CN103413683A - 电子束辐照改性柔性染料敏化纳米晶太阳能电池的制备 - Google Patents
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本发明涉及一种改性柔性染料敏化纳米晶太阳能电池的制备方法，属于太阳能电池技术领域和电子加速器应用技术领域。本发明以环氧乙烷（PEO）与聚丙烯腈（PAN）为原料，加入到碳酸丙烯酯（PC）与乙二醇二甲醚（DME）的混合液中，加入适量二氧化钛纳米颗粒，于60～80℃温度下搅拌混合均匀后，形成凝胶态物质；将该凝胶物质涂覆在以导电聚萘乙烯（PEN）为衬底的二氧化钛（TiO2）电极上，并对该涂覆凝胶的电极进行电子束辐照；辐照后以涂有高纯石墨层的导电PEN薄膜作为对电极，组装成三明治结构；滴入碘和碘化钾的乙腈溶液作为氧化还原电对；封装得到柔性染料敏化太阳电池（DSSC）。本发明制作的柔性染料敏化太阳电池与未经电子束辐照时的同种电解质组装的柔性DSSC相比，在模拟光源下的光电转化效率提高了5～20%。
Description
技术领域
本发明涉及一种改性柔性染料敏化纳米晶太阳能电池的制备方法，属于太阳能电池技术领域和电子加速器应用技术领域。
背景技术
染料敏化纳米晶太阳电池作为目前最有前途的第四代新型太阳能电池之一受到广泛的关注。它的重要组成部分——电解质，其性能的优劣直接影响到电池的光电转化效率。液态电解质制备的电池效率高，但液态电解质由于易挥发、封装困难、稳定性差。因此，“找到性能良好的固态和准固态的电解质”以及“如何提高现有电解质性能”就成为了提高染料敏化太阳能电池效率的关键问题。
发明内容
本发明的目的在于避免现有技术的不足提供一种电子束辐照改性柔性染料敏化纳米晶太阳能电池的制备方法。模拟光源下测试表明，该方法制作的柔性染料敏化太阳电池与未经电子束辐照时的同种电解质组装的柔性染料敏化太阳电池相比，光电转化效率提高了5～20%。这就为解决提高现有电解质性能关键问题提供了一种新的途径。
为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：一种电子束辐照改性柔性染料敏化纳米晶太阳能电池的制备方法，其主要特点在于包括以下步骤：
1）将环氧乙烷（PEO）与聚丙烯腈（PAN）以1:0.8～1:1.2的质量比配比，加入到碳酸丙烯酯（PC）与乙二醇二甲醚（DME）的体积比为1:7～1:10混合液中，使得环氧乙烷与聚丙烯腈在聚合体系中的总质量为8～12%；搅拌1～2小时之后加入30-80纳米二氧化钛纳米颗粒，二氧化钛纳米颗粒在聚合体系中的总质量为0.5%～2.5%，并于60～80℃温度下搅拌混合均匀后，形成凝胶物；
2）将上述凝胶物室温下均匀涂覆在以导电聚萘乙烯为衬底的二氧化钛电极上，（涂在有二氧化钛的那面），涂覆厚度为10～25微米；之后将涂覆凝胶的电极进行电子束辐照，电子束辐照的辐照能量密度为1020eV/cm2～1021eV/cm2；
3）将涂覆了纯度为99.99%、厚度为5～10微米石墨层的导电聚萘乙烯薄膜压在上述辐照后的涂覆了凝胶层的以导电聚萘乙烯为衬底的二氧化钛电极上面，其中石墨层与凝胶层为接触面，组装成导电聚萘乙烯——二氧化钛——凝胶层——石墨层——导电聚萘乙烯的三明治结构的电池；
4）从上述压制好的三明治结构电池侧面用滴管滴入碘和碘化钾的乙腈溶液0.5～2ml作为氧化还原电对，碘和碘化钾的乙腈溶液中，碘与碘化钾以1:8～1:12的摩尔比混合；碘在该溶液体系中的浓度为0.1～0.2mol/L；碘化钾在该溶液体系中的浓度为1.0～2.0mol/L；用热封膜封装电池侧边后得到柔性染料敏化太阳能电池。
所述的电子束辐照改性柔性染料敏化纳米晶太阳能电池的制备方法，所述的电子束能量为0.8～2.0MeV，流强为3-20mA。
本发明的有益效果在于：该方法制作的柔性染料敏化太阳能电池与未经电子束辐照时的同种电解质组装的柔性染料敏化太阳能电池相比，即图1中辐照剂量为0的点所表示，如实施例4中得到的效率为1.63%，对比未辐照的PAN/PEO凝胶制备的电池效率1.36%，提高了19.9%，在模拟光源下的光电转化效率提高了5～20%，为提高现有电解质性能提供了一种新的途径。
