CN103165288A - 一种染料敏化太阳能电池的对电极、其制备方法、染料敏化太阳能电池及其制备方法 - Google Patents

一种染料敏化太阳能电池的对电极、其制备方法、染料敏化太阳能电池及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于太阳能电池领域，其公开了一种染料敏化太阳能电池的对电极、其制备方法、染料敏化太阳能电池及其制备方法；该对电极包括阴极导电基板以及覆盖在阴极导电基板表面的碳活性层，所述碳活性层的材质包括碳黑、二氧化钛溶胶以及表面活性剂，且碳黑、二氧化钛溶胶以及表面活性剂按照1∶0.5～2∶0.1～0.5的重量比混合成胶体。本发明提供的染料敏化太阳能电池的对电极，采用成本低廉的碳材料代替贵金属铂作为对电极，大大地降低了太阳能电池的制作成本，同时，也易于推广应用该染料敏化太阳能电池。

Description

一种染料敏化太阳能电池的对电极、其制备方法、染料敏化太阳能电池及其制备方法
技术领域
本发明涉及太阳能电池领域，尤其涉及一种染料敏化太阳能电池的对电极及其制备方法。本发明还涉及一种使用该对电极的染料敏化太阳能电池及其制备方法。
背景技术
自1991年瑞士洛桑工学院的
Figure BDA0000120193910000011
教授等人首次利用纳米技术，对染料敏化太阳能电池的光电转化效率取得突破性进展以来(O’Regan，B.；
Figure BDA0000120193910000012
，M.Nature 1991，353，737.)，染料敏化太阳能电池(DSSCs)以其简单的制作工艺，低廉的成本和良好的应用前景而备受关注。这种光伏电池的制作成本仅为硅太阳能电池的1/5～1/10，使用寿命能够达到20年以上，被人们认为是最有希望取代硅基太阳能电池的下一代太阳能电池。
这种三明治结构的光伏电池通常是由吸附有染料的纳米晶TiO2光阳极(工作电极)、含有I-/I3 -氧化还原电对的电解质和对电极三部分组成。对电极的作用是收集电池外电路的电子，并把它快速、低耗地传递给电解质，同时催化还原电解质中的I-。此外对电极还可以将工作电极未吸收的光反射回到工作电极进行二次吸收，提高太阳光的吸收效率。因此，作为DSSCs的对电极，必须具备有高催化活性、高载流子传输能力以及良好的稳定性。
通常一般采用贵金属铂，金等作为DSSCs的对电极，这是因为铂，金对电极具有催化活性高和表面电阻小，这样制备的DSSCs的光电转换效率高，但是铂材料长期在电解质溶液中使用时，会与其中的I2发生反应生成PtI4，从而显著降低电池的光伏性能；除此之外，由于铂是一种贵金属材料，也限制了它的大规模应用。因此为了降低成本，人们不得不去寻找其他材料来代替贵金属铂作为对电极，从而制得高效，成本低廉，容易推广应用的染料敏化太阳能电池。
发明内容
本发明所要解决的问题之一在于提供一种成本低廉、易于推广的染料敏化太阳能电池的对电极。
一种染料敏化太阳能电池的对电极，包括阴极导电基板以及覆盖在阴极导电基板表面的碳活性层；所述碳活性层的材质包括碳黑、二氧化钛溶胶以及表面活性剂，且碳黑、二氧化钛溶胶以及表面活性剂按照1∶0.5～2∶0.1～0.5的重量比混合成胶体。
在该染料敏化太阳能电池的对电极中：
所述阴极导电基板为导电玻璃或金属薄片；其中，如果阴极导电基板为导电玻璃，则导电玻璃包括玻璃基板和涂覆在玻璃基板一表面的导电薄膜，且碳活性层覆盖在导电薄膜表面；导电薄膜可以为铟锡氧化物(ITO)、掺氟的氧化锡(FTO)、掺铝的氧化锌(AZO)或者掺铟的氧化锌(IZO)等材料；
所述碳黑的粒径为20～100nm；所述表面活性剂为非离子型表面活性剂(如，OP-10，曲拉通X-100)；其中，所述二氧化钛溶胶由钛醇盐、乙醇、水和浓硝酸按照1∶1.5∶3∶0.01的体积比混合组成；所述钛醇盐选自钛酸正丁酯、钛酸异丁酯、钛酸丙酯以及钛酸乙酯中的至少一种。
