CN103165290A - 一种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及其制备方法；该染料敏化太阳能电池包括间隔设置的一对基板、覆盖在两基板相对面上的两层导电薄膜以及密封材料；密封材料将一对基板密封成腔体，且腔体中容纳有含光敏染料的多孔半导体薄膜以及填充整个腔体的电解质，多孔半导体薄膜涂覆在一导电膜表面，在腔体内设有一层碳活性层，该碳活性层覆盖在一导电薄膜表面，且与多孔导电薄膜相对设置。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。

Description

一种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及其制备方法。
背景技术
自1991年瑞士洛桑工学院的
Figure BDA0000120194030000011
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 BDA0000120194030000012
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。
该染料敏化太阳能电池，包括间隔设置的一对基板、覆盖在两基板相对面上的两层导电薄膜以及密封材料；密封材料将一对所述基板密封成腔体，且腔体中容纳有含光敏染料的多孔半导体薄膜以及填充整个腔体的电解质，所述多孔半导体薄膜涂覆在一导电膜表面；在所述腔体内设有一层碳活性层，该碳活性层覆盖在一导电薄膜表面，且与所述多孔导电薄膜相对设置；
就该染料敏化太阳能电池，优选地，所述碳活性层的材料包括碳材料和粘结剂，且碳材料与粘结剂的重量比为1∶0.1～1∶0.2；所述碳材料的颗粒粒径为20～1000nm；碳活性层的厚度为10～20μm；所述粘结剂选自聚偏氟乙烯-六氟丙烯共聚物或聚四氟乙烯。
上述染料敏化太阳能电池，所述导电薄膜的材质为铟锡氧化物、掺氟的氧化锡、掺铝的氧化锌或者掺铟的氧化锌；所述多孔导电薄膜为多孔纳米二氧化钛胶体。
所述密封材料为UV胶。
本发明还提供上述染料敏化太阳能电池的制备方法，包括如下步骤：
S1、在清洗过的两块基板的表面各覆盖一层起电极作用的导电薄膜；
S2、在其中一块基板表面的导电薄膜上覆盖纳米二氧化钛胶体，接着经烧结处理后，得到多孔半导体薄膜，随后将基板连同导电薄膜和多孔半导体薄膜一起浸入到含有光敏染料的溶液中，进行浸泡处理，最后烘干备用；同时，在另一块基板表面的导电薄膜上覆盖一层碳活性层，然后烘干备用；
S3、将步骤S2制得的两块基板间隔设计后用密封材料密封成一腔体，且所述碳活性层与多孔半导体薄膜在腔体中相对设置；
S4、在所述腔体中加注电解液；
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制备工艺流程图；
图3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，如图1所示，包括间隔设置的一对基板101、覆盖在两基板101相对面上的两层导电薄膜(1021，1022)以及密封材料107；密封材料107将一对所述基板101密封成腔体，且腔体中容纳有含光敏染料的多孔半导体薄膜103以及填充整个腔体的电解质106，所述多孔半导体薄膜103涂覆在一导电薄膜1021表面，在所述腔体内设有一层碳活性层105，该碳活性层105覆盖在一导电薄膜1022表面，且与所述多孔导电薄膜103相对设置。在染料敏化太阳能电池中，碳活性层105作为该电池的电极。
上述染料敏化太阳能电池中：
所述基板101为透明玻璃，且导电薄膜的材质选自铟锡氧化物(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多孔纳米二氧化钛胶体；
碳活性层105是由碳材料与粘合剂组成的胶体，所述胶体中碳材料与粘合剂的重量比为1∶0.1～1∶0.2，所述碳活性层的厚度为10-20μm；且所述碳材料包括碳黑、活性炭、石墨或碳气凝胶等材料，所述碳材料颗粒粒径为20～1000nm；所述粘合剂包括聚偏氟乙烯-六氟丙烯共聚物(PVDF-HFP)或聚四氟乙烯(PTFE)；粘结剂在使用前需要配置成溶液或者乳液，所述PVDF-HFP需加入溶剂N-甲基吡咯烷酮(NMP)作为溶剂，配置成浓度为2％的溶液，所述PTFE是含有PTFE纳米颗粒的悬浮乳液。其中PTFE的固含量为10％。
所述对碳活性层105的制备过程是将碳材料与粘合剂按上述比例混合制成胶体后，通过旋涂的方法覆盖在导电薄膜表面，然后经干燥制得。
所述密封材料为UV胶。
上述染料敏化太阳能电池的制备方法，如图2所示，包括如下步骤：
S1、提供两块基板，在每块基板上的一个表面覆盖一层起电极作用的导电薄膜；
S2、在其中一基板的导电薄膜上覆盖纳米二氧化钛胶体，然后经过烧结处理后制得多孔半导体薄膜；将制备好的多孔半导体薄膜浸入到含有光敏染料的溶液中，浸泡24小时后取出，去除表面溶剂，干燥待用；同时，在另一基板的导电薄膜上通过旋涂的方法覆盖一层碳活性层胶体，然后干燥，获得碳活性层，待用；
S3、用密封材料涂覆在步骤S2所得基板的边缘，然后间隔设置两基板，并对其进行密封，形成一腔体；
S4、最后通过设置在一基板上预留的小孔，向腔体灌注液体电解质，然后密封小孔；
上述工艺步骤完成后，制得所述染料敏化太阳能电池。
上述染料敏化太阳能电池的制备方法，步骤S1中，还包括对基板的预处理，该预处理过程包括：
将清洗后的基板放入摩尔浓度为40毫摩尔每升(40mM)的TiCl4水溶液中作浸泡处理，处理时间为0.5h，温度为70℃；浸泡处理完后，将导电基板转移至马福炉中，升温至450℃，在此温度下煅烧30分钟，然后冷却至室温待用。
上述染料敏化太阳能电池的制备方法，步骤S2中，烧结处理过程包括：
将多孔半导体薄膜置于马福炉中，以20℃/分钟的速度升温至450℃，然后在此温度煅烧30分钟，随后冷却至100℃。