附图说明
图1为电子辐照剂量与染料敏化太阳电池效率的依赖关系曲线；
图2为聚合物体系二氧化钛纳米颗粒含量与染料敏化太阳电池效率的依赖关系曲线。
具体实施方式
以下结合具体的实施例对本发明电子辐照改性聚合物电解质的制备和应用作进一步说明。
实施例1：一种电子束辐照改性柔性染料敏化纳米晶太阳能电池的制备方法，包括以下步骤：
1）将环氧乙烷（PEO）与聚丙烯腈（PAN）以1:0.8的质量比配比，加入到碳酸丙烯酯（PC）与乙二醇二甲醚（DME）的体积比为1:7混合液中，使得环氧乙烷与聚丙烯腈在聚合体系中的总质量为8%；搅拌1～2小时之后加入30纳米二氧化钛纳米颗粒，二氧化钛纳米颗粒在聚合体系中的总质量为0.5%，并于60℃温度下搅拌混合均匀后，形成凝胶物；
2）将上述凝胶物室温下均匀涂覆在以导电聚萘乙烯为衬底的二氧化钛电极上，涂覆厚度为10微米，涂在有二氧化钛的那面。之后将涂覆凝胶的电极进行电子束辐照，电子束辐照的辐照能量密度为1020eV/cm2；所述的电子束能量为0.8MeV，流强为3mA。
3）将涂覆了纯度为99.99%、厚度为5微米石墨层的导电聚萘乙烯薄膜压在上述辐照后的涂覆了凝胶层的以导电聚萘乙烯为衬底的二氧化钛电极上面，其中石墨层与凝胶层为接触面，组装成导电聚萘乙烯——二氧化钛——凝胶层——石墨层——导电聚萘乙烯的三明治结构的电池；
4）从上述压制好的三明治结构电池侧面用滴管滴入碘和碘化钾的乙腈溶液0.5ml作为氧化还原电对，碘和碘化钾的乙腈溶液中，碘与碘化钾以1:8的摩尔比混合；碘在该溶液体系中的浓度为0.1mol/L；碘化钾在该溶液体系中的浓度为1.0mol/L；用热封膜封装电池侧边后得到柔性染料敏化太阳能电池。
实施例2：一种电子束辐照改性柔性染料敏化纳米晶太阳能电池的制备方法，包括以下步骤：
1）将环氧乙烷（PEO）与聚丙烯腈（PAN）以1:1.0的质量比配比，加入到碳酸丙烯酯（PC）与乙二醇二甲醚（DME）的体积比为1:8混合液中，使得环氧乙烷与聚丙烯腈在聚合体系中的总质量为10%；搅拌1～2小时之后加入50纳米二氧化钛纳米颗粒，二氧化钛纳米颗粒在聚合体系中的总质量为1.5%，并于70℃温度下搅拌混合均匀后，形成凝胶物；
2）将上述凝胶物室温下均匀涂覆在以导电聚萘乙烯为衬底的二氧化钛电极上，涂覆厚度为15微米，涂在有二氧化钛的那面。之后将涂覆凝胶的电极进行电子束辐照，电子束辐照的辐照能量密度为4×1020eV/cm2；所述的电子束能量为1.5MeV，流强为10mA。
3）将涂覆了纯度为99.99%、厚度为8微米石墨层的导电聚萘乙烯薄膜压在上述辐照后的涂覆了凝胶层的以导电聚萘乙烯为衬底的二氧化钛电极上面，其中石墨层与凝胶层为接触面，组装成导电聚萘乙烯——二氧化钛——凝胶层——石墨层——导电聚萘乙烯的三明治结构的电池；
4）从上述压制好的三明治结构电池侧面用滴管滴入碘和碘化钾的乙腈溶液1.5ml作为氧化还原电对，碘和碘化钾的乙腈溶液中，碘与碘化钾以1:10的摩尔比混合；碘在该溶液体系中的浓度为0.15mol/L；碘化钾在该溶液体系中的浓度为1.5mol/L；用热封膜封装电池侧边后得到柔性染料敏化太阳能电池。
实施例3：一种电子束辐照改性柔性染料敏化纳米晶太阳能电池的制备方法，包括以下步骤：
1）将环氧乙烷（PEO）与聚丙烯腈（PAN）以1:1.2的质量比配比，加入到碳酸丙烯酯（PC）与乙二醇二甲醚（DME）的体积比为1:10混合液中，使得环氧乙烷与聚丙烯腈在聚合体系中的总质量为12%；搅拌1～2小时之后加入80纳米二氧化钛纳米颗粒，二氧化钛纳米颗粒在聚合体系中的总质量为2.5%，并于80℃温度下搅拌混合均匀后，形成凝胶物；
2）将上述凝胶物室温下均匀涂覆在以导电聚萘乙烯为衬底的二氧化钛电极上，涂覆厚度为25微米，涂在有二氧化钛的那面。之后将涂覆凝胶的电极进行电子束辐照，电子束辐照的辐照能量密度为1021eV/cm2；所述的电子束能量为2.0MeV，流强为20mA。
3）将涂覆了纯度为99.99%、厚度为10微米石墨层的导电聚萘乙烯薄膜压在上述辐照后的涂覆了凝胶层的以导电聚萘乙烯为衬底的二氧化钛电极上面，其中石墨层与凝胶层为接触面，组装成导电聚萘乙烯——二氧化钛——凝胶层——石墨层——导电聚萘乙烯的三明治结构的电池；
