CN104505259A - 染料敏化太阳能电池对电极 - Google Patents

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杨松旺
魏冬
李于利
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Abstract

本发明涉及染料敏化太阳能电池对电极，包括：金属基板、形成于所述金属基板上的氮化钛薄膜、和形成于所述氮化钛薄膜上的对电极材料层。本发明通过在对电极的金属基板上形成氮化钛薄膜，钛由于其外层电子结构，导致很容易在空气或水中被氧化，而氮化钛带有离子键，降低钛外层电子云密度，即降低了钛的反应活性，更不容易在空气中被氧化，进而改善其耐久性能。

Description

染料敏化太阳能电池对电极
技术领域
本发明属于太阳能电池领域，尤其涉及一种染料敏化太阳能电池对电极。
背景技术
在过去的20年里，染料敏化太阳能电池的发展迅速，凭借着其相比传统电池低廉的成本，相对简单的制作工艺，环保以及优良的转换效率，受到世界的广泛关注，成为有远大应用前景的光伏设备。
染料敏化太阳能电池的结构主要有三部分组成：导电基板上印刷着的吸附了光敏化剂的半导体多孔膜作为工作电极、对电极、以及包裹着光敏化剂的电子传输媒介，例如液相的电解质溶液。
其工作原理为：染料分子在吸收了光子后跃迁到激发态，处于激发态的染料分子将电子注入到半导体的导带中，电子扩散至导电基底，后流入外电路中，处于氧化态的染料被电解质还原再生，氧化态的电解质在对电极接受电子后被还原，从而完成一个循环。
良好的对电极必须有良好的导电性能以及对于电子还原的催化性能，但是金属对极基板在生产和加工过程中容易被氧化，从而使得电池耐久性能降低。因此提高电池的耐久性能成为了染料敏化太阳能电池的一个重要课题。另一方面，对电极需要良好的导电性能，因此对对电极金属的选择也有了一定的局限性，从而对电极成本一直无法降低。
发明内容
限制染料敏化太阳能电池产业化发展的主要问题之一，就是耐久性能。而生产以及发电过程中金属对极板容易被氧化，从而影响电池的耐久性能。因此，本发明所要解决的就是改善染料敏化太阳能电池在生产、发电过程中，金属基板被氧化的问题，以便大幅度提高其耐久性能。另一方面，本发明的目的是扩大对电极金属的选择自由度，从而降低对电极生产成本。
在此，本发明提供一种染料敏化太阳能电池对电极，其包括：金属基板、形成于所述金属基板上的氮化钛薄膜、和形成于所述氮化钛薄膜上的对电极材料层。
本发明通过在对电极的金属基板上形成氮化钛薄膜，钛由于其外层电子结构，导致很容易在空气或水中被氧化，而氮化钛带有离子键，降低钛外层电子云密度，即降低了钛的反应活性，更不容易在空气中被氧化，进而改善其耐久性能。
较佳地，所述氮化钛薄膜是溅射于所述金属基板上的氮化钛薄膜。本发明中，溅射形成的氮化钛薄膜与金属基板之间具有良好的附着力，从而能够更好地防止金属基板的氧化。
较佳地，所述溅射的工艺参数为：溅射温度在400℃以下，溅射前真空度≤5E-7torr。靶材可以是氮化钛或钛，钛靶需要氮气气氛。
较佳地，所述氮化钛薄膜的厚度为1埃～1微米。
较佳地，所述金属基板的厚度为10微米～1毫米。
较佳地，所述金属基板为不锈钢或过渡金属。本发明中，金属基板可为不锈钢或过渡金属，打破了常规金属基板选用的局限性，扩大金属基板的选用范围。通过选择较为廉价的金属基板材料，可以降低其生产成本。
较佳地，所述对电极材料层为导电炭、铂金、或导电聚合物。
较佳地，所述对电极材料层是通过在所述氮化钛薄膜上印刷多孔导电炭浆料后于400℃以下干燥而形成的对电极材料层。
本发明可以提高染料敏化太阳能电池对电极的耐久性并降低其生产成本。
