CN103390508A - 一种弹性线状染料敏化太阳能电池及其制备方法 - Google Patents

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彭慧胜
仰志斌
邓珏
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Abstract

本发明属于太阳能电池技术领域，具体为弹性线状染料敏化太阳能电池及其制备方法。传统的染料敏化太阳能电池由于受到电极材料的限制，无法制备成具有弹性的电池。本发明设计计的太阳能电池，以螺旋状的长有二氧化钛纳米管阵列的钛丝作为工作电极，以包有取向碳纳米管的橡胶纤维为对电极，所述对电极置于所述工作电极中间形成同轴结构；该同轴结构封装于盛有液体电解液的弹性透明塑料管中。这种弹性线状染料敏化太阳能电池的光电转换效率达到7.13%，同时能够在拉伸30%的情况下保持这个光电转换效率。

Description

一种弹性线状染料敏化太阳能电池及其制备方法
技术领域
本发明属于太阳能电池技术领域，具体涉及弹性线状染料敏化太阳能电池及其制备方法。
背景技术
太阳能，是最绿色无污染的可再生能源，而太阳能电池是太阳能使用的主要形式之一。传统的硅基太阳能电池虽然转换效率较高，但是由于其成本过高，制备过程复杂，难以在日常生活中得到大规模的使用。而有机太阳能电池由于其低成本，容易制备，柔性等优点而受到科学界和工业界的广泛关注[1]。目前被广泛研究的有机太阳能电池主要包括染料敏化太阳能电池和聚合物太阳能电池。虽然有机太阳能电池的效率较低，但是它却有其独特的优势，比如由于它质量轻且可柔性化，特别适合于生活中的小功率器件，让生活更加便捷。最近线状太阳能电池成为了科学界的一个研究热点[2-8]，主要是因为线状电池的可编织性，可以让太阳能电池编织成任意的形状，从而进一步拓宽太阳能电池的应用范围。
然而作为可编制的线状太阳能电池，一个非常重要的特性是弹性，不然在使用过程中容易受到外力而破坏。但是，迄今为止，没有一种线状太阳能电池能够具有弹性，这主要是受到电极材料的限制。传统的线状电池，一般以金属、碳纤维、碳纳米管纤维等作为电极材料，而这些材料虽然具有很高的强度，却不具有良好的弹性，因此，如何让线状太阳能电池具有弹性，一直是科学界一个重要的难题。在这里我们对两个电极分别进行设计，成功制备出了具有弹性的线状染料敏化太阳能电池，为制备其他弹性电子器件提供了新的思路和方法。
发明内容
本发明的目的在于提供一种具有弹性的线状染料敏化太阳能电池及其制备方法。
本发明提供的具有弹性的线状染料敏化太阳能电池，以螺旋状的长有二氧化钛纳米管阵列的钛丝作为工作电极（形为弹簧状），以包有取向碳纳米管的橡胶纤维为对电极（为弹性导电），所述对电极置于所述工作电极中间形成同轴结构；该同轴结构封装于盛有液体电解液的弹性透明塑料管中。见图1和图2所示。
上述具有弹性的线状染料敏化太阳能电池的制备方法，具体步骤为：
制备弹簧状工作电极；制备弹性导电对电极；
把对电极放入工作电极中间形成同轴结构，然后封装在弹性透明塑料管中并引入液体电解液，即制备得弹性的线状染料敏化太阳能电池。
其中，弹性导电对电极的制备步骤如下：
使用两个马达和一个平移台，把一根弹性纤维的两端固定在两个马达上，把一个可纺碳纳米管阵列固定在平移台上，然后把碳纳米管薄膜从阵列中拉出，并以设定的角度搭在弹性纤维上；同步开启两个马达，两端固定在两个马达上的弹性纤维随之转动，将连续的碳纳米管薄膜以设定的角度（即螺旋角）不断地缠绕在弹性纤维上，通过设定平移台的移动速度，可以使得弹性纤维上的螺旋角保持不变；连续不断地进行上述过程，即可以制备得到弹性的导电纤维，再为对电极。
本发明中，螺旋角为30—85度较好，优选螺旋角为60—75度。
本发明中，缠绕在弹性纤维上的碳纳米管薄膜的厚度为20nm—5mm，优选厚度为1μm—5μm。
本发明制备的这种弹性导电纤维，其拉伸率可以达到100%，并且可以任意的弯曲和编织，具有非常好的柔性。
弹簧状工作电极的制备步骤如下：
首先把钛丝缠绕在一根铁丝上形成螺旋状结构，然后取下来进行阳极氧化，在钛丝表面生长二氧化钛纳米管阵列，然后用四氯化钛处理，最后吸附敏化染料。
本发明这种染料敏化太阳能电池的特殊结构，使太阳能电池具有一定的可拉伸性，当这种电池在拉伸30%之后还能够保持原来的结构，当撤去拉力后，电池又能恢复到原始的长度。