4）从上述压制好的三明治结构电池侧面用滴管滴入碘和碘化钾的乙腈溶液2ml作为氧化还原电对，碘和碘化钾的乙腈溶液中，碘与碘化钾以1:12的摩尔比混合；碘在该溶液体系中的浓度为0.2mol/L；碘化钾在该溶液体系中的浓度为2.0mol/L；用热封膜封装电池侧边后得到柔性染料敏化太阳能电池。
实施例4：一种电子束辐照改性柔性染料敏化纳米晶太阳能电池的制备方法，包括以下步骤：
（1）将碳酸丙烯酯10ml，密度1.21g/cm3和乙二醇二甲醚90ml，密度0.87g/cm3混合均匀后，加入5.14g聚丙烯腈粉末（分子量8000），于80℃搅拌均匀，再加入5.14g聚环氧乙烷（分子量1000），继续搅拌到完全溶解，此时添加加入80纳米二氧化钛2.05g，并于80℃温度下搅拌混合均匀后，形成凝胶态聚合物体系；
（2）将该凝胶物质涂覆在以导电聚萘乙烯为衬底的二氧化钛电极，手术刀法制备并用N-719敏化过24小时以上，并对该涂覆凝胶的电极进行电子束辐照，辐照能量密度为6×1020ev/cm2；
（3）以涂有高纯石墨层的导电聚萘乙烯薄膜作为对电极，组装成三明治结构；
（4）滴入碘和碘化钾的乙腈溶液2.0ml作为氧化还原电对（碘和碘化钾的乙腈溶液中，碘与碘化钾以1:10的摩尔比混合；碘在该溶液体系中的浓度为0.1mol/L；碘化钾在该溶液体系中的浓度为1.0mol/L）；用Surlyn1702封装得到柔性染料敏化太阳电池。
对比例：
在室温环境下，使用150mW/cm2氙灯模拟光源制备的染料敏化太阳电池，得到的效率为1.63%，对比未辐照的PAN/PEO凝胶制备的电池（效率为1.36%），效率提高了19.9%。
影响染料敏化太阳电池光电转化效率的因素：
1、辐照能量密度
从电子辐照剂量与染料敏化太阳电池效率的依赖关系曲线可以发现，辐照处理后，染料敏化太阳电池的光电转化效率都比未辐照处理的样品高；并且随辐照能量密度的增加，染料敏化太阳能电池的光电转换效率先增加后逐渐减小，即存在一个最佳辐照能量密度6×1020ev/cm2，能够使染料敏化太阳电池的效率达到最大，如图1。
2、聚合物体系二氧化钛纳米颗粒含量
从聚合物体系二氧化钛纳米颗粒含量与染料敏化太阳电池效率的依赖关系曲线可以发现，二氧化钛的适量添加能够提高染料敏化太阳电池的光电转化效率。对于该PAN/PEO体系，达到效率最高的添加量为2.0%，如图2。
Claims (2)
1.一种电子束辐照改性柔性染料敏化纳米晶太阳能电池的制备方法，其特征在于包括以下步骤：
1）将环氧乙烷与聚丙烯腈以1:0.8～1:1.2的质量比配比，加入到碳酸丙烯酯与乙二醇二甲醚的体积比为1:7～1:10混合液中，使得环氧乙烷与聚丙烯腈在聚合体系中的总质量为8～12%；搅拌1～2小时之后加入30-80纳米二氧化钛纳米颗粒，二氧化钛纳米颗粒在聚合体系中的总质量为0.5%～2.5%，并于60～80℃温度下搅拌混合均匀后，形成凝胶物；
2）将上述凝胶物室温下均匀涂覆在以导电聚萘乙烯为衬底的二氧化钛电极上，涂覆厚度为10～25微米；之后将涂覆凝胶的电极进行电子束辐照，电子束辐照的辐照能量密度为1020eV/cm2～1021eV/cm2；
3）将涂覆了纯度为99.99%、厚度为5～10微米石墨层的导电聚萘乙烯薄膜压在上述辐照后的涂覆了凝胶层的以导电聚萘乙烯为衬底的二氧化钛电极上面，其中石墨层与凝胶层为接触面，组装成导电聚萘乙烯——二氧化钛——凝胶层——石墨层——导电聚萘乙烯的三明治结构的电池；
4）从上述压制好的三明治结构电池侧面用滴管滴入碘和碘化钾的乙腈溶液0.5～2ml作为氧化还原电对，碘和碘化钾的乙腈溶液中，碘与碘化钾以1:8～1:12的摩尔比混合；碘在该溶液体系中的浓度为0.1～0.2mol/L；碘化钾在该溶液体系中的浓度为1.0～2.0mol/L；用热封膜封装电池侧边后得到柔性染料敏化太阳能电池。
2.如权利要求1所述的电子束辐照改性柔性染料敏化纳米晶太阳能电池的制备方法，其特征在于所述的电子束能量为0.8～2.0MeV，流强为3-20mA。
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