CN103903866B - 染料敏化太阳能电池制造过程中染料溶液的重复使用与再生方法 - Google Patents

染料敏化太阳能电池制造过程中染料溶液的重复使用与再生方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了染料敏化太阳能电池制造过程中染料溶液的重复使用与再生方法，具体涉及一种染料敏化太阳能电池制造过程中原位再生染料溶液的方法，所述方法包括：通过高效液相色谱（HPLC）和/或紫外分光光度计分析溶液浓度的变化；以及根据溶液浓度的变化补加染料来再生染料溶液。相对于传统染料溶液单次使用的方式，这种方法极大的提高了染料与溶剂的利用率，大大地减少了它们的浪费与损失。

Description

染料敏化太阳能电池制造过程中染料溶液的重复使用与再生 方法
技术领域
本发明涉及一种染料敏化太阳能电池制造过程中染料溶液的重复使用与再生方法。
技术背景
目前在染料敏化太阳能电池的制造过程中，TiO2电极的染料浸泡的一般方法是采用新配制的染料溶液，并为保证染料溶液的使用效果，一般不会多次重复使用染料溶液.众所周知染料及染料溶液的成本比较高，所以这种制造方式就会造成很大的染料及溶剂的浪费。
然而在本发明中，采用HPLC同步分析染料溶液的组成变化以及紫外分光光度计同步确认染料溶液的浓度，不仅可以从染料溶液的组分以及浓度来判断染料溶液是否继续使用，还可以将因为浓度降低或纯度变低而失效的染料溶液通过一定的方法使之再生，这将对提高染料敏化太阳能电池的生产效率以及降低成本有着十分重要的意义。
发明内容
本发明的目的是在染料敏化太阳能电池制造过程中减少染料以及溶剂的浪费，能将已有的染料溶液进行重复利用，并根据TiO2电极在染料浸泡过程中的特性，可以通过HPLC与紫外分光光度计对染料溶液进行表征以判断重复利用过的染料溶液是否可以继续使用以及如何再生。
一方面，本发明提供一种染料敏化太阳能电池制造过程中原位再生染料溶液的方法，所述方法包括：
(1)通过高效液相色谱（HPLC）和/或紫外分光光度计分析溶液浓度的变化；以及
(2)根据溶液浓度的变化补加染料来再生染料溶液。
在本发明一个实施方式中，所述染料溶液中的溶剂选自水、二甲基亚砜、乙腈、叔丁醇、甲醇、乙醇、四氢呋喃、N,N-二甲基甲酰胺、N,N-二甲基乙酰胺或者以上各种溶剂的混合溶剂。
在本发明一个实施方式中，所述染料选自N3、N749、黑色染料（Black dye，商品名，结构见下表）、N712、Z907、C1、C3、N845、Z910、N621、K8、K19、N719、N820、Z907Na、N886、N945、N955、K73、K51、K60、K77、N918、K68、C101、C102、C104、C103、C105、C106、C107、Z991、RuPc、K9、K23、CYC-B13、IJ-1、3T、YE05、CYC-B5、H105、BPFC、N1044、BTC-2、H102、CYC-B12、m-BL-5、m-BL-6、CYC-B11、SJW-E1、Ru-c、CBTR、DCSC13、HRS-1、Ru-EDOT、C108、C109、LS01、J8、J13、J16、DCP2-TBA、CYC-P1、Ru-1、HRD-1、HRD-2、JK85、JK86、J2、JF1～JF2、Rut-A、Rut-B、LXJ-1、CYC-B7、Ru1～12、JF5.6.7、JK-91、JK-92、TT-35、CS23、YX360、Ru(Hcpip)、Ru(Hpip)、Ru-s、A579、SY-04、SY-05、1A、H112、A1、A2、A3、T66、JK142、RD-Cou、YS1～YS5、TF1～TF4、PRT1～PRT4、m-BL-1、mLBD1、mLBD2和PTZ1的钌基染料。
本发明中不同染料对应的结构式见下表1。
表1：不同染料的结构图
在本发明一个实施方式中，所述染料溶液还包含共吸附剂，选自1-癸基磷酸（DPA）、去氧胆酸(DCA)、鹅去氧胆酸（CDCA）、邻苯二甲酸二癸酯(DPHP)、二异丙基钛酸酯(GBA)、胆酸(CA)、石胆酸（LCA）、熊脱氧胆酸(UDCA)、乙酰胆酸（ACA）和二甲基亚磷酸(Dimethylphosphinic acid，DMOP)。
在本发明一个实施方式中，采用高效液相色谱（HPLC）来分析染料溶液的组成随着染料浸泡TiO2电极次数的增加而产生的变化。
在本发明一个实施方式中，根据相同染料浸泡不同TiO2电极次数与染料组成变化的曲线来知晓染料溶液组成的变化，并作为判断染料溶液是否适合继续使用的依据。在本发明一个实施方式中，采用紫外分光光度计来定量测量染料溶液的浓度。
在本发明一个实施方式中，测定使用过多次的染料溶液的浓度，计算出再生染料溶液所需补加的染料量。
本发明所述染料敏化太阳能电池制造过程中原位再生染料溶液的方法在制造染料敏化太阳能电池中的应用。
