CN103794376A

CN103794376A - 一种用于染料敏化太阳能电池光阳极上光散射层浆料及其制备方法

Info

Publication number: CN103794376A
Application number: CN201410057940.4A
Authority: CN
Inventors: 文贵华; 顾军; 邹志刚
Original assignee: Kunshan Innovation Institute of Nanjing University
Current assignee: Kunshan Innovation Institute of Nanjing University
Priority date: 2014-02-21
Filing date: 2014-02-21
Publication date: 2014-05-14
Anticipated expiration: 2034-02-21
Also published as: CN103794376B

Abstract

本发明公开了一种用于染料敏化太阳能电池光阳极上光散射层浆料，其组分为TiO₂颗粒、乙基纤维素和松油醇，且TiO₂颗粒：乙基纤维素：松油醇的重量配比为1∶0.2~0.5∶2~8，其中，所述TiO₂颗粒为由10~30nm的TiO₂纳米颗粒和0.2~0.4μm的TiO₂颗粒按照1:1~5的重量比的混合。本发明DSSC光阳极散射层浆料采用锐钛矿结构的大颗粒与小颗粒TiO₂按照一定比例混合而成，其中小颗粒10nm~30nm的TiO₂在其中具有过渡作用，促进了传递层与散射层之间的结合，防止光阳极在高温烧结后的龟裂现象发生，同时增加了光程提高电池效率。

Description

一种用于染料敏化太阳能电池光阳极上光散射层浆料及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种用于染料敏化太阳能电池光阳极上光散射层浆料及其制备方法，属于太阳能电池技术领域。

背景技术

太阳能作为一种新的能源，在全球气候变暖和雾霾不断出现的环境下，越来越受到人们的关注。在各种薄膜太阳能电池中，染料敏化太阳能电池以其制作工艺简单、便于大规模生产、成本低廉等优点愈来愈受到广泛重视。在染料敏化太阳能电池中，多孔光阳极的性能对电池的性能的影响尤为重要，因此多年来关于光阳极膜的研究也越来越多。

为实现尽可能多的吸附染料，同时实现与导电基底的牢固接触，并实现电子从染料激发态到导电衬底的传输以及电解质中氧化还原电对的有效传输，多孔光阳极的制备技术方面的研究报道较多。

目前多孔光阳极基本为叠层结构，吸收层为粒径较小的纳米TiO₂，其对太阳光的利用率不是很高，在吸收层上面再制备具有光再次利用的大颗粒的光散射层对太阳光的利用率明显提高，因此通过大颗粒的光散射作用增加光程和对太阳光可以二次吸收，从而增加光的再次利用效率，提高DSSC的光电转换效率。

现有技术一：

专利申请号：201010294290.7

该专利阐述了一种DSSC光阳极散射层浆料的制备方法，采用4μm锐钛矿TiO₂与100nm、200nm和360nm的TiO₂混合置于玛瑙碾钵中，再与配制好的乙基纤维素松油醇溶液混合与碾钵中充分碾磨1h，制备成散射层浆料。

该制备技术的缺点：该技术在制备时采用碾磨方式很难使颗粒均匀分散混合于添加剂和造孔剂中，高温烧结后容易产生龟裂。该技术制备的散射层浆料中TiO₂全为较大颗粒，与基地的小颗粒直接接触而无过渡，传输层中的TiO₂颗粒都较小，在20nm左右，将这样的大颗粒散射层制备于基底层上，通过高温烧结后将产生龟裂现象，而且颗粒过大对染料的吸附性大大降低，颗粒之间接触较小，比表面积大大减小，势必影响电池效率。该技术通过碾钵研磨的方式不能很好的使TiO₂颗粒与溶剂等混合分散均匀，且制备量受限，不能批量生产和大批量制备。