本发明所要解决的问题之二在于提供上述染料敏化太阳能电池的对电极的制备方法，包括如下步骤：
S1、提供并清洗阴极导电基板；
S2、在阴极导电基板表面涂覆一层碳活性层；其中，所述碳活性层的材质包括碳黑、二氧化钛溶胶以及表面活性剂，且碳黑、二氧化钛溶胶以及表面活性剂按照1∶0.5～2∶0.1～0.5的重量比混合成胶体；
S3、将步骤S2制得碳活性层置于惰性气氛中，并升温至450℃下保温30分钟，冷却至室温，制得所述染料敏化太阳能电池的对电极。
上述染料敏化太阳能电池的对电极的制备方法的步骤S3中，所述惰性气氛由氮气和氩气中任一气体组成。
本发明所要解决的问题之三在于提供一种染料敏化太阳能电池，该染料敏化太阳能电池包括上述染料敏化太阳能电池的对电极、多孔半导体薄膜、阳极导电基板以及密封材料；所述多孔导电薄膜设置在阳极导电基板和对电极之间，对电极和阳极导电基板的周边通过绝缘密封材料密封后形成一腔体；所述腔体中还封灌有液体电解质。
在染料敏化太阳能电池中：
所述所述阳极导电基板为导电玻璃或金属薄片；其中，如果阳极导电基板为导电玻璃，则导电玻璃包括玻璃基板和涂覆在玻璃基板一表面的导电薄膜，且碳活性层覆盖在导电薄膜表面；导电薄膜可以为铟锡氧化物(ITO)、掺氟的氧化锡(FTO)、掺铝的氧化锌(AZO)或者掺铟的氧化锌(IZO)等材料；
所述多孔导电薄膜为纳米二氧化钛胶体。
本发明所要解决的问题之四在于提供一种所述的染料敏化太阳能电池的制备方法，包括如下步骤：
A1、按所需规格，提供染料敏化太阳能电池的对电极和阳极导电基板，并在对电极或阳极导电基板上开一注液孔，然后清洗对电极和阳极导电基板；
A2、将纳米二氧化钛胶体覆盖在阳极导电玻璃上，并于450℃下煅烧30min，制得多孔半导体薄膜，随后将多孔半导体薄膜浸入光敏染料溶液中，浸泡处理24小时，吸附光敏染料，制得含染料敏化的多孔半导体薄膜的阳极导电基板；
A3、用绝缘密封材料分别涂覆在步骤A1的对电极和步骤A2的阳极导电基板的边缘，对对电极和阳极导电基板的周边进行密封，使之形成一腔体，且多孔半导体薄膜置于腔体中；
A4、最后通过注液孔向腔体灌注液体电解质，然后密封注液孔；
上述工艺步骤完成后，制得所述染料敏化太阳能电池。
本发明提供的染料敏化太阳能电池，采用成本低廉的碳材料代替贵金属铂作为电极，大大地降低了太阳能电池的制作成本，同时，也易于推广应用该染料敏华太阳能电池。
本发明提供的染料敏化太阳能电池的制作方法，制作工艺简单，易于操作，便于推广利用。
附图说明
图1为本发明染料敏化太阳能电池的结构示意图；
图2为本发明染料敏化太阳能电池的对电极的制备工艺流程图；
图3为本发明染料敏化太阳能电池的制备工艺流程图；
图4为实施例1和对比例1制得的太阳能电池的电流密度-电压特性曲线图。
具体实施方式
本发明提供的染料敏化太阳能电池的对电极，如图1所示，包括阴极导电基板100以及覆盖在阴极导电基板100上的碳活性层105；所述碳活性层105的材质包括碳黑、二氧化钛溶胶以及表面活性剂，且碳黑、二氧化钛溶胶以及表面活性剂按照1∶0.5～2∶0.1～0.5的重量比混合成胶体。
在该染料敏化太阳能电池的对电极中：
阴极导电基板100可以为导电玻璃或金属薄片；其中，如果阴极导电基板100为导电玻璃，则导电玻璃包括玻璃基板101和涂覆在玻璃基板101一表面的导电薄膜102，且碳活性层105覆盖在导电薄膜102表面；导电薄膜102可以为铟锡氧化物(ITO)、掺氟的氧化锡(FTO)、掺铝的氧化锌(AZO)或者掺铟的氧化锌(IZO)等材料；优选阴极导电基板为导电玻璃；
所述碳黑的粒径为20～100nm；所述表面活性剂为非离子型表面活性剂(如，OP-10，曲拉通X-100)；所述二氧化钛溶胶由钛醇盐、乙醇、水和浓硝酸按照1∶1.5∶3∶0.01的体积比混合组成，而所述钛醇盐选自钛酸正丁酯、钛酸异丁酯、钛酸丙酯以及钛酸乙酯中的至少一种；