本发明还提供一种具备上述任意一种染料敏化太阳能电池对电极的染料敏化太阳能电池。
本发明的染料敏化太阳能电池具有良好的耐久性，相比于非氮化钛溅射的电池，耐久性能可以提高10％～20％。
相较于具有钛基板的染料敏化太阳能电池对电极，本发明的使用不锈钢以及其他过渡金属(例如镍、鈀)作为对电极基板的染料敏化太阳能电池对电极降低了对电极基板成本80％。
附图说明
图1是示出本发明的染料敏化太阳能电池的一个示例结构的示意图，其中：1工作电极基板、2工作电极、3导电栅线、4密封材料、5电解液、6对电极材料层、7氮化钛薄膜、8对电极基板、电解液注入孔9；
图2是使用了两种不同氮化钛溅射工艺的电池的1000小时耐久性能的各参数图(注：此处STD为标准工艺无氮化钛溅射，对电极基板厚度是0.5mm)；
图3是氮化钛溅射不同厚度的电池的1000小时耐久性能的各参数图；
图4是在不同厚度基板上溅射氮化钛的电池的900小时耐久性能的各参数图(注：该图中的STD是标准工艺无氮化钛溅射，但对电极基板厚度是0.1mm)；
图5在不同金属基板上溅射氮化钛的电池的I-V曲线。
具体实施方式
以下结合附图和下述实施方式进一步说明本发明，应理解，附图及下述实施方式仅用于说明本发明，而非限制本发明。
本发明为了提高染料敏化太阳能电池在生产、发电过程中的耐久性能，首先提供了一种染料敏化太阳能电池对电极，其包括：金属基板、形成于所述金属基板上的氮化钛薄膜、和形成于所述氮化钛薄膜上的对电极材料层。
图1是示出本发明的染料敏化太阳能电池的一个示例结构的示意图。参见图1，作为染料敏化太阳能电池中的一部分的染料敏化太阳能电池对电极包括：对电极基板8、形成于电极基板8上的氮化钛薄膜7、和形成于氮化钛薄膜7上的对电极材料层6。
对电极基板8可为金属基板。本发明中，对电极基板8不限于常用的钛基板，还可以是不锈钢以及其他过渡金属，例如镍、鈀。因此本发明打破了常规金属基板选用的局限性，扩大金属基板的选用范围。通过选择较为廉价的金属基板材料，可以降低其生产成本。例如，当选择不锈钢制造对电极基板8时，相较于以钛基板为对电极基板8，可以降低80％的生产成本。另外，对电极基板8的厚度可为微米级至毫米级，例如10微米～1毫米。
氮化钛薄膜7附着于电极基板8上。优选地，氮化钛薄膜7通过溅射的方式附着于电极基板8上。其中溅射的工艺参数可为：溅射温度在400℃以下，溅射前真空度≤5E-7torr，靶材可以是氮化钛或钛，钛靶需要氮气气氛。氮化钛薄膜7的厚度可以是纳米级至微米级，例如1埃～1微米。氮化钛薄膜7能够防止电极基板8氧化，从而提高其耐久性。
对电极材料层6的材料不限，可以使用本领域公知的对电极材料，例如导电炭、铂金、导电聚合物等。在使用导电炭的示例中，对电极材料层6可通过如下方法制备：在形成有氮化钛薄膜7的电极基板8上印刷低温干燥的多孔导电炭浆料，然后在400℃以下干燥。优选地，干燥温度100～200℃。另外，对电极材料层6的厚度可为10微米～50微米。
本发明还提供具备上述染料敏化太阳能电池对电极的染料敏化太阳能电池。本发明的染料敏化太阳能电池的具体结构不限，只要具备本发明的染料敏化太阳能电池对电极即可。参见图1，在一个示例中，本发明的染料敏化太阳能电池除具备上述染料敏化太阳能电池对电极以外，还具备：工作电极基板1、形成于工作电极基板1上的工作电极2和导电栅线3、将工作电极2和对电极密封的密封材料4、以及填充于工作电极2和对电极之间的电解液5。工作电极2可以通过在工作电极基板1上的光电极侧透明导电膜形成，在光电极侧透明导电膜上有承载有敏化染料的纳米尺寸的氧化钛(TiO2)半导体多孔膜。
