对电极基双面染料敏化太阳能电池及其制备方法和应用 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种聚苯胺透明对电极基双面染料敏化太阳能电池及其制备方法和应用，具体是以苯胺单体通过电化学或化学聚合在4-氨基苯硫酚改性的FTO或ITO导电玻璃基体上形成透明聚苯胺对电极，通过分光设计制备可双面同时入射的双面染料敏化太阳能电池的方法。本发明充分利用聚苯胺对电极的透光性、导电性和电催化性，并进行合理的分光设计将一束太阳光分为两束光源同时垂直入射光阳极和对电极，本发明的聚苯胺对电极透光率好、电导率高、电催化活性优越，制备方法简便易行、成本低廉、改进空间大，所组装的双面染料敏化太阳能电池中染料的激发率高、激发电子密度大、光电转换效率高。

Description

聚苯胺透明对电极基双面染料敏化太阳能电池及其制备方法和应用
技术领域
本发明属于电子材料技术领域，具体涉及基于聚苯胺透明对电极基的双面染料敏化太阳能电池及其制备方法和应用。
背景技术
染料敏化太阳能电池是一种由二氧化钛光阳极、敏化染料、I-/I3 -电解质和对电极组成的可将太阳能转变为电能的电化学装置。
1991年由瑞士洛桑高等工业学院的Grätzel研究小组以纳米多孔二氧化钛为半导体阳极，Ru络合物为敏化染料，I-/I3 -为氧化还原电解质，铂为对电极组装了染料敏化太阳能电池的原型机，其光电转换效率为7.1％，由此揭开了染料敏化太阳能电池研究的序幕。1997年该电池的光电转换效率已提高至11％。经过15年的努力，研究者们已经成功开发出多种形貌和结构的染料敏化太阳能电池，但效率提高较小，远低于理论值29％。虽然铂对电极具有较高的电催化活性，但资源稀少、价格昂贵，至今仍无法实现商业应用。因此，开发一种价格低廉、重复性好、光电转换效率高的染料敏化太阳能电池成为其得以广泛应用的必要条件。
近年来，有研究采用价格低廉、制备简单、电催化活性好的导电聚合物如聚苯胺做对电极材料，所组装的染料敏化太阳能电池的光电转换效率最高仅为6.5～6.8％。
发明内容
本发明的目的在于提供了基于聚苯胺透明对电极基的双面染料敏化太阳能电池及其制备方法和应用，所述聚苯胺透明对电极成本较低，电导率高，电催化活性好，而且制备方法简便易行，所组装的双面染料敏化太阳能电池的光电转换效率高。
为实现上述发明目的，本发明采用下述技术方案予以实现：
聚苯胺透明对电极基双面染料敏化太阳能电池的制备方法，包括以下步骤：
(1)、将苯胺单体经提纯除去阻聚剂；
(2)、按苯胺单体：掺杂酸水溶液的体积比为1：100～300，在掺杂酸水溶液中将苯胺单体溶解，形成均匀的单体溶液，其中掺杂酸：苯胺单体的摩尔比为1～8：1；
(3)、配制0.01～0.05 M的4-氨基苯硫酚乙醇溶液；将FTO或ITO导电玻璃基体放入0.01～0.05 M的4-氨基苯硫酚乙醇溶液1-8小时，取出后用去离子水洗涤，得到4-氨基苯硫酚改性的FTO或ITO导电玻璃基体；
(4)、在搅拌情况下，向步骤(2)中的单体溶液中放入4-氨基苯硫酚改性的FTO或ITO导电玻璃基体，按苯胺单体：引发剂的摩尔比为1：0.5～1.5的比值加入引发剂，控制反应温度在0～30℃，在搅拌条件下进行聚合反应，反应时间为0.5～6 h，制得聚苯胺对电极，将聚苯胺对电极经洗涤、干燥，得到干燥的聚苯胺透明对电极；
(5)、将二氧化钛胶体涂于FTO或ITO导电玻璃基体上，控制膜厚为5～15 µm，经煅烧制备二氧化钛薄膜；
(6)、将所述二氧化钛薄膜浸入0.2～0.5 mM的染料中形成染料敏化二氧化钛光阳极；
(7)、将步骤(4)制备的聚苯胺透明对电极和步骤(6)制得的染料敏化二氧化钛光阳极组合，并在中间加入电解质组装成双面染料敏化太阳能电池。