所述碳活性层105中，碳黑作为活性催化剂，表面活性剂用于提高碳活性层的比表面积，二氧化钛溶胶能够使碳黑颗粒连接紧密，达到高导电的目的；
上述二氧化钛溶胶的制备方法是先将钛醇盐加入到无水乙醇中溶解，然后加入水和硝酸，快速搅拌，最后得到白色的二氧化钛溶胶。
上述染料敏化太阳能电池的对电极的制备方法，如图2所示，包括如下步骤：
S1、提供阴极导电基板，并阴极导电基板；
S2、在阴极导电基板表面涂覆一层碳活性层；其中，所述碳活性层的材质包括碳黑、二氧化钛溶胶以及表面活性剂，且碳黑、二氧化钛溶胶以及表面活性剂按照1∶0.5～2∶0.1～0.5的重量比混合成胶体；
S3、将步骤S2制得碳活性层置于惰性气氛中，并升温至450℃下保温30分钟，冷却至室温，制得所述染料敏化太阳能电池的对电极。
上述料敏化太阳能电池的对电极的制备方法，步骤S2中，还包括如下步骤：
S21、将碳黑、二氧化钛溶胶以及表面活性剂按照1∶0.5～2∶0.1～0.5的重量比通过搅拌混合成胶体；
S22、将步骤S21制得的胶体通过刮涂技术，刮涂在第一导电薄膜上，形成碳活性层。
上述料敏化太阳能电池的对电极的制备方法，步骤S3中，所述惰性气氛由氮气和氩气中任一气体组成。
本发明还提供上述对电极在敏化太阳能电池中的应用。如图1所示，敏化太阳能电池包括染料敏化太阳能电池的对电极、多孔半导体薄膜103、阳极导电基板200以及密封材料(如，UV胶)107；所述多孔导电薄膜103设置在阳极导电基板和对电极之间，对电极和阳极导电基板200的周边通过绝缘密封材料107密封后形成一腔体；所述腔体中还封灌有液体电解质106；其中，对电极包括阴极导电基板100和涂覆在该阴极导电基板100上的碳活性层105。
上述对电极在敏化太阳能电池中，如果阴极导电基板100和阳极导电基板200为导电玻璃，则阴极导电基板100包括玻璃基板101和导电薄膜102，阳极导电基板200包括玻璃基板201和导电薄膜202，且导电薄膜(102，202)可以为铟锡氧化物(ITO)、掺氟的氧化锡(FTO)、掺铝的氧化锌(AZO)或者掺铟的氧化锌(IZO)等材料；优选阴极导电基板100和阳极导电基板200为导电玻璃；
上述染料敏化太阳能电池中：
所述多孔半导体薄膜103是将纳米二氧化钛胶体通过刮涂、印刷等方法覆盖在导电薄膜102上后，经过煅烧制备而成的纳米二氧化钛胶体；
上述染料敏化太阳能电池的制备方法，如图3所示，包括如下步骤：
A1、按所需规格，提供染料敏化太阳能电池的对电极和阳极导电基板，并在对电极或阳极导电基板上开一个0.2mm规格的注液孔，然后清洗对电极和阳极导电基板；其中，对电极包括阴极导电基板以及涂覆在阴极导电基板上的碳活性层；优选在对电极上开一个注液孔；
A2、将纳米二氧化钛胶体覆盖在阳极导电玻璃上，并于450℃下煅烧30min，制得多孔半导体薄膜，随后将多孔半导体薄膜浸入光敏染料溶液中，浸泡处理24小时，吸附光敏染料，制得含染料敏化的多孔半导体薄膜的阳极导电基板；
A3、用绝缘密封材料分别涂覆在步骤A1的对电极和步骤A2的阳极导电基板的边缘，对对电极和阳极导电基板的周边进行密封，使之形成一腔体，且多孔半导体薄膜置于腔体中；
A4、最后通过注液孔向腔体灌注液体电解质，然后密封注液孔；
上述工艺步骤完成后，制得所述染料敏化太阳能电池。
本发明提供的染料敏化太阳能电池，采用了碳材料作为对电极，由于碳材料导电性能好，来源广泛，价格低廉，对I的催化还原能力强，因此作为对电极应用于染料敏化太阳能电池，得到的光电转换效率高，本发明工艺过程简单，工作效率高，成本低廉，有利于推广应用。
本发明提供的染料敏化太阳能电池的制作方法，制作工艺简单，易于操作，便于推广利用。
下面结合附图，对本发明的较佳实施例作进一步详细说明。
下述实施例1至4中，二氧化钛溶胶均由钛醇盐、乙醇、水和浓硝酸按照1∶1.5∶3∶0.01的体积比混合组成。
实施例1
1、制备染料敏化太阳能电池的对电极
