CN103903859A - 一种涂覆制备染料敏化太阳能电池光阳极的方法 - Google Patents

一种涂覆制备染料敏化太阳能电池光阳极的方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种涂覆制备染料敏化太阳能电池光阳极的方法，包括以下步骤：将浆料原料混合制得二氧化钛浆料，其中，浆料原料包括二氧化钛材料、造孔剂和调节粘度的溶剂，重量比为（15-35）:（5-15）:（60-80）；将步骤1所得二氧化钛浆料通过自动丝网印刷涂覆在导电基底上，煅烧得到二氧化钛膜；将步骤2得到的二氧化钛膜浸泡染料溶液中，取出得到染料敏化太阳能电池光阳极。本发明提供的方法工艺简单，单层自动丝网印刷厚度可达20μm左右，大大节省了以往多次印刷的时间和成本，很适合工业化生产，而且制得的染料敏化太阳能电池光阳极的光电转化效率能达到现有水平。

Description

一种涂覆制备染料敏化太阳能电池光阳极的方法
技术领域
本发明涉及一种制备染料敏化太阳能电池光阳极的方法，尤其涉及一种涂覆制备染料敏化太阳能电池光阳极的方法。
背景技术
作为代替化石燃料的能源，利用了太阳光的太阳能电池受到关注，人们对其进行了各种研究。太阳能电池是一种将光能转换为电能的光电转换装置，由于以太阳光作为能源，所以对地球环境的影响极小，可以得到更广泛的普及。
近年来将太阳能转化为光能的研究发展很快。应用了由染料敏化的光感应电子移动的染料敏化型太阳能电池（Dye-Sensitized Solar Cell，DSSC），近年来作为代替硅（Si）类太阳能电池等的下一代太阳能电池受到关注，并被广泛地研究。染料敏化太阳能电池（DSSC）的优点十分突出：1、制作简单，成本低；2、所使用的染料敏化剂可以在很低的光能量下达到饱和，因此可在各种光照条件下使用；3、可以在很宽的温度范围内正常工作；4、可以制成透明的产品，应用于门窗、屋顶以及汽车顶。因此它迅速成为世界各国的研究重点和热点，取得了丰富的成果，掀起了各国研究DSSC太阳能电池的热潮。目前液态染料敏化太阳能电池的光电转化效率可达11.2%。
用于制备染料敏化太阳能电池的二氧化钛浆料是将二氧化钛纳米颗粒分散在含有添加剂的溶剂中，溶剂为水，乙醇和松油醇。松油醇有较高的粘度，添加有乙基纤维素的二氧化钛浆料取得了比较好的效果，但未见一次涂覆可以达到很厚的报到。Gratzel等用于染料敏化太阳能电池的二氧化钛膜厚16um往往需要涂覆8-9次，每次涂覆都要在135度烘干才能涂覆下一层，这种制备工艺非常复杂。目前玻璃棒旋涂法虽然能达到40um的厚度，但是要手工操作，不利于工业化生产。
发明内容
本发明的目的在于克服上述不足，提供一种涂覆制备染料敏化太阳能电池光阳极的方法，制备工艺简单，可以一次成膜，大大节省了以往多次印刷的时间和成本，很适合工业化生产。
本发明提供了一种涂覆制备染料敏化太阳能电池光阳极的方法，包括以下步骤：
步骤1，将浆料原料混合制得二氧化钛浆料，其中，浆料原料包括二氧化钛材料、造孔剂和调节粘度的溶剂，二氧化钛材料、造孔剂和溶剂的重量比为（15-35）:（5-15）:（60-80）；
步骤2，将步骤1所得二氧化钛浆料通过自动丝网印刷涂覆在导电基底上，煅烧得到二氧化钛膜，其中，自动丝网印刷的工艺条件为：刮刀速度10-100 mm/sec、丝网和刮刀之间的距离1-10mm，丝网型号为ST165、ST250或ST80；
步骤3，将步骤2得到的二氧化钛膜浸泡染料溶液中，取出得到染料敏化太阳能电池光阳极。
其中，二氧化钛材料可以可以是溶胶凝胶法制备的二氧化钛浆料，也可为商业可得的二氧化钛粉体，如P25、ST21等。
优选地，步骤1为：将浆料原料分散在分散介质中，经过高剪切和超声后除去分散介质，然后球磨得到二氧化钛浆料。
优选地，高剪切时间为10-15min，转速为5000-20000rpm/min；超声时间为10-15min。
优选地，所述造孔剂为纤维素或其衍生物。
优选地，所述纤维素或其衍生物选自乙基纤维素，羟乙基纤维素、甲基纤维素等中的至少一种。
优选地，所述调节粘度的溶剂为松油醇。
优选地，所述松油醇的质量百分含量为60-80%。
优选地，所述浆料原料还包括分散剂，所述分散剂的重量为所述浆料原料总重量的0.1%-5%。
优选地，所述分散剂选自乙二醇、吐温、司班等中的一种或多种。
优选地，所述浆料原料还包括可调节pH值的试剂，所述可调节pH值的试剂的重量为所述浆料原料总重量的0.1%-5%。
