CN103208370A - 一种提高柔性染料敏化太阳电池光电性能的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种提高柔性染料敏化太阳电池光电性能的方法，在不改变电池材料和基本制备工艺的基础上，仅在电池制备过程中对阳极纳晶多孔薄膜或吸附了染料之后的光阳极进行弯曲，或者对组装好的电池进行弯曲，通过控制弯曲工艺参数，使薄膜发生利于提高电子纵向有效传递性能的结构变化，从以较低的成本实现提高柔性电池效率的目的，取得意想不到的良好效果。此外，通过可控弯曲条件下对薄膜引入纵向裂纹，还可提高柔性电池在后续实际使用过程中的抗弯曲性能，对于保持电池性能、提高抗弯曲破坏能力以及延长电池寿命，也具有意想不到的良好效果。

Description

一种提高柔性染料敏化太阳电池光电性能的方法
技术领域
本发明属于染料敏化太阳电池（DSC）技术领域，涉及一种提高柔性染料敏化太阳电池光电性能的方法。 
背景技术
高效率和抗弯曲是柔性染料敏化太阳电池的两大特征。由于柔性DSC的基底通常为塑料，其方块电阻在温度高于150℃时会迅速增大使得电极制备不能在高温下进行，而在低温下制备的柔性DSC效率与传统的DSC效率相比仍然较低，这主要的是由于低温下制备的薄膜纳米颗粒间的结合以及膜与基底界面的结合较弱导致。 
针对目前的情况，研究者在开发柔性DSC的过程中，都把焦点放在了如何在柔性基体上制备性能良好的TiO2膜上。近年来制备柔性DSC的方法不断涌现，目前广泛报道的低温制备纳米TiO2多孔膜的方法有低温烧结法、低温水热法、旋涂法、薄膜转移法、机械压膜法等，其中机械压膜法由于其较高的效率备受关注。 
机械压膜法是将TiO2粉末在机械压力下直接压覆在基体上形成薄膜的技术。该方法主要通过机械静压力增强光阳极颗粒间连接，以达到提高电池效率的目的，研究表明，随着压力从57MPa提高至190MPa，电池转换效率会从2.8％上升到3.5％，但进一步增大压力则会对柔性基体产生破坏，且由于薄膜的孔隙过小而影响染料吸附和电解质传递，而同种方法制备的光阳极膜经过烧结后的电池效率普遍达到5％以上，Yamaguchi、Arakawa等人也发现施压和加热共同作用可以使以N719为染料的柔性电池效率达到7.4％的较高水平。 
这些重要成果，强有力地说明了如果TiO2薄膜内部颗粒连接较弱，组装的电池的输出性能较差，而通过提高压力或温度等方法使所得涂层膜内结合 或膜基结合性能提高，电池效率也就随之升高，也就是说光阳极薄膜的结构在很大程度上决定了电池效率的高低。 
发明内容
为进一步提高柔性染料敏化太阳电池电池性能，本发明提供一种提高柔性染料敏化太阳电池光电性能的方法，在不改变电池材料和基本制备工艺的基础上通过弯曲来提高柔性染料敏化太阳电池的光电性能。 
本发明是通过以下技术方案来实现： 
一种提高柔性染料敏化太阳电池光电性能的方法，包括以下操作： 
将用于组装柔性染料敏化太阳电池的阳极、阳极纳晶多孔薄膜或组装好的柔性染料敏化太阳电池进行弯曲，在阳极纳晶多孔薄膜内产生横向拉应力和纵向附加压应力；阳极纳晶多孔薄膜由于弯曲发生结构变化，使阳极纳晶多孔薄膜内电子纵向传递能力相对加强，促进电子的纵向有效输出；所述纵向为垂直于阳极导电基底表面方向，横向为平行于阳极导电基底表面方向。 
所述的阳极已经吸附染料或量子点，或者未吸附染料或量子点。 
所述的弯曲为外弯曲或内弯曲，当阳极纳晶多孔薄膜受拉应力时称为外弯曲，当阳极纳晶多孔薄膜受压应力时称为内弯曲。 
据阳极或柔性染料敏化太阳电池的内部材料、结构，控制弯曲时所产生的横向力不引起阳极纳晶多孔薄膜与基体导电膜之间开裂。 
根据阳极或柔性染料敏化太阳电池的内部材料、结构，控制弯曲时基体导电膜的结构变化不显著降低其导电性。 
根据阳极或柔性染料敏化太阳电池的内部材料、结构，控制弯曲时不造成电解质的泄漏或暴露。 
所述弯曲的方向为朝向阳极方向或朝向阴极方向或朝两个方向均进行弯曲。 
在弯曲的同时还对柔性染料敏化太阳电池施加平行于阳极纳晶多孔薄膜 方向的拉应力，以进一步增大薄膜内的拉应力。 
所述的弯曲半径为1～2,000mm，弯曲次数为1～1,000,000次。 