取其中一氟掺杂氧化锡(FTO)导电玻璃作为阴极导电基板(包括玻璃基板以及导电薄膜FTO)，并在导电玻璃上开一个尺寸为0.2mm的注液孔。将导电玻璃进行清洗后，将碳黑(粒径为20nm)、二氧化钛溶胶、曲拉通X-100以1∶0.5∶0.5的重量比混合成胶体(其中，二氧化钛溶胶采用的是钛酸异丙酯制备而成)，接着将胶体倾倒在导电玻璃的导电薄膜(即FTO)表面，然后用刮刀来回刮平，形成碳活性层；然后在50℃干燥10分钟，随后转移至管式炉中，在N2保护下，升温至450℃，在此温度保温30分钟，随后冷却至室温，制得染料敏化太阳能电池的对电极，且碳活性层的厚度为10μm。
2、制备染料敏化的多孔半导体薄膜
将纳米二氧化钛胶体覆盖在另一氟掺杂氧化锡(FTO)导电玻璃(即阳极导电基板，包括玻璃基板以及导电薄膜FTO)的导电薄膜FTO上后，并于450℃下煅烧30min，制得多孔半导体薄膜，随后将多孔半导体薄膜浸入光敏染料溶液中，浸泡处理24小时，吸附光敏染料，制得染料敏化的多孔半导体薄膜。
3、制备染料敏化太阳能电池
将上述制备好的对电极、吸附有光敏染料的多孔半导体薄膜以及阳极导电基板重叠，并用光固化UV胶密封对电极和阳极导电基板四周，形成一腔体，即电池腔体；通过在对电极上预留的注液孔，往电池腔体中注入液体电解质，随后密封电解质注入注液孔，制得染料敏化太阳能电池。
实施例2
1、制备染料敏化太阳能电池的对电极
与实施例1的区别在于：阴极导电基板采用不锈钢薄片；碳黑(粒径为40nm)、二氧化钛溶胶、曲拉通以1∶1∶0.2的重量比混合成胶体，二氧化钛溶胶采用的是钛酸正丁酯制备而成；碳活性层的厚度为50μm；表面活性剂为OP-10。
2、制备染料敏化的多孔半导体薄膜
与实施例1相同。
3、制备染料敏化太阳能电池
与实施例1相同。
实施例3
1、制备染料敏化太阳能电池的对电极
与实施例1的区别在于：阴极导电基板采用铟锡氧化物(ITO)导电玻璃；碳黑(粒径为100nm)、二氧化钛溶胶、曲拉通以1∶2∶0.1的重量比混合成胶体，二氧化钛溶胶采用的是钛酸异丁酯制备而成；碳活性层的厚度为15μm。
2、制备染料敏化的多孔半导体薄膜
与实施例1相同。
3、制备染料敏化太阳能电池
与实施例1相同。
实施例4
1、制备染料敏化太阳能电池的对电极
与实施例1的区别在于：阴极导电基板采用掺铝的氧化锌(AZO)导电玻璃；碳黑(粒径为70nm)、二氧化钛溶胶、曲拉通以1∶1.5∶0.2的重量比混合成胶体，二氧化钛溶胶采用的是钛酸乙酯制备而成；碳活性层的厚度为25μm。
2、制备染料敏化的多孔半导体薄膜
与实施例1相同。
3、制备染料敏化太阳能电池
与实施例1相同。
对比例1
1、制备染料敏化太阳能电池的对电极
将六水合氯铂酸(H2PtCl6·6H2O)溶于异丙醇中，配制成浓度为3％(w/w)的溶液；然后通过旋涂的方法，将氯铂酸旋涂在干净的导电玻璃表面，在40℃干燥，干燥完毕后继续旋涂，干燥，如此反复四次。随后将其置于马福炉中在400℃烧制20分钟，待降温后取出，即制得镀铂对电极。
2、制备染料敏化的多孔半导体薄膜
与实施例1相同。
3、制备染料敏化太阳能电池
与实施例1相同。
表1表示各实施例与对比制得太阳能电池的光伏性能数据。
表1
  短路电流(mA/cm2)  开路电压(V)   填充因子   转换效率(％)
  实施例1   12.43  0.74   0.72   6.62
  实施例2   11.25  0.74   0.73   6.07
  实施例3   12.39  0.73   0.72   6.51
  实施例4   11.87  0.74   0.71   6.23
  对比例1   12.11  0.74   0.73   6.54
从表1中可以看出，本发明采用碳活性层制作的对电极，经组装染料敏化成太阳能电池后，所得光伏性能数据接近于以镀铂电极制作的太阳能电池，考虑到铂材料属于贵重金属，而本发明所用的材料均来源广泛，价格低廉，因此在进行推广运用时具有非常大的优势。