优选地，所述可调节pH值的试剂选自乙酸、硝酸、四甲基氢氧化铵、氨水中的至少一种。
优选地，步骤2中煅烧温度为400-600℃，煅烧时间为10-60min。
优选地，步骤2中所述导电基底为FTO导电玻璃。
优选地，步骤2所得二氧化钛膜在进行步骤3处理前先进行TiCl4处理。
优选地，所述TiCl4处理为：将步骤2所得二氧化钛膜浸泡在10-80mmol/L TiCl4溶液中，浸泡温度为10-90℃，浸泡时间为1min-100h。
优选地，步骤3中，染料溶液浓度为0.001mmol/L-3mol/L，浸泡时间为2-100h。
优选地，染料溶液浓度0.3 mmol/L。
其中，染料可以选自N3、N719、N749、 Z907、Z991、K8、K19、N945、Z910、K73、K51、Z955、Z991、花青、香豆素、卟啉、吲哚、二萘嵌苯花菁、半花菁等中的一种或几种。
优选地，所述染料为Z991。
本发明提供的方法工艺简单，单层自动丝网印刷厚度可达20μm左右，大大节省了以往多次印刷的时间和成本，很适合工业化生产，而且制得的染料敏化太阳能电池光阳极的光电转化效率能达到现有水平。
附图说明
图1为自动丝网印刷流程示意图：a、将浆料放到刮刀处，b、用刮刀印刷， c、丝网弹起，d、浆料印刷到基板上。
图2为实施例6所得单层印刷的二氧化钛膜的膜厚曲线图。
具体实施方式
下面参照附图，结合实施例对本发明作进一步说明，以更好地理解本发明。
实施例1
 将9g纳米二氧化钛粉末ST21（日本石原）分散在200g乙醇中，加入2.16g粘度为30-70mpa.s和1.44g粘度为5-15mpa.s的乙基纤维素，以及17.4g松油醇，磁力搅拌24小时，然后高剪切10分钟，超声10分钟，旋转蒸发仪蒸出乙醇得到二氧化钛粘稠物，经过三滚机滚轧得到二氧化钛浆料封存备用。
将所得二氧化钛浆料用自动丝网印刷机涂覆在FTO导电玻璃上，丝网印刷机中丝网型号为ST165，刮刀速度20mm/sec，间距为2mm；然后500℃下煅烧30min，得到单层印刷的二氧化钛膜。
将所得二氧化钛膜紫外照射30分钟，然后用40mmol/L的TiCl4水溶液在70℃下浸泡30分钟，取出用水和乙醇冲洗，烘干，然后500℃下煅烧30min备用。
再将二氧化钛膜浸泡在浓度为0.3mmol/L的Z991染料溶液中，浸泡时间为48小时，制得染料敏化太阳能电池光阳极，然后组装成染料敏化太阳能电池，所用电解液为Z960。
实施例2
  将9g纳米二氧化钛粉末ST21（日本石原）分散在200g乙醇中，加入1.62g粘度为30-70mpa.s和1.08g粘度为5-15mpa.s的乙基纤维素，以及18.3g松油醇，磁力搅拌24小时，然后高剪切10分钟，超声10分钟，旋转蒸发仪蒸出乙醇得到二氧化钛粘稠物，经过三滚机滚轧得到二氧化钛浆料封存备用。
将所得二氧化钛浆料用自动丝网印刷机涂覆在FTO导电玻璃上，丝网印刷机中丝网型号为ST165，刮刀速度20mm/sec，间距为2mm；然后500℃下煅烧30min，得到单层印刷的二氧化钛膜。
将所得二氧化钛膜紫外照射30分钟，然后用40mmol/L的TiCl4水溶液在70℃下浸泡30分钟，取出用水和乙醇冲洗，烘干，然后500℃下煅烧30min备用。
再将二氧化钛膜浸泡在浓度为0.3mmol/L的Z991染料溶液中，浸泡时间为48小时，制得染料敏化太阳能电池光阳极，然后组装成染料敏化太阳能电池，所用电解液为Z960。
实施例3
 将11g纳米二氧化钛粉末ST21（日本石原）分散在200g乙醇中，加入4.43g粘度为5-15mpa.s的乙基纤维素，以及21.4g松油醇，磁力搅拌24小时，然后高剪切10分钟，超声10分钟，旋转蒸发仪蒸出乙醇得到二氧化钛粘稠物，经过三滚机滚轧得到二氧化钛浆料封存备用。
将所得二氧化钛浆料用自动丝网印刷机涂覆在FTO导电玻璃上，丝网印刷机中丝网型号为ST80，刮刀速度20mm/sec，间距为2mm；然后500℃下煅烧30min，得到单层印刷的二氧化钛膜。
将所得二氧化钛膜紫外照射30分钟，然后用40mmol/L的TiCl4水溶液在70℃下浸泡30分钟，取出用水和乙醇冲洗，烘干，然后500℃下煅烧30min备用。
再将二氧化钛膜浸泡在浓度为0.3mmol/L的Z991染料溶液中，浸泡时间为48小时，制得染料敏化太阳能电池光阳极，然后组装成染料敏化太阳能电池，所用电解液为Z960。
实施例4