其中，所述步骤(2)中的掺杂酸为盐酸、硫酸、硝酸、水杨酸或十二烷基苯磺酸中的一种或几种。
所述步骤(4)中的引发剂为过硫酸钾或过硫酸铵。
所述步骤(5)中经450℃煅烧制备二氧化钛薄膜。
所述步骤(6)中的染料为N719或N3染料。
所述步骤(7)中的电解质由0.01~0.06 M碘、0.08~0.12 M碘化锂、0.4~0.8 M四丁基碘化铵和0.4~0.6 M 4－叔丁基吡啶的乙腈溶液组成。
本发明还提供了以所述的制备方法制得的聚苯胺透明对电极基双面染料敏化太阳能电池。
进一步的，所述太阳能电池的光电转换效率为7.5～8.0％。
本发明还提供了所述的聚苯胺透明对电极基双面染料敏化太阳能电池在作为发电装置中的应用。
具体应用为：将入射太阳光经分光设计分为两束强度均为100 mW·cm-2的太阳光，同时垂直入射聚苯胺对电极和二氧化钛光阳极。
与现有技术相比，本发明的优点和积极效果是：本发明提供了一种聚苯胺透明对电极基双面染料敏化太阳能电池的制备方法，是一种以苯胺单体通过引发剂聚合或电化学聚合并经酸掺杂制备聚苯胺透明对电极的方法，具体是以苯胺单体通过化学或电化学聚合在4-氨基苯硫酚改性的FTO或ITO导电玻璃基体上形成透明聚苯胺对电极，通过分光设计制备可双面同时入射的双面染料敏化太阳能电池的方法。所组装的双面染料敏化太阳能电池经太阳光双面同时照射的光电转换效率为7.5～8.0％。
现有技术中传统的染料敏化太阳能电池是采用阳极单面入射的方法，这种单面透射对对电极是否透明没有要求；而本发明的双面染料敏化太阳能电池需要同时从阳极和对电极同时入射，因此要求对电极必须是透明的，或者至少是半透明的， 本发明充分利用聚苯胺对电极的透光性、导电性和电催化性并进行合理的分光设计，使太阳光同时由光阳极和对电极同时入射，本发明经分光设计将一束光强为100 mW·cm-2的太阳光分为两束可同时垂直照射光阳极和对电极的光源。提高光敏染料的激发率和激发电子密度，从而提高光电转换效率。本发明的聚苯胺对电极透光率好、电导率高、电催化活性优越，制备方法简便易行、成本低廉、改进空间大，所组装的双面染料敏化太阳能电池中染料的激发率高、激发电子密度大、光电转换效率高。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明的技术方案作进一步详细的说明。
实施例1
本发明所述聚苯胺透明对电极基双面染料敏化太阳能电池的制备方法包括以下步骤：
1、苯胺单体的纯化：采用化学纯苯胺单体的纯化，经真空减压蒸馏或吸附提纯除去阻聚剂。
2、苯胺单体溶液的制备：按苯胺单体：掺杂酸水溶液的体积比为1：250，在掺杂酸水溶液中将苯胺单体溶解，形成均匀的单体溶液，其中掺杂酸：苯胺单体的摩尔比为1～3：1。
3、配制0.03 M的4-氨基苯硫酚乙醇溶液；将FTO或ITO导电玻璃基体放入0.03 M的4-氨基苯硫酚乙醇溶液2小时，取出后用去离子水洗涤，得到4-氨基苯硫酚改性的FTO或ITO导电玻璃基体；
4、聚苯胺透明对电极的制备：在搅拌情况下，向上述单体溶液中放入4-氨基苯硫酚改性的FTO或ITO导电玻璃基体，并按苯胺单体：引发剂的摩尔比为1：1的比值加入引发剂，控制反应温度在0～30℃，在搅拌条件下让聚合反应进行，反应时间为5 h，经洗涤、干燥，得到干燥的聚苯胺透明对电极。
5、二氧化钛薄膜的制备：将溶胶－凝胶法制备的二氧化钛胶体涂于FTO或ITO导电玻璃基体上，控制膜厚为10 µm，经450℃煅烧30 min，制备二氧化钛薄膜。
6、染料敏化二氧化钛光阳极的制备：将二氧化钛薄膜浸入0.3 mM的N719染料中24 h形成染料敏化二氧化钛光阳极。
7、双面染料敏化太阳能电池的组装：将步骤4和6制备的聚苯胺对电极和染料敏化二氧化钛光阳极组合，并在中间加入电解质组装成双面染料敏化太阳能电池。