图4为实施例1和对比例1制得的太阳能电池的电流密度-电压特性曲线图。从图4中可以看出，本发明制备的对电极组装成的染料敏化太阳能电池，同采用铂材料作为对电极组装成的染料敏化太阳能电池相比，在电池的开路电压上相同，其短路电流甚至要高于铂对电极，虽然填充因子低于铂对电极染料敏化太阳能电池，使总体发光效率稍低与铂对电极染料敏化太阳能电池，但是本发明采用对电极采用的材料具有廉价的成本和广泛的来源，与昂贵，稀少的铂材料相比已经形成了巨大的优势，因此非常有利于市场推广应用。
请发明人根据附图4，详细描述实施例1与对比例1的技术效果。
应当理解的是，上述针对本发明较佳实施例的表述较为详细，并不能因此而认为是对本发明专利保护范围的限制，本发明的专利保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种染料敏化太阳能电池的对电极，其特征在于，该对电极包括阴极导电基板以及覆盖在阴极导电基板表面的碳活性层；所述碳活性层的材质包括碳黑、二氧化钛溶胶以及表面活性剂，且碳黑、二氧化钛溶胶以及表面活性剂按照1∶0.5～2∶0.1～0.5的重量比混合成胶体。
2.根据权利要求1所述的染料敏化太阳能电池的对电极，其特征在于，所述阴极导电基板为导电玻璃或金属薄片。
3.根据权利要求1所述的染料敏化太阳能电池的对电极，其特征在于，所述碳黑的粒径为20～100nm；所述表面活性剂为非离子型表面活性剂。
4.根据权利要求1所述的染料敏化太阳能电池的对电极，其特征在于，所述二氧化钛溶胶由钛醇盐、乙醇、水和浓硝酸按照1∶1.5∶3∶0.01的体积比混合组成；所述钛醇盐选自钛酸正丁酯、钛酸异丁酯、钛酸丙酯以及钛酸乙酯中的至少一种。
5.一种如权利要求1所述的染料敏化太阳能电池的对电极的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1、提供并清洗阴极导电基板；
S2、在阴极导电基板表面涂覆一层碳活性层；
S3、将步骤S2制得碳活性层置于惰性气氛中，并升温至450℃下保温煅烧30分钟，接着冷却至室温，制得所述染料敏化太阳能电池的对电极。
6.根据权利要求5所述的染料敏化太阳能电池的对电极的制备方法，其特征在于，步骤S3中，所述惰性气氛由氮气和氩气中任一气体组成。
7.一种染料敏化太阳能电池，其特征在于，包括权利要求1所述的染料敏化太阳能电池的对电极、多孔半导体薄膜、阳极导电基板以及密封材料；所述多孔导电薄膜设置在阳极导电基板和对电极之间，对电极和阳极导电基板的周边通过绝缘密封材料密封后形成一腔体；所述腔体中还封灌有液体电解质。
8.根据权利要求7所述的染料敏化太阳能电池，其特征在于，所述所述阳极导电基板为导电玻璃或金属薄片。
9.根据权利要求7所述的染料敏化太阳能电池，其特征在于，所述多孔导电薄膜为纳米二氧化钛胶体。
10.一种如权利要求7所述的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：
A1、按所需规格，提供染料敏化太阳能电池的对电极和阳极导电基板，并在对电极或阳极导电基板上开一注液孔，然后清洗对电极和阳极导电基板；
A2、将纳米二氧化钛胶体覆盖在阳极导电玻璃上，并于450℃下煅烧30min，制得多孔半导体薄膜，随后将多孔半导体薄膜浸入光敏染料溶液中，浸泡处理24小时，吸附光敏染料，制得含染料敏化的多孔半导体薄膜的阳极导电基板；
A3、用绝缘密封材料分别涂覆在步骤A1的对电极和步骤A2的阳极导电基板的边缘，对对电极和阳极导电基板的周边进行密封，使之形成一腔体，且多孔半导体薄膜置于腔体中；
A4、最后通过注液孔向腔体灌注液体电解质，然后密封注液孔；
上述工艺步骤完成后，制得所述染料敏化太阳能电池。
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