 将11g纳米二氧化钛粉末ST21（日本石原）分散在200g乙醇中，加入4.43g粘度为5-15mpa.s的乙基纤维素，以及21.4g松油醇，磁力搅拌24小时，然后高剪切10分钟，超声10分钟，旋转蒸发仪蒸出乙醇得到二氧化钛粘稠物，经过三滚机滚轧得到二氧化钛浆料封存备用。
将所得二氧化钛浆料用自动丝网印刷机涂覆在FTO导电玻璃上，丝网印刷机中丝网型号为ST165，刮刀速度100mm/sec，间距为3.8mm；然后500℃下煅烧30min，得到单层印刷的二氧化钛膜。
将所得二氧化钛膜紫外照射30分钟，然后用40mmol/L的TiCl4水溶液在70℃下浸泡30分钟，取出用水和乙醇冲洗，烘干，然后500℃下煅烧30min备用。
再将二氧化钛膜浸泡在浓度为0.3mmol/L的Z991染料溶液中，浸泡时间为48小时，制得染料敏化太阳能电池光阳极，然后组装成染料敏化太阳能电池，所用电解液为Z960。
 
实施例5
 将9g纳米二氧化钛粉末ST21（日本石原）分散在200g乙醇中，加入2.7g粘度为15-25mpa.s的乙基纤维素，以及18.3g松油醇，磁力搅拌24小时，然后高剪切10分钟，超声10分钟，旋转蒸发仪蒸出乙醇得到二氧化钛粘稠物，经过三滚机滚轧得到单层印刷的二氧化钛浆料封存备用。
将所得二氧化钛浆料用自动丝网印刷机涂覆在FTO导电玻璃上，丝网印刷机中丝网型号为ST165，刮刀速度50mm/sec，间距为3.6mm；然后500℃下煅烧30min，得到二氧化钛膜。
将所得二氧化钛膜紫外照射30分钟，然后用40 mmol/L的TiCl4水溶液在70℃下浸泡30分钟，取出用水和乙醇冲洗，烘干，然后500℃下煅烧30min备用。
再将二氧化钛膜浸泡在浓度为0.3mmol/L的Z991染料溶液中，浸泡时间为48小时，制得染料敏化太阳能电池光阳极，然后组装成染料敏化太阳能电池，所用电解液为Z960。
实施例6
 将9g纳米二氧化钛粉末ST21（日本石原）分散在200g乙醇中，加入1.62g粘度为30-70mpa.s和1.08g粘度为5-15mpa.s的乙基纤维素，以及18.3g松油醇，磁力搅拌24小时，然后高剪切10分钟，超声10分钟，旋转蒸发仪蒸出乙醇得到二氧化钛粘稠物，经过三滚机滚轧得到二氧化钛浆料封存备用。
将所得二氧化钛浆料用自动丝网印刷机涂覆在FTO导电玻璃上，丝网印刷机中丝网型号为ST165，刮刀速度50mm/sec，间距为3.6mm；然后500℃下煅烧30min，得到单层印刷的二氧化钛膜。
将所得四层印刷的二氧化钛膜紫外照射30分钟，然后用40 mmol/L的TiCl4水溶液在70℃下浸泡30分钟，取出用水和乙醇冲洗，烘干，然后500℃下煅烧30min备用。
再将二氧化钛膜浸泡在浓度为0.3mmol/L的Z991染料溶液中，浸泡时间为48小时，制得染料敏化太阳能电池光阳极，然后组装成染料敏化太阳能电池，所用电解液为Z960。
对比例
 将9g纳米二氧化钛粉末ST21（日本石原）分散在200g乙醇中，加入1.44g粘度为30-70mpa.s和2.16g粘度为5-15mpa.s的乙基纤维素，32.4g松油醇加入混合物中，磁力搅拌24小时，然后高剪切10分钟，超声10分钟，旋转蒸发仪蒸出乙醇得到二氧化钛粘稠物，经过三滚机滚轧得到二氧化钛浆料封存备用。
将所得二氧化钛浆料用自动丝网印刷机涂覆在FTO导电玻璃上，丝网印刷机中丝网型号为ST325，刮刀速度20mm/sec，间距为2mm；然后500℃下煅烧30min，得到单层印刷的二氧化钛膜；然后重复涂覆、煅烧三次，制得四层印刷的二氧化钛膜。
将所得二氧化钛膜紫外照射30分钟，然后用40 mmol/L的TiCl4水溶液在70℃下浸泡30分钟，取出用水和乙醇冲洗，烘干，然后500℃下煅烧30min备用。
再将二氧化钛膜浸泡在浓度为0.3mmol/L的Z991染料溶液中，浸泡时间为48小时，制得染料敏化太阳能电池光阳极，然后组装成染料敏化太阳能电池，所用电解液为Z960。
测量实施例1-6及对比例所得单层印刷的二氧化钛膜的膜厚，如表1所示，实施例6的膜厚曲线如图2所示，按照本发明所述方法单层印刷膜厚可达21μm，而对比例单层印刷膜厚只有4μm左右。
检测实施例4-6和对比例的所得染料敏化太阳能电池的性能结果如表2所示由本发明所提供的方法制得的光电极的光电转换效率与对比例的四层印刷的二氧化钛膜制得的光电极的光电转换效率基本相同，说明本发明所提供的方法制得的光电极的光电转化效率能达到现有水平。