现有技术二：

专利申请号：201110241940.6

该专利阐述了一种染料敏化太阳能电池散射层浆料的制备方法及其修饰工艺，采用钛盐水解法，利用碱性溶液促进水解，形成白色沉淀至溶液PH ＝6～8 ；将白色沉淀洗涤后，利用氧化物溶解，制备过氧化钛中间产物，按照比例用蒸馏水稀释，在水热釜中按照一定温度和时间处理，获得均匀短棒状的纳米级二氧化钛电池散射层浆料。

该技术的缺点：该技术制备工艺过于复杂冗繁，不能面向市场化和批量化，仅局限于实验室，且该技术制备的电池效率仅为3.28%，目前DSSC的领域的效率早已超过10%，因此这样的效率在该领域没有任何优势和新颖。

现有技术三：

专利申请号：201110401157.1

该专利阐述了一种染料敏化太阳能电池散射层的制备方法，该技术采用四氯化钛水解，通过水热反应得到到氧化钛散射微球，再添加造孔剂和溶剂，经过研磨得到均匀的浆料。

该技术的缺点：制备周期相对较长，至少两天时间，而且水热反应中的水热釜的大小制约了该制备技术浆料制备量，很难批量化和产业化，且该技术制备的散射层浆料对电池的性能提高不够明显。

发明内容

本发明要解决的技术问题是克服现有的缺陷，提供了工艺简单、吸附性好且不易出现烧结龟裂的用于染料敏化太阳能电池光阳极上光散射层浆料；

本发明的另一目的是提供上述浆料的制备方法。

本发明的目的通过以下技术方案来具体实现：

一种用于染料敏化太阳能电池光阳极上光散射层浆料，其组分为TiO₂颗粒、乙基纤维素和松油醇，且TiO₂颗粒：乙基纤维素：松油醇的重量配比为1：0.2~0.5：2~8，其中，所述TiO₂颗粒为由10~30nm的TiO₂纳米颗粒和0.2~0.4μm的TiO₂颗粒按照1:1~5的重量比的混合。

优选的，用于染料敏化太阳能电池光阳极上光散射层浆料，TiO₂颗粒：乙基纤维素：松油醇的重量比为1：0.4：4。

优选的，所述TiO₂颗粒为由10~30nm的TiO₂纳米颗粒和0.4μm的TiO₂颗粒按照1:3的重量比的混合。

优选的，所述用于染料敏化太阳能电池光阳极上光散射层浆料的粘度为2*10⁵ mPa.s ~3*10⁵ mPa.s，最佳粘度为2.5*10⁵ mPa.s。

上述的用于染料敏化太阳能电池光阳极上光散射层浆料的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：

1）将粒径为10~30nm的TiO₂纳米颗粒与0.2~0.4μm的TiO₂颗粒按照的比例混合；

2）将1）中混合好的TiO₂粉均匀分散于无水乙醇溶液中，其中，TiO₂：乙醇的质量比为1:10~20；

3）将乙基纤维素配制成8wt%~15wt%的乙醇溶液，其中，乙基纤维素单选用粘度为30~50 mPa.s，或者选用8~10 mPa.s与40~100 mPa.s按照1:1的质量比混合配制而成；

4）按照上述TiO₂颗粒、乙基纤维素和松油醇的比例，向步骤2)的得到的溶液中添加步骤3)中配制好的乙基纤维素乙醇溶液和松油醇，使溶液混合均匀，形成胶体状乳液；

5）将步骤4)中混合好的胶体乳液通过旋转蒸发仪旋蒸出其中的乙醇，即可得到TiO₂散射层浆料。

优选的，所述步骤2）中，所述TiO₂：乙醇的质量比为1:15。

优选的，所述步骤3）中，乙基纤维素的乙醇溶液的浓度为12wt%。

优选的，所述步骤3）中，乙基纤维素选用粘度为30~50 mPa.s的乙基纤维素。

优选的，所述步骤4）中，采用超声分散、机械搅拌或磁力搅拌中的一种或者多种方式结合进行混合。

本发明的有益效果：

本发明采用粒径为10~30nm的锐钛矿TiO₂纳米颗粒与0.2~0.4μm的锐钛矿TiO₂颗粒按照质量比TiO₂：乙基纤维素：松油醇=1：0.2~0.5：2~8的比例与松油醇和乙基纤维素配制成乳胶状溶液，再通过旋蒸而得到的粘度为2*10⁵ mPa.s~3*10⁵ mPa.s的TiO₂散射层浆料。与现有技术相比，本发明DSSC光阳极散射层浆料及其制备方法至少具有以下优点：