所述弯曲后阳极纳晶多孔薄膜内颗粒纵向结合减弱或纵向开裂，能够释放阳极纳晶多孔薄膜内的弯曲应力，提高柔性染料敏化太阳电池的抗弯曲性能。 
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果： 
根据太阳电池基本机理，电子在薄膜内的传递是空间任意的，在电子浓度作用下发生宏观的纵向传递然后经由汇流导电部分流出外电路，增强该宏观的纵向传递则可提高电池效率。本发明提出，通过弯曲应力调控膜内颗粒间结合，横向结合在拉应力或压应力下分别减弱或增强，但弯曲时的纵向附加应力为压应力，因此纵向结合必然增强。在横弱纵强的条件下，纵向有效电子传递性能必然增强；在横强纵强的条件下，因纵向结合比横向结合对纵向有效电子传递性能的贡献度更大，纵向有效电子传递性能也可增强。由此，弯曲可实现减少电子复合提高电池效率的目标。此外，纵向结合减弱或纵向开裂，可释放薄膜内的弯曲应力，实现提高电池抗弯曲性能，从而提高电池寿命。 
本发明提供一种提高柔性染料敏化太阳电池光电性能的方法，并不改变电池材料和基本制备工艺，仅在电池制备过程中对阳极纳晶多孔薄膜或吸附了染料之后的光阳极进行弯曲，或者对组装好的电池进行弯曲，通过控制弯曲工艺参数，使薄膜发生利于提高电子纵向有效传递性能的结构变化，从以较低的成本实现提高柔性电池效率的目的，取得意想不到的良好效果。 
此外，本发明提供一种提高柔性染料敏化太阳电池光电性能的方法，通过可控弯曲条件下对薄膜引入纵向裂纹，还可提高柔性电池在后续实际使用过程中的抗弯曲性能，对于保持电池性能、提高抗弯曲破坏能力以及延长电池寿命，也具有意想不到的良好效果。 
附图说明
图1-1～1-2分别为外弯曲以及内弯曲模式下单次弯曲时弯曲态和回复态电池效率的变化图； 
图2-1～2-2分别为外弯曲模式下多次弯曲时弯曲态和回复态电池效率随弯曲半径以及弯曲次数的变化图； 
图3-1～3-2分别为内弯曲模式下多次弯曲时弯曲态和回复态电池效率随弯曲半径以及弯曲次数的变化图； 
图4为内弯曲12mm处经一万次弯曲之后光阳极TiO2薄膜表面形貌。 
图5为弯曲时纵向附加压应力及横向拉应力的示意图。 
具体实施方式
通过弯曲提高柔性染料敏化太阳电池光电性能的方法，将组装好的柔性电池或阳极或阳极纳晶多孔薄膜进行一次或多次弯曲，阳极纳晶多孔薄膜发生结构变化使膜内电子纵向传递能力相对加强，而横向传递能力相对减弱、或加强、或交替减弱和加强，从而促进电子的纵向有效输出、减少电子复合，显著提高电池短路电流或填充因子，实现提高电池光电性能；同时，膜内颗粒纵向结合减弱或纵向开裂可释放薄膜内的弯曲应力，实现提高电池抗弯曲性能。下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。 
参见图5，一种提高柔性染料敏化太阳电池光电性能的方法，包括以下操作： 
将用于组装柔性染料敏化太阳电池的阳极、阳极纳晶多孔薄膜或组装好的柔性染料敏化太阳电池进行弯曲，在阳极纳晶多孔薄膜内产生横向拉应力和纵向附加压应力；阳极纳晶多孔薄膜由于弯曲发生结构变化，使阳极纳晶多孔薄膜内电子纵向传递能力相对加强，促进电子的纵向有效输出、减少电子复合；显著提高电池短路电流或填充因子，实现提高电池光电性能； 
而且，膜内颗粒纵向结合减弱或纵向开裂可释放薄膜内的弯曲应力，实现提高电池抗弯曲性能。 
所述纵向为垂直于阳极纳晶多孔薄膜表面方向，横向为平行于阳极纳晶多孔薄膜表面方向。 
进一步，所述的阳极已经吸附染料或量子点；或者未吸附染料或量子点。 
所述的弯曲为外弯曲或内弯曲，当阳极纳晶多孔薄膜受拉应力时为外弯曲，当阳极纳晶多孔薄膜受压应力时为内弯曲。 
所述的弯曲的控制为： 
根据阳极或柔性染料敏化太阳电池的内部材料、结构，控制弯曲时所产生的横向力不引起阳极纳晶多孔薄膜与基体导电膜之间开裂。 
根据阳极或柔性染料敏化太阳电池的内部材料、结构，控制弯曲时基体导电膜的结构变化不显著降低其导电性。 
根据阳极或柔性染料敏化太阳电池的内部材料、结构，控制弯曲时不造成电解质的泄漏或暴露。 
所述弯曲的方向为朝向阳极方向或朝向阴极方向或朝两个方向均进行弯曲，弯曲为一次或多次弯曲。 
在弯曲的同时还对柔性染料敏化太阳电池施加平行于阳极纳晶多孔薄膜方向的拉应力，以进一步增大薄膜内的拉应力，实现增强电池性能强化效果。 