本发明的基本内容为对于一份已经配制好的全新染料溶液，不断地进行TiO2电极浸泡，每一次浸泡后：
（1）加入一定量的共吸附剂。
（2）原位取样后进行HPLC分析，确认染料溶液组分是否发生了明显的变化,以判断溶剂是否适合继续使用。
（3）先配制成一系列浓度的染料溶液后，采取紫外光分光光度计分析，可制成此种染料的吸光度与浓度之间的关系曲线。在染料溶液浸泡TiO2电极后，取样进行紫外分光光度计进行分析，便可以判断染料浓度是否在正常范围之内。
（4）如果使用过的染料溶液浓度过低，便可利用通过紫外分光光度计测得的染料溶液浓度，再利用染料溶液的初始浓度及染料溶液体积，计算出应该向染料溶液中补加多少染料，进而使染料溶液再生。
利用以上的这种方法，在实验以及生产制造中，大量的节省了染料以及染料溶液的成本，其测试方法也较为简单，便于操作，有着广泛的应用前景。
在本发明中，所述方法采用有机溶剂将染料溶解后形成一定浓度的染料溶液,多次充当不同的染料敏化太阳能电池中的TiO2电极浸泡时所需的染料溶液，在最初的一些次浸泡过程中，会在溶剂中不断补充共吸附剂,电池光电转换效率并没有随着染料的减少而降低，通过HPLC分析，发现染料溶液的组成会随着浸泡次数的增加而变化。染料的浓度可采用紫外分光光度计进行监测,当溶液中染料浓度过低而影响TiO2的染料吸附量时，可以通过在染料溶液中重新补加染料与共吸附剂的办法使染料溶液再生，继续应用在染料敏化太阳能电池的制造过程中。
附图说明
图1是本发明实施方式中电池的光电转换效率(％)与染料浸泡次数(使用次数)之间的关系。
图2是本发明实施方式中染料溶液（Z991）各组分、染料纯度与不同TiO2浸泡次数之间的关系。
图3是本发明实施方式中不同浓度染料溶液(Z991)的紫外吸收光谱。图3中各曲线自上而下各自对应图右侧标注的浓度，即，自上而下，各曲线分别对应Z991的浓度：0.025mM、0.0225mM、0.02mM、0.0175mM、0.015mM、0.0125mM、0.01mM、0.0075mM、0.005mM和0.0025mM。
图4是本发明实施方式中波长为400nm下不同染料(Z991)浓度与吸光度的关系。
图5是本发明来自新的染料溶液与再生的染料溶液的电池的I-V比较图。
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细说明。需要注意的是，本发明的内容并不限于这些具体的实施方式。在不背离本发明背景和精神的前提下，本领域技术人员在阅读本发明的内容的基础上可以进行等价替换和修改，其内容也包括在本发明要求保护的范围内
实施例1
取0.28g Z991（纯度为93%，由中国科学院上海硅酸盐研究所绿色光电转换技术项目研发部提供）溶于乙腈与叔丁醇（1/1，体积比）的混合溶剂中，充分搅拌使之完全溶解。然后加入0.022g DPA(共吸附剂)后搅拌，完全溶解后形成含有Z9910.2mM、DPA0.1mM的1L均匀混合溶液。
染料敏化太阳能电池中的TiO2电极采用丝网印刷方式印刷到FTO表面后，在500℃下烧结，Til4处理并继续烧结后,浸泡在如上所述的染料溶液中48小时后取出并用乙腈清洗备用。在电池组装中，采用碳作对电极，含有离子液体、碘及溶剂所组成的电解液，利用标准的方法便可组装出完整的染料敏化太阳能电池。
制作另一批电池时，采用同一染料溶液，补加0.011g DPA后，用同样的方法即可制造另一批电池。每次TiO2染料浸泡后，取2ml染料溶液样品进行HPLC分析，同样取0.1ml的染料溶液，稀释到1.9ml的乙腈与叔丁醇的混合溶剂中，进行紫外分光光度计分析后，再对比其浓度是否在正常范围之内。
如图1所示，同样的染料溶液，在浸泡第七次后，电池效率开始明显的下降，第十次已经下降的非常厉害了，这是因为多次浸泡后，染料的量开始急剧的减少，染料溶液的浓度变得很低。
将每次浸泡后的染料溶液进行HPLC分析后，可得如图2所示的内部组分变化趋势。如其所示，随着浸泡次数的增加，染料Z991的纯度会先升高，然后降低，而杂质的含量却是不断降低的，这也说明图中所示的那些杂质确实会吸附在TiO2上，这也有利于判断染料溶液的纯度是否符合继续使用的要求。
如图3所示，我们可以事先配制出一系列浓度的Z991溶液，进行紫外分光光度计分析，并在波长为200nm至800nm之间做出吸收曲线。由图3可得，在400nm出的吸收峰可以作为染料溶液的特征吸收峰，然后利用浓度与吸光度，可绘制出如图4所示的染料溶液吸光度与浓度的线性关系。此曲线有助于染料溶液浓度的标定。
如图5所示，染料溶液使用了十次之后，浓度变得很低，已经不再适用继续浸泡TiO2，那么在进行了紫外光分光光度计分析后，得到其浓度并计算染料的补加量后，重新生成了适宜浓度的染料溶液。在进行染料敏化太阳能电池的制作时，仍然可以得到与全新染料溶液相似效果的产品。