a)采用锐钛矿结构的大颗粒与小颗粒TiO₂按照一定比例混合而成，其中小颗粒10nm~30nm的TiO₂在其中具有过渡作用，促进了传递层与散射层之间的结合，防止光阳极在高温烧结后的龟裂现象发生，同时增加了光程提高电池效率；

b)该制备技术简单，成本较低，浆料粘度可控，该浆料可用于刮涂和丝网印刷，便于实现大面积的TiO₂ 薄膜的制备和生产，为染料敏化太阳能电池的产业化奠定了良好的应用基础。

本发明提供的用于染料敏化太阳能电池光阳极上的光散射层浆料，通过增加光程和对太阳光的二次吸收，从而增加光的再次利用效率，提高DSSC的光电转换效率25%左右。

具体实施方式

以下对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例1：

步骤（1）：将4g粒径分布范围在10~30nm的TiO₂纳米粉与12g 粒径为0.4μm的TiO₂粉混合；

步骤（2）：将步骤（1）中混合好的TiO₂粉按照质量比TiO₂：无水乙醇=1:15的比例，均匀分散于无水乙醇溶液中，形成A溶液；

步骤（3）：将乙基纤维素（#46080，粘度为30~50mPa.s，购自Sigma）配制成12wt%的无水乙醇溶液，形成B溶液；

步骤（4）：向步骤（2）的A溶液中滴加步骤（3）的B溶液，按照质量比TiO₂：乙基纤维素 = 1：0.4的比较滴加B溶液；

步骤（5）：往步骤（4）中滴加松油醇，按照质量比TiO₂：松油醇 = 1：4的比较滴加；

步骤（6）：将步骤（5）中的溶液通过机械搅拌2~3h，使溶液充分混合均匀，最后得到白色胶状乳液；

步骤（7）：将步骤（6）中的溶液倒入茄形瓶中，通过旋转蒸发仪旋蒸除去多余的乙醇，得到粘度为2.5*10⁵mPa.s左右的用于DSSC光阳极上的散射层浆料。

实施例2：

步骤（1）：将8g粒径分布范围在10~30nm的TiO₂纳米粉与8g 粒径为0.3μm的TiO₂粉混合；

步骤（3）：将乙基纤维素（#46080，粘度为30~50mPa.s，购自Sigma）配制成10wt%的无水乙醇溶液，形成B溶液；

步骤（4）：向步骤（2）的A溶液中滴加步骤（3）的B溶液，按照质量比TiO₂：乙基纤维素 = 1：0.5的比较滴加B溶液；

步骤（5）：往步骤（4）中滴加松油醇，按照质量比TiO₂：松油醇 = 1：5的比较滴加；

步骤（6）：将步骤（5）中的溶液通过机械搅拌3h，使溶液充分混合均匀，最后得到白色胶状乳液；

步骤（7）：将步骤（6）中的溶液倒入茄形瓶中，通过旋转蒸发仪旋蒸除去多余的乙醇，得到粘度大致为2.3*10⁵mPa.s左右的用于DSSC光阳极的散射层浆料。

实施例3：

步骤（1）：将4g粒径分布范围在10~30nm的TiO₂纳米粉与18g 粒径为0.2μm的TiO₂粉混合；

步骤（2）：将步骤（1）中混合好的TiO₂粉按照质量比TiO₂：无水乙醇=1:20的比例，均匀分散于无水乙醇溶液中，形成A溶液；

步骤（3）：将乙基纤维素粘度m9 （粘度为8~10 mPa.s，沪试）与m70（粘度为40~100 mPa.s，沪试）按照1：1的质量比配制成12wt%的无水乙醇溶液，形成B溶液；