研究表明，以不同厚度碳纳米管对电极制备的弹性线状染料敏化太阳能电池的光伏性能，结果显示，当碳纳米管的厚度从110nm增加到550nm时，电池的开路电压基本保持在0.71V，而短路电流和填充因子分别从8.13 mA/cm2和0.23增加到16.00 mA/cm2和0.61；当碳纳米管的厚度进一步增加是，电池的参数基本保持不变。最高的光电转换效率达到了7.13%。同时我们也使用循环伏安法进一步研究了弹性碳纳米管电极的催化活性，可以看到随着碳纳米管厚度的增加，电极的还原峰电流不断地增大，说明电极的催化活性不断地增强。
同时我们也检测了这种弹性太阳能电池在拉伸前后光伏性能的变化，当这种太阳能电池的原始的和拉伸30%后，电池的开路电压基本保持不变，短路电流有略微的降低，填充因子有略微的增加，光电转换效率基本保持不变。进一步测试电池在多次拉伸过程中，各个光伏参数的变化，可以看到在拉伸20个循环之后，电池的光伏性能，基本保持不变，体现出很好的稳定性。
附图说明
图1为弹性线状染料敏化太阳能电池的示意图。
图2为弹性线状染料敏化太阳能电池的结构形貌图。其中，a为弹性线状染料敏化太阳能电池扫描电子显微镜图片，b为工作电极的扫描电子显微镜图片，c为对电极的扫描电子显微镜图片，d和e为弹性线状染料敏化太阳能电池拉伸前后的光学照片。
图3为以不同厚度碳纳米管对电极制备的弹性线状染料敏化太阳能电池的光伏特性曲线。  
图4为不同厚度碳纳米管的弹性电极的循环伏安测试曲线。
图5为拉伸前后纤维状太阳能电池的光伏特性曲线。
图6为各个光伏参数随着拉伸循环数的影响。
具体实施方式
第一，可纺取向碳纳米管阵列的合成。
垂直生长的碳纳米管阵列以Fe(1nm)/Al2O3(10nm)/SiO2/Si作为催化剂在管式炉石英管中通过典型的化学气相沉积法来合成。其中乙烯(75sccm)做为碳源，氩气(400sccm)和氢气(25sccm)作为载气。合成的碳纳米管整列的厚度为250微米。
第二，弹性导电纤维的制备。
首先，把一根弹性纤维的两端固定在两个马达上，把一个可纺碳纳米管阵列放在平移台上，然后把碳纳米管薄膜从阵列中拉出，并以一定的角度搭在弹性纤维上。当两个马达和平移台同时开启的时候，连续的碳纳米管薄膜会不断地裹在弹性纤维上，通过匹配平移台的速度和马达的转速，可以使得碳纳米管在纤维上的螺旋角保持不变。从而得到电学性能稳定的导电弹性纤维。
第三，光阳极的制备。
首先把一根127微米的钛丝缠绕在600微米的铁丝上形成螺旋结构，然后取下来对钛丝进行阳极氧化，使表面生长出二氧化钛纳米管阵列，然后在500摄氏度下退火，使二氧化钛管从金红石型转变为锐钛矿型，然后进一步在四氯化钛水溶液进行表面处理并再次在450摄氏度下退火，使工作电极表面吸附大量的二氧化钛粒子，从而能吸附更多的染料，最后把工作电极放入0.3mM的N719染料溶液中进行染料吸附。24小时后取出，室温干燥后即得到线状染料敏化太阳能电池的工作电极。
第四，电池的制备和组装。
在制备好工作电极和对电极之后，把导电弹性纤维插入螺旋结构的工作电极中，形成如图1所示的电池的结构并转移入一个透明的弹性塑料管中，进而在弹性透明塑料管中引入电解液并封装，完成一个线状电池的制备。
图3研究了以不同厚度碳纳米管对电极制备的弹性线状染料敏化太阳能电池的光伏性能，结果显示，当碳纳米管的厚度从110nm增加到550nm时，电池的开路电压基本保持在0.71V，而短路电流和填充因子分别从8.13 mA/cm2和0.23增加到16.00 mA/cm2和0.61；当碳纳米管的厚度进一步增加是，电池的参数基本保持不变。最高的光电转换效率达到了7.13%。同时我们也使用循环伏安法进一步研究了弹性碳纳米管电极的催化活性，从图4，可以看到随着碳纳米管厚度的增加，电极的还原峰电流不断地增大，说明电极的催化活性不断地增强。结合图3和图4可以推测出，碳纳米管厚度为550微米的对电极已经能够满足电池的正常工作。
同时我们也检测了这种弹性太阳能电池在拉伸前后光伏性能的变化，图5显示了这种太阳能电池的原始的和拉伸30%后的光伏性能。可以看到电池的开路电压基本保持不变，而短路电流有略微的降低，而填充因子有略微的增加，而光电转换效率基本保持不变。图6进一步测试了电池在多次拉伸过程中，各个光伏参数的变化，可以看到在拉伸20个循环之后，电池的光伏性能，基本保持不变，体现出很好的稳定性。
参考文献
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7.    G. R. Li, F. Wang, Q. W. Jiang, X. P. Gao and P. W. Shen, Angew. Chem. Int. Ed., 2010, 49, 3653.
8.    Y. C. Lan, Y. Wang and Z. F. Ren, Advances in Physics, 2011, 60, 553.。