两电极(工作电极和对电极)通过密封材料4相接合，通过形成在对电极基板8上的电解液注入孔9将电解液5注入到两电极之间之后，将电解液注入孔9用密封材料4密封。
这样，由例如I-和I3 -的氧化还原系统溶解到腈类溶剂中得到的溶液构成的电解液5被保持在工作电极2和对电极材料层6之间。
一旦太阳光照射到工作电极2，敏化染料的基态电子被激发并迁移到激发态，激发态电子转移到二氧化钛的价带，被注入到氧化钛半导体的导带中，到达光电极。
另外，失去了电子的敏化染料，通过下述的反应从电解液5中的还原剂(例如碘化物离子I-)接受电子：
在电解液5中生成氧化剂例如三碘化物离子I3 -(I2和I-的结合体)；生成的氧化剂通过扩散到达对电极，通过上述反应的逆反应从对电极接受电子：
被还原为原来的还原剂。
从透明导电层向外部电路送出的电子，在外部电路作电功后，返回到对电极；这样，光能转变为电能，既没有在敏化染料中留下任何的变化，也没有在电解液5中留下任何的变化；通过反复进行这样的过程，光转换为电流，并且电能被输出到外部。
作为工作电极基板1，可以使用石英、蓝宝石以及玻璃等透明无机基板，以及聚对苯二甲酸乙二酯、聚萘二甲酸乙二酯、聚碳酸酯、聚丙烯、聚苯硫醚、聚偏氟乙烯、聚酰亚胺、聚砜、聚烯烃等透明塑料基板。
作为光电极侧透明导电膜，可以使用例如铟锡复合氧化物(ITO)、掺氟SnO2(FTO)、掺锑SnO2(ATO)和SnO2等。
构成半导体多孔膜的半导体材料，优选为在光激发下导带电子变成载流子的、生成阳极电流的n型半导体材料，优选锐钛矿(anatase)型的氧化钛TiO2，也可以使用其他材料，例如MgO、ZnO、SnO2、WO3、Fe2O3、In2O3、Bi2O3、Nb2O5、SrTiO3、BaTiO3、ZnS、CdS、CdSe、CdTe、PbS、CuInS、InP等。
作为承载在半导体微粒子上的敏化染料，可以为N3、N719、black dye、Z907、K8、K19、N945、Z910、K73、K51、Z955、花青、香豆素、卟啉、吲哚、二萘嵌苯花菁，半花菁中的一种或几种。
电解液5是通过将氧化还原系统(氧化还原对(redox couple))溶解到溶剂中得到的，其中氧化还原系统(氧化还原对)引起至少一种可逆的氧化/还原状态变化；例如，氧化还原对可以是I-/I3 -和Br-/Br2等卤素类、醌/氢醌、SCN-/(SCN)2等拟卤素类、铁(II)离子/铁(III)离子、铜(I)离子/铜(II)离子等。
更具体地，作为电解质，可以使用例如碘(I2)和金属碘化物或有机碘化物的组合，或溴(Br2)和金属溴化物或有机溴化物的组合；构成金属卤化物盐的阳离子可为Li+、Na+、K+、Cs+、Mg2 +、Ca2 +等，构成有机卤化物盐的阳离子，优选为四烷基铵离子类、吡啶离子类、咪唑离子类等的季铵离子。
另外，作为电解质，可以使用氰亚铁酸盐和氰铁酸盐的组合、二茂铁和Fe(C5H5)2 +离子的组合、多硫化钠或烷基硫醇和烷基化二硫的组合等；其中，优选组合了碘(I2)和碘化锂(LiI)、碘化钠(NaI)或碘化咪唑等的咪唑化合物得到的电解质。
作为电解液5的溶剂，例如，可以使用乙腈等腈类、碳酸亚丙酯和碳酸亚乙酯等的碳酸酯类、γ-丁内酯、吡啶、二甲基乙酰胺、其它的极性溶剂、甲基丙基碘化咪唑(MPII)等的离子性溶液或它们的混合物。
另外，为了防止电解液5中的电子复合，也可以加入添加剂以提高开路电压或短路电流；作为这些添加剂，可以使用叔丁基吡啶、1-甲氧基苯并咪唑、含有长链烷基的羧酸等。
本发明在金属对电极基板上低温溅射氮化钛，并在溅射了氮化钛的对电极基板上印刷低温干燥的多孔导电炭浆料，具有良好的催化和导电性能。由本发明制作的对电极基板，解决了金属基板被氧化的问题，进一步提高了电池的耐久性能；并且打破了常规金属基板选用的局限性，扩大金属基板的选用范围，大大降低了成本。