下面给出具体的实施例 
实施例1： 
将冷喷涂在ITO/PEN基底上制备的TiO2光阳极，浸泡在50℃、0.3mML-1的N719/乙醇溶液中12h，与溅射制备的Pt对电极组装成柔性染料敏化太阳电池，采用单向弯曲方式进行单次弯曲，当光阳极TiO2薄膜受拉应力时称为外弯曲，反之称为内弯曲。 
结果如图1-1、1-2所示，电池的效率在不同弯曲半径下表现出不同程度 的效率提高，且随弯曲半径的减小而越来越显著。对于外弯曲（图1-1），当弯曲半径减小到9mm时效率升高约9%，而内弯曲模式下（图1-2），电池的效率的提升相对较小，当弯曲半径减小到9mm时效率仅升高约3%。 
实施例2： 
采用多次外弯曲，结果如图2-1、2-2所示，电池的效率在不同弯曲半径和弯曲次数下表现出不同程度的效率提高，随弯曲次数的增加，效率提高程度体现出先显著后不显著的特征，且弯曲态和回复态电池效率差别不大，弯曲半径18mm弯曲10000次可提高效率达18%。 
实施例3： 
采用多次内弯曲，结果如图3-1、3-2所示，电池的效率在不同弯曲半径和弯曲次数下表现出不同程度的效率提高，随弯曲次数的增加，效率提高程度体现出先显著后不显著的特征，且弯曲态和回复态电池效率差别不大，弯曲半径12mm弯曲10000次可提高效率达13%，弯曲半径18mm弯曲10000次可提高效率高达19%。弯曲半径为12mm处弯曲一万次后TiO2膜表面出现了如图4所示的纵向开裂的现象，可显著提高电池抗弯曲能力和延长电池寿命。 
尽管实施例中范围较小，让比尔弯曲半径和弯曲次数，显著依赖于电池具体结构设计，因此弯曲半径在1～2,000mm之间，弯曲次数在1～1,000,000次之间，根据具体情况来进行选择。 

Claims (10)

1.一种提高柔性染料敏化太阳电池光电性能的方法，其特征在于，包括以下操作：
将用于组装柔性染料敏化太阳电池的阳极、阳极纳晶多孔薄膜或组装好的柔性染料敏化太阳电池进行弯曲，在阳极纳晶多孔薄膜内产生横向拉应力和纵向附加压应力；阳极纳晶多孔薄膜由于弯曲发生结构变化，使阳极纳晶多孔薄膜内电子纵向传递能力相对加强，促进电子的纵向有效输出；所述纵向为垂直于阳极导电基底表面方向，横向为平行于阳极导电基底表面方向。
2.如权利要求1所述的提高柔性染料敏化太阳电池光电性能的方法，其特征在于，所述的阳极已经吸附染料或量子点，或者未吸附染料或量子点。
3.如权利要求1所述的提高柔性染料敏化太阳电池光电性能的方法，其特征在于，所述的弯曲为外弯曲或内弯曲，当阳极纳晶多孔薄膜受拉应力时称为外弯曲，当阳极纳晶多孔薄膜受压应力时称为内弯曲。
4.如权利要求1所述的提高柔性染料敏化太阳电池光电性能的方法，其特征在于，根据阳极或柔性染料敏化太阳电池的内部材料、结构，控制弯曲时所产生的横向力不引起阳极纳晶多孔薄膜与基体导电膜之间开裂。
5.如权利要求1所述的提高柔性染料敏化太阳电池光电性能的方法，其特征在于，根据阳极或柔性染料敏化太阳电池的内部材料、结构，控制弯曲时基体导电膜的结构变化不显著降低其导电性。
6.如权利要求1所述的提高柔性染料敏化太阳电池光电性能的方法，其特征在于，根据阳极或柔性染料敏化太阳电池的内部材料、结构，控制弯曲时不造成电解质的泄漏或暴露。
7.如权利要求1所述的提高柔性染料敏化太阳电池光电性能的方法，其特征在于，所述弯曲的方向为朝向阳极方向或朝向阴极方向或朝两个方向均进行弯曲。
8.如权利要求1所述的提高柔性染料敏化太阳电池光电性能的方法，其特征在于，在弯曲的同时还对柔性染料敏化太阳电池施加平行于阳极纳晶多孔薄膜方向的拉应力，以进一步增大薄膜内的拉应力。
9.如权利要求1所述的提高柔性染料敏化太阳电池光电性能的方法，其特征在于，所述的弯曲半径为1～2,000mm，弯曲次数为1～1,000,000次。
10.如权利要求1所述的提高柔性染料敏化太阳电池光电性能的方法，其特征在于，所述弯曲后阳极纳晶多孔薄膜内颗粒纵向结合减弱或纵向开裂，能够释放阳极纳晶多孔薄膜内的弯曲应力，提高柔性染料敏化太阳电池的抗弯曲性能。
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