CN103578782A - 一种提高染料敏化电池纳晶TiO2电极光吸收效率的方法 - Google Patents

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王芸
甘治平
金良茂
石丽芬
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Abstract

本发明公开一种提高染料敏化电池纳晶TiO2电极光吸收效率的方法，利用准分子激光对纳晶TiO2薄膜进行辐照处理，使纳晶TiO2薄膜表层形成晶粒尺寸较大的散射层，所述准分子激光包括XeCl激光、ArF激光或KrF激光，利用散射层的反射效应，增加染料分子吸收光子的概率，达到提高染料敏化电池纳晶TiO2电极光吸收效率的目的。

Description

一种提高染料敏化电池纳晶TiO2电极光吸收效率的方法
技术领域
本发明涉及染料敏化电池领域，尤其涉及一种提高染料敏化电池纳晶TiO2电极光吸收效率的方法。
背景技术
近年来，以纳晶TiO2薄膜作为光阳极材料的染料敏化太阳能电池是性能最为优良的一种太阳能电池，具有廉价、工艺简单、性能稳定等优点，通常纳晶TiO2薄膜电极制作在FTO（F掺杂二氧化锡透明导电膜）玻璃基板上。
纳晶TiO2薄膜电极具有吸附染料分子、分离电荷以及传输光生载流子的功能，是太阳能电池的关键部分，其微结构将直接影响电池的采光效率、光散射性能、电子输运等方面，从而影响电池的光电转换效率。人们已采用表面修饰、离子掺杂、复合其它氧化物薄膜、微观结构的设计等方法来提高纳晶TiO2薄膜的光电性能，都取得了一定的效果。
现有提高光吸收效率的方法是在原有纳晶TiO2薄膜表面涂覆一层大颗粒的二氧化钛薄层，再将包括多层膜的玻璃板放入加热炉经过高温烧结而成。由于该方法是将基板与涂覆在其表面的大颗粒二氧化钛层整体一起进行高温加热处理，存在以下缺陷：1）对FTO基板性能有一定的损害，在长时间高温条件下F离子会慢慢扩散出薄膜，导致薄膜的非化学计量程度降低，载流子浓度降低，因此FTO薄膜的方块电阻增大，可见光区透光率略有下降；2）长时间高温处理易造成膜层及基板的变形。
发明内容
针对现有技术所存在的不足，本发明的目的是提供一种提高染料敏化电池纳晶TiO2电极光吸收效率的方法，有效避免FTO基底损害、FTO薄膜固有性能的下降，及膜层与基板的变形。利用准分子激光对纳晶TiO2薄膜进行辐照处理，在薄膜表层直接获得散射层。
本发明的技术问题通过以下的技术方案予以解决：
一种提高染料敏化电池纳晶TiO2电极光吸收效率的方法，其特征在于，利用准分子激光对纳晶TiO2薄膜进行辐照处理，使纳晶TiO2薄膜表层晶粒发生再结晶，形成纳晶TiO2散射层，辐照处理前纳晶TiO2薄膜的晶粒尺寸为10~25nm，辐照处理后形成纳晶TiO2散射层的晶粒尺寸为180~280nm，利用散射层的反射效应，增加染料分子吸收光子的概率，从而提高纳晶TiO2电极光吸收效率。
准分子激光对纳晶TiO2薄膜辐照处理的步骤包括：1）将待处理的薄膜基板水平放置在工作台上，所述薄膜基板包括玻璃基板及其上表面依次设置的FTO薄膜、纳晶TiO2薄膜；2）激光器发出的准分子激光经反射镜改变方向后，进入扩散器，使光束尺寸与均匀器及投影透镜匹配；3）光束通过均匀器，使光束强度均匀分布；4)光束通过投影透镜，使光束聚焦为工作光束；5）工作光束均匀移动扫描纳晶TiO2薄膜表面形成纳晶TiO2散射层，完成辐照处理。
所述准分子激光包括XeCl激光、ArF激光或KrF激光。
所述纳晶TiO2薄膜制备在FTO玻璃基板上，并且符合染料敏化电池光阳极的使用要求。
在TiO2薄膜表面增加散射层，让透过原薄膜层未被吸收的阳光，遇到散射层后，反射回来再次激发染料, 并且可以进行多次反射，增加染料分子吸收光子的概率，使电池光电效率得到有效提高。
有益效果：
本发明利用准分子激光对纳晶TiO2薄膜局部进行选择性辐照处理，在薄膜表层直接获得散射层；由于脉冲激光的作用时间极短，激光能量只会对纳晶TiO2薄膜表层产生影响，从而避免了现有技术长时间高温处理引起的F离子扩散以及其它杂质的扩散对FTO基底造成的损害，有效避免了FTO薄膜固有性能的下降，并且可以很好地避免膜层及玻璃基板的变形。
附图说明
图1是实现本发明辐照处理的激光设备结构示意图；
图2是工作光束扫描纳晶TiO2薄膜的示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式例对本发明作进一步的详细说明。
如图1所示，对纳晶TiO2薄膜进行辐照处理所采用的激光设备包括激光器1、反射镜2、扩束器3、均匀器4、投影透镜5及载玻台6，扩束器3是由一组棱镜或柱透镜构成，均匀器4由两级蝇眼透镜做成9×9阵列组构成，通过在均匀器中设置透镜通光孔径限定光束长轴的尺寸，在均匀器后设置狭缝来修剪光束短轴方向边缘，投影透镜是一对柱面透镜，通过它将所述工作光束聚焦为一条细光束线，工作光束扫描纳晶TiO2薄膜时，通过调整工作光束的能量密度、脉宽时间和扫描速度，来获得最佳大粒径尺寸和散射层厚度。
如图1所示，按以下步骤进行：1）将待处理的薄膜基板水平放置在工作台6上，参见图2所示，薄膜基板包括玻璃基板9及其上表面依次设置的FTO薄膜8、纳晶TiO2薄膜7，纳晶TiO2薄膜7厚度为6微米，晶粒尺寸10~25nm，玻璃基板尺寸为360×400mm。；2）激光器1发出的准分子激光经反射镜2改变方向后，进入扩散器3，使光束尺寸与均匀器及后面的传输光学元件匹配；3）光束通过均匀器4，使光束强度均匀分布；4)再通过投影透镜5，使光束聚焦为工作光束10；5）工作光束10匀速横向移动，扫描纳晶TiO2薄膜表面，形成大粒径的纳晶TiO2散射层11，完成对纳晶TiO2薄膜7的辐照处理。
上述激光器1选用波长为 308 nm的 XeCl 准分子激光器，参数300 W/300 Hz/1 000 mJ。激光器1发出的准矩形光束，大小为8×20mm，经过扩散器3、均匀器4、投影透镜5处理后，得到工作光束10，大小为0.4×365mm, 能量密度50 ～450 mJ/cm2，脉宽3~50ns，扫描速度1~20mm/s。
上述工作光束10一次扫描即可完成对纳晶TiO2薄膜基板6的处理，通过工作光束参数调整，可获得最佳大粒径尺寸和散射层厚度。处理后的基板可切割为约100片8×180mm的条状纳晶TiO2薄膜光阳极基板。
用SEM观测处理后的纳晶TiO2薄膜，其表层晶粒尺寸为180~280nm，该层厚度经测量为1.2微米，膜层仍然保持多孔结构，该层以下的TiO2层和FTO层未受影响。将原有薄膜和处理后的薄膜分别制成电池，在 100 mW·cm-2光照条件下测试，电池的短路电流由 8.16提高到10.22 mA·cm-2，说明纳晶TiO2电极光吸收效率得到提高。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制；任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同替换、等效变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。