步骤（6）：将步骤（5）中的溶液通过机械搅拌3h，使溶液充分混合均匀，最后得到白色乳胶状溶液；

上述各实施例制备的散射层浆料制备的光阳极电池的光电性能，与相同条件下未制备散射层的光阳极制备的电池的光电性能的数据对比情况，参见表1。

表1

。

通过表1可以看出：通过制备散射层的光阳极对电池效率有明显提高，相对于未制备散射层的电池效率提高了25%，且大颗粒采用0.4μm制备的散射层浆料性能较好。通过表中数据分析可知有无散射层对电池的电流密度影响较大，通过制备散射层后的电池的电流密度提高近30%左右。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种用于染料敏化太阳能电池光阳极上光散射层浆料，其特征在于：其组分为TiO₂颗粒、乙基纤维素和松油醇，且TiO₂颗粒：乙基纤维素：松油醇的重量配比为1：0.2~0.5：2~8，其中，所述TiO₂颗粒为由10~30nm的TiO₂纳米颗粒和0.2~0.4μm的TiO₂颗粒按照1:1~5的重量比的混合。

2.根据权利要求1所述的用于染料敏化太阳能电池光阳极上光散射层浆料，其特征在于：TiO₂颗粒：乙基纤维素：松油醇的重量比为1：0.4：4。

3.根据权利要求1所述的用于染料敏化太阳能电池光阳极上光散射层浆料，其特征在于：所述TiO₂颗粒为由10~30nm的TiO₂纳米颗粒和0.4μm的TiO₂颗粒按照1:3的重量比的混合。

4.根据权利要求1-3任一项所述的用于染料敏化太阳能电池光阳极上光散射层浆料，其特征在于：所述用于染料敏化太阳能电池光阳极上光散射层浆料的粘度为2*10⁵ mPa.s ~3*10⁵ mPa.s。

5.根据权利要求4所述的用于染料敏化太阳能电池光阳极上光散射层浆料，其特征在于：所述用于染料敏化太阳能电池光阳极上光散射层浆料的粘度为2.5*10⁵ mPa.s。

6.根据权利要求1-3任一项所述的用于染料敏化太阳能电池光阳极上光散射层浆料的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：

1）将粒径为10~30nm的TiO₂纳米颗粒与0.2~0.4μm的TiO₂颗粒按照比例混合；

3）将乙基纤维素配制成8wt%~15wt%的乙醇溶液，其中，乙基纤维素选用粘度为30~50 mPa.s，或者选用粘度为8~10 mPa.s和40~100 mPa.s两种乙基纤维素按照1：1的比例混合配制；

4）向步骤2)的得到的溶液中添加步骤3)中配制好的乙基纤维素乙醇溶液和松油醇，使溶液混合均匀，形成胶体状乳液；

7.根据权利要求4所述的用于染料敏化太阳能电池光阳极上光散射层浆料的制备方法，其特征在于：所述步骤2）中，所述TiO₂：乙醇的最佳质量比为1:15。

8.根据权利要求4所述的用于染料敏化太阳能电池光阳极上光散射层浆料的制备方法，其特征在于：所述步骤3）中，乙基纤维素的乙醇溶液的浓度为12wt%。

9.根据权利要求4所述的用于染料敏化太阳能电池光阳极上光散射层浆料的制备方法，其特征在于：所述步骤3）中，乙基纤维素选用粘度为30~50 mPa.s乙基纤维素。

10.根据权利要求4所述的用于染料敏化太阳能电池光阳极上光散射层浆料的制备方法，其特征在于：所述步骤4）中，采用超声分散、机械搅拌或磁力搅拌中的一种或者多种方式结合进行混合。