对双面染料敏化太阳能电池的测试：将光强为100 mW·cm-2的入射太阳光经分光设计分为两束强度均为100 mW·cm-2的太阳光同时入射太阳能电池的聚苯胺透明对电极和二氧化钛光阳极，按照染料敏化太阳能电池的标准方法进行测试。
通过上述方法，可获得开路电压为720～730 mV，短路电流为16～17 mA·cm-2，填充因子为0.6～0.7，光电转换效率为7.5～8.0％的聚苯胺透明对电极基双面染料敏化太阳能电池。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其进行限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的普通技术人员来说，依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明所要求保护的技术方案的精神和范围。

Claims (7)

1.聚苯胺透明对电极基双面染料敏化太阳能电池的制备方法，其特征在于包括以下步骤：
(1)、将苯胺单体经提纯除去阻聚剂；
(2)、按苯胺单体：掺杂酸水溶液的体积比为1：100～300，在掺杂酸水溶液中将苯胺单体溶解，形成均匀的单体溶液，其中掺杂酸：苯胺单体的摩尔比为1～8：1；所述掺杂酸为硫酸、硝酸、水杨酸或十二烷基苯磺酸中的一种或几种；
(3)、配制0.01～0.05 M的4-氨基苯硫酚乙醇溶液；将FTO或ITO导电玻璃基体放入0.01～0.05 M的4-氨基苯硫酚乙醇溶液1-8小时，取出后用去离子水洗涤，得到4-氨基苯硫酚改性的FTO或ITO导电玻璃基体；
(4)、在搅拌情况下，向步骤(2)中的单体溶液中放入4-氨基苯硫酚改性的FTO或ITO导电玻璃基体，按苯胺单体：引发剂的摩尔比为1：0.5～1.5的比值加入引发剂，控制反应温度在0～30℃，在搅拌条件下进行聚合反应，反应时间为0.5～6 h，制得聚苯胺对电极，将聚苯胺对电极经洗涤、干燥，得到干燥的聚苯胺透明对电极；
(5)、将二氧化钛胶体涂于FTO或ITO导电玻璃基体上，控制膜厚为5～15 µm，经煅烧制备二氧化钛薄膜；
(6)、将所述二氧化钛薄膜浸入0.2～0.5 mM的染料中形成染料敏化二氧化钛光阳极；
(7)、将步骤(4)制备的聚苯胺透明对电极和步骤(6)制得的染料敏化二氧化钛光阳极组合，并在中间加入电解质组装成双面染料敏化太阳能电池，所述电解质由0.01~0.06 M碘、0.08~0.12 M碘化锂、0.4~0.8 M四丁基碘化铵和0.4~0.6 M 4－叔丁基吡啶的乙腈溶液组成。
2.根据权利要求1所述的聚苯胺透明对电极基双面染料敏化太阳能电池的制备方法，其特征在于：所述步骤(4)中的引发剂为过硫酸钾或过硫酸铵。
3.根据权利要求1所述的聚苯胺透明对电极基双面染料敏化太阳能电池的制备方法，其特征在于：所述步骤(5)中经450℃煅烧制备二氧化钛薄膜。
4.根据权利要求1所述的聚苯胺透明对电极基双面染料敏化太阳能电池的制备方法，其特征在于：所述步骤(6)中的染料为N719或N3染料。
5.根据权利要求1-4任一项所述的制备方法制得的聚苯胺透明对电极基双面染料敏化太阳能电池。
6.根据权利要求5所述的聚苯胺透明对电极基双面染料敏化太阳能电池，其特征在于：所述太阳能电池的光电转换效率为7.5～8.0％。
7.根据权利要求5所述的聚苯胺透明对电极基双面染料敏化太阳能电池在作为发电装置中的应用，其特征在于：将入射太阳光经分光设计分为两束强度均为100 mW•cm-2的太阳光，同时垂直入射聚苯胺对电极和二氧化钛光阳极。
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