表1 实施例1-6和对比例所得单层印刷的二氧化钛膜的膜厚测量结果
浆料 实施例1 实施例2 实施例3 实施例4 实施例5 实施例6 对比例
膜厚（μm） 12.5 11.0 21.0 15.6 17.5 16.7 4.3
表2实施例4-6和对比例的染料敏化太阳能电池表征结果
Figure 2012105817611100002DEST_PATH_IMAGE002
以上对本发明的具体实施例进行了详细描述，但其只是作为范例，本发明并不限制于以上描述的具体实施例。对于本领域技术人员而言，任何对本发明进行的等同修改和替代也都在本发明的范畴之中。因此，在不脱离本发明的精神和范围下所作的均等变换和修改，都应涵盖在本发明的范围内。

Claims (14)

1.一种涂覆制备染料敏化太阳能电池光阳极的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，将浆料原料混合制得二氧化钛浆料，其中，浆料原料包括二氧化钛材料、造孔剂和调节粘度的溶剂，二氧化钛材料、造孔剂和溶剂重量比为（15-35）:（5-15）:（60-80）；
步骤2，将步骤1所得二氧化钛浆料通过自动丝网印刷涂覆在导电基底上，煅烧得到二氧化钛膜，其中自动丝网印刷的工艺条件为：刮刀速度10-100 mm/sec、丝网和刮刀之间的距离1-10mm，丝网型号为ST165、ST250或ST80；
步骤3，将步骤2得到的二氧化钛膜浸泡染料溶液中，取出得到染料敏化太阳能电池光阳极。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤1为：将浆料原料分散在分散介质中，经过高剪切和超声后除去分散介质，然后球磨得到二氧化钛浆料。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，高剪切时间为10-15min，转速为5000-20000rpm/min；超声时间为10-15min。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述造孔剂为纤维素或其衍生物。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述纤维素或其衍生物选自乙基纤维素，羟乙基纤维素、甲基纤维素中的至少一种。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述调节粘度的溶剂为松油醇。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述浆料原料还包括分散剂，所述分散剂的重量为所述浆料原料总重量的0.1%-5%。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述分散剂选自乙二醇、吐温、司班中的一种或多种。
9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述浆料原料还包括可调节pH值的试剂，所述可调节pH值的试剂的重量为所述浆料原料总重量的0.1%-5%。
10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述可调节pH值的试剂选自乙酸、硝酸、四甲基氢氧化铵、氨水中的至少一种。
11.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤2中煅烧温度为400-600℃，煅烧时间为10-60min。
12.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤2所得二氧化钛膜在进行步骤3处理前先进行TiCl4处理。
13.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，所述TiCl4处理为：将步骤2所得二氧化钛膜浸泡在10-80mmol/L TiCl4溶液中，浸泡温度为10-90℃，浸泡时间为1min-100h。
14.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤3中，染料溶液浓度为0.001mmol/L-3mol/L，浸泡时间为2-100h。
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