上述染料敏化太阳能电池的制备方法，步骤S3中，碳活性层烘干过程是将制备好的碳活性层在温度为40℃真空干燥箱中，干燥48小时。
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。
实施例1
取两块透明玻璃作为基板，在玻璃表面制备掺氟的氧化锡(FTO)导电薄膜作为电极，将覆盖有导电薄膜的基板清洗完毕后，放入摩尔浓度为40毫摩尔每升(40mM)的TiCl4水溶液中作浸泡处理，处理时间为0.5h，温度为70℃，然后在马福炉中升温到450℃，然后在此温度保温30分钟，随后降温冷却至室温。
在处理好的一基板的导电薄膜表面，用刮涂的方法覆盖二氧化钛胶体，然后进行烧结，待烧结冷却至100℃时，浸入钌染料N719的溶液中24小时，然后取出干燥，制得多孔半导体薄膜。
取另一涂覆有导电薄膜(FTO)的基板，将基板清洗完毕后，然后取活性炭和PVDF-HFP以质量比1∶0.1混合，旋涂于基板的导电薄膜上，然后在40℃真空干燥48小时，所得厚度为12μm的碳活性层；活性炭的粒径为20nm。
将多孔半导体薄膜所在基板边缘与及活性炭层所在基板的边缘用光固化UV胶进行密封，形成一腔体，即电池腔体；
然后再从一基板上的小孔，向腔体注入液体电解质，随后密封该小孔，最后制得染料敏化太阳能电池。
实施例2
按实施例1的方法制备染料敏化太阳能电池，实施例2与实施例1的区别在于：
导电薄膜的材质为铟锡氧化物(ITO)；碳活性层采用炭黑与PTFE以质量比1∶0.15混合制得，且所得碳活性层的厚度为15μm；炭黑的粒径为1000nm。
实施例3
按实施例1的方法制备染料敏化太阳能电池，实施例3与实施例1的区别在于：
导电薄膜的材质为掺铝的氧化锌(AZO)；所碳活性层采用乙炔黑与PTFE以质量比1∶0.2混合旋涂在导电薄膜上，且所得碳活性层的厚度为10μm；乙炔黑的粒径为100nm。
实施例4
按实施例1的方法制备染料敏化太阳能电池，实施例3与实施例1的区别在于：
导电薄膜的材质为掺铟的氧化锌(IZO)；所碳活性层采用碳气凝胶与PVDF-HFP以质量比1∶0.1混合旋涂在导电薄膜上，且所得碳活性层的厚度为20μm；碳气凝胶的粒径为500nm。
对比例1
对比例1与实施例1的的区别在于：采用铂作为电极。
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   11.74   0.74   0.71   6.16
  实施例2   11.79   0.74   0.72   6.28
  实施例3   10.84   0.73   0.71   5.62
  实施例4   11.08   0.74   0.71   6.07
  对比例1   11.57   0.74   0.73   6.34
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3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3中可以看出，本发明采用碳活性材料制备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，但是碳活性材料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。
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，其特征在于，包括间隔设置的一对基板、覆盖在两基板相对面上的两层导电薄膜以及密封材料；密封材料将一对所述基板密封成腔体，且腔体中容纳有含光敏染料的多孔半导体薄膜以及填充整个腔体的电解质，所述多孔半导体薄膜涂覆在一导电膜表面，在所述腔体内设有一层碳活性层，该碳活性层覆盖在一导电薄膜表面，且与所述多孔导电薄膜相对设置。
2.根据权利要求1所述的染料敏化太阳能电池，其特征在于，所述碳活性层的材料包括碳材料和粘结剂，且碳材料与粘结剂的重量比为1∶0.1～1∶0.2。
3.根据权利要求2所述的染料敏化太阳能电池，其特征在于，所述碳材料选自碳黑、活性炭、石墨或碳气凝胶。
4.根据权利要求3所述的染料敏化太阳能电池，其特征在于，所述碳材料的颗粒粒径为20～1000nm。
5.根据权利要求4所述的染料敏化太阳能电池，其特征在于，所述粘结剂选自聚偏氟乙烯-六氟丙烯共聚物或聚四氟乙烯。
6.根据权利要求1所述的染料敏化太阳能电池，其特征在于，所述碳活性层的厚度为10～20μm。
7.根据权利要求1所述的染料敏化太阳能电池，其特征在于，所述导电薄膜的材质为铟锡氧化物、掺氟的氧化锡、掺铝的氧化锌或者掺铟的氧化锌。
8.根据权利要求1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多孔纳米二氧化钛胶体。
9.根据权利要求1所述的染料敏化太阳能电池，其特征在于，所述密封材料为UV胶。
10.一种如权利要求1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：
S1、在清洗过的两块基板的表面各覆盖一层起电极作用的导电薄膜；
S2、在其中一块基板表面的导电薄膜上覆盖纳米二氧化钛胶体，接着经烧结处理后，得到多孔半导体薄膜，随后将基板连同导电薄膜和多孔半导体薄膜一起浸入到含有光敏染料的溶液中，进行浸泡处理，最后烘干备用；同时，在另一块基板表面的导电薄膜上覆盖一层碳活性层，然后烘干备用；
S3、将步骤S2制得的两块基板间隔设计后用密封材料密封成一腔体，且所述碳活性层与多孔半导体薄膜在腔体中相对设置；
S4、在所述腔体中加注电解液；
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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