Claims (6)

1. 一种弹性线状染料敏化太阳能电池，其特征在于：以螺旋状的长有二氧化钛纳米管阵列的钛丝作为工作电极，以包有取向碳纳米管的橡胶纤维为对电极，所述对电极置于所述工作电极中间形成同轴结构；该同轴结构封装于盛有液体电解液的弹性透明塑料管中。
2. 一种如权利要求1所述的弹性线状染料敏化太阳能电池的制备方法，其特征在于具体步骤如下：
制备弹簧状工作电极；制备弹性导电对电极；
把对电极放入工作电极中间形成同轴结构，然后封装在弹性透明塑料管中并引入液体电解液，即制备得弹性的线状染料敏化太阳能电池；
其中，弹性导电对电极的制备步骤如下：
使用两个马达和一个平移台，把一根弹性纤维的两端固定在两个马达上，把一个可纺碳纳米管阵列固定在平移台上，然后把碳纳米管薄膜从阵列中拉出，并以设定的角度搭在弹性纤维上；同步开启两个马达，两端固定在两个马达上的弹性纤维随之转动，将连续的碳纳米管薄膜以设定的角度即螺旋角不断地缠绕在弹性纤维上，通过设定平移台的移动速度，可以使得弹性纤维上的螺旋角保持不变；连续不断地进行上述过程，即制备得到弹性的导电纤维，作为对电极；
弹簧状工作电极的制备步骤如下：
首先把钛丝缠绕在一根铁丝上形成螺旋状结构，然后取下来进行阳极氧化，在钛丝表面生长二氧化钛纳米管阵列，然后用四氯化钛处理，最后吸附敏化染料。
3. 根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于螺旋角为30—85度。
4. 根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于所述螺旋角为60—75度。
5. 根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于缠绕在弹性纤维上的碳纳米管薄膜的厚度为20nm—5mm。
6. 根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于缠绕在弹性纤维上的碳纳米管薄膜的厚度为1μm--5μm。
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