Claims (4)

1.一种提高染料敏化电池纳晶TiO2电极光吸收效率的方法，其特征在于，利用准分子激光对纳晶TiO2薄膜进行辐照处理，使纳晶TiO2薄膜表层晶粒发生再结晶，形成纳晶TiO2散射层，辐照处理前纳晶TiO2薄膜的晶粒尺寸为10~25nm，辐照处理后形成纳晶TiO2散射层的晶粒尺寸为180~280nm，利用散射层的反射效应，增加染料分子吸收光子的概率，从而提高纳晶TiO2电极光吸收效率。
2.根据权利要求1所述的一种提高染料敏化电池纳晶TiO2电极光吸收效率的方法，其特征在于，准分子激光对纳晶TiO2薄膜辐照处理的步骤包括：1）将待处理的薄膜基板水平放置在工作台上，所述薄膜基板包括玻璃基板及其上表面依次设置的FTO薄膜、纳晶TiO2薄膜；2）激光器发出的准分子激光经反射镜改变方向后，进入扩散器，使光束尺寸与均匀器及投影透镜匹配；3）光束通过均匀器，使光束强度均匀分布；4)光束通过投影透镜，使光束聚焦为工作光束；5）工作光束匀速移动扫描纳晶TiO2薄膜表面形成纳晶TiO2散射层，完成辐照处理。
3.根据权利要求1所述的提高染料敏化电池纳晶TiO2电极光吸收效率的方法，其特征在于，所述准分子激光包括XeCl激光、ArF激光或KrF激光。
4.根据权利要求1所述的提高染料敏化电池纳晶TiO2电极光吸收效率的方法，其特征在于，所述纳晶TiO2薄膜制备在FTO玻璃基板上，并且符合染料敏化电池光阳极的使用要求。
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