Claims (9)

1.一种染料敏化太阳能电池制造过程中原位再生染料溶液的方法，所述方法包括：
(1)通过高效液相色谱(HPLC)和/或紫外分光光度计分析溶液浓度的变化；以及
(2)根据溶液浓度的变化补加染料来再生染料溶液；
其中，测定使用过多次的染料溶液的浓度，计算出再生染料溶液所需补加的染料量；且
根据相同染料浸泡不同TiO2电极次数与染料组成变化的曲线来知晓染料溶液组成的变化，并作为判断染料溶液是否适合继续使用的依据。
2.如权利要求1所述的染料敏化太阳能电池制造过程中原位再生染料溶液的方法，其特征在于，所述染料溶液中的溶剂选自水、二甲基亚砜、乙腈、叔丁醇、甲醇、乙醇、四氢呋喃、N,N-二甲基甲酰胺、N,N-二甲基乙酰胺或者以上各种溶剂的混合溶剂。
3.如权利要求1所述的染料敏化太阳能电池制造过程中原位再生染料溶液的方法，其特征在于，所述染料选自N3、N749、Black dye、N712、Z907、C1、C3、N845、Z910、N621、K8、K19、N719、N820、Z907Na、N886、N945、N955、K73、K51、K60、K77、N918、K68、C101、C102、C104、C103、C105、C106、C107、Z991、RuPc、K9、K23、CYC-B13、IJ-1、3T,YE05、CYC-B5、H105、BPFC、N1044、BTC-2、H102、CYC-B12、m-BL-5、m-BL-6、CYC-B11、SJW-E1、Ru-c、CBTR、DCSC13、HRS-1、Ru-EDOT、C108、C109、LS01、J8、J13、J16、DCP2-TBA、CYC-P1、Ru-1、HRD-1、HRD-2、JK85、JK86、J2、JF1～JF2、Rut-A、Rut-B、LXJ-1、CYC-B7、Ru1～12、JF5.6.7、JK-91、JK-92、TT-35、CS23、YX360、Ru(Hcpip)、Ru(Hpip)、Ru-s、A579、SY-04、SY-05、1A、H112、A1、A2、A3、T66、JK142、RD-Cou、YS1～YS5、TF1～TF4、PRT1～PRT4、m-BL-1、mLBD1、mLBD2和PTZ1的染料。
4.如权利要求1所述的染料敏化太阳能电池制造过程中原位再生染料溶液的方法，其特征在于，所述染料溶液还包含共吸附剂，选自二甲基亚磷酸(DMOP)、1-癸基磷酸(DPA)、去氧胆酸(DCA)、鹅去氧胆酸(CDCA)、邻苯二甲酸二癸酯(DPHP)、二异丙基钛酸酯(GBA)、胆酸(CA)、石胆酸(LCA)，熊脱氧胆酸(UDCA)和乙酰胆酸(ACA)。
5.如权利要求1所述的染料敏化太阳能电池制造过程中原位再生染料溶液的方法，其特征在于，采用高效液相色谱(HPLC)来分析染料溶液的组成随着染料浸泡TiO2电极次数的增加而产生的变化。
6.如权利要求5所述的染料敏化太阳能电池制造过程中原位再生染料溶液的方法，其特征在于，根据相同染料浸泡不同TiO2电极次数与染料组成变化的曲线来知晓染料溶液组成的变化，并作为判断染料溶液是否适合继续使用的依据。
7.如权利要求1所述的染料敏化太阳能电池制造过程中原位再生染料溶液的方法，其特征在于，采用紫外分光光度计来定量测量染料溶液的浓度。
8.如权利要求7所述的染料敏化太阳能电池制造过程中原位再生染料溶液的方法，其特征在于，测定使用过多次的染料溶液的浓度，计算出再生染料溶液所需补加的染料量。
9.权利要求1-8任一项所述染料敏化太阳能电池制造过程中原位再生染料溶液的方法在制造染料敏化太阳能电池中的应用。
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