本发明可以使用不锈钢以及其他过渡金属作为对电极基板，在其表面溅射氮化钛，降低了对电极基板成本80％。
下面进一步例举实施例以详细说明本发明。同样应理解，以下实施例只用于对本发明进行进一步说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，本领域的技术人员根据本发明的上述内容作出的一些非本质的改进和调整均属于本发明的保护范围。下述示例具体的工艺参数等也仅是合适范围中的一个示例，即本领域技术人员可以通过本文的说明做合适的范围内选择，而并非要限定于下文示例的具体数值。
实施例1
透明玻璃为基底，印刷多孔纳米TiO2薄膜吸附染料作为工作电极。使用两种不同工艺(A01和A02)在0.5mm厚度的对电极金属钛板上生长氮化钛从而形成的氮化钛薄膜，再印刷低温固化多孔导电炭浆料后于150℃干燥作为对电极。封装后注入电解液、封注液孔，形成染料敏化太阳能电池(TiN-A01和TiN-A02)；其中，
工艺A01的工艺参数为：多弧靶磁控溅射；
工艺A02的工艺参数为：中频靶磁控溅射。
对比例1
基本同实施例1，不同之处仅在于省去实施例1中的生长氮化钛的步骤，最终形成染料敏化太阳能电池(STD，基板厚度0.5mm)。
染料敏化太阳能电池的耐久性能测试
在AM1.5的标准光源下进行上述制得的染料敏化太阳能电池STD、TiN-A01、TiN-A02的1000小时内的光电性能测试。图2示出测试结果，如图2所示，在1000小时内，TiN-A01和TiN-A02的各性能参数如开路电压(Voc)、短路电流(Jsc)、填充因子(FF)、转换效率(Eff)、电阻(Rs)、归一化效率(Normalized Eff)与STD相比具有显著改善，从中可知本发明的染料敏化太阳能电池相较于不具备氮化钛薄膜的染料敏化太阳能电池，耐久性能可以提高10％～20％。
实施例2
基本步骤同实施例1，不同之处在于氮化钛的厚度分别为10nm、1μm，最终形成染料敏化太阳能电池(TiN-A03和TiN-A04)。如上所述进行耐久性能测试。图3示出TiN-A02(溅射厚度)、TiN-A03(溅射厚度10nm)和TiN-A04(溅射厚度1μm)的测试结果，如图3所示，氮化钛不同溅射厚度的电池耐久性能相当。
实施例3
基本步骤同实施例1，不同之处在于金属钛板的厚度为0.1毫米，最终形成染料敏化太阳能电池(TiN-A05)。如上所述进行900小时的耐久性能测试。图4示出STD(无氮化钛溅射、基板厚度0.1mm)和TiN-A05(溅射氮化钛，基板厚度0.1mm)的测试结果，如图4所示，900小时后，更薄的基板也适用于氮化钛工艺，耐久性能可以提高10％以上。
实施例4
基本步骤同实施例1，不同之处在于采用不锈钢为金属基板，最终形成染料敏化太阳能电池(TiN-A06)。将TiN-A06与上述TiN-A02一起进行光电性能测试。图5示出TiN-A02和TiN-A06的I-V曲线，表1示出各光电性能参数结果。如图5和表1所示，使用不锈钢基板的TiN-A06具有与使用钛基板的TiN-A02相当的光电性能。而且，由于使用较为廉价的不锈钢基板，从而大大降低了生产成本。
表1 TiN-A02和TiN-A06的的光电性能测试结果
电池 Voc[V] Jsc[mA/cm2] FF[％] Eff[％] Rs[ohm]
TiN-A02 0.715 13.45 63.04 6.06 0.11
TiN-A06 0.714 13.85 61.62 6.09 0.11

Claims (9)

1.一种染料敏化太阳能电池对电极，其特征在于，包括：金属基板、形成于所述金属基板上的氮化钛薄膜、和形成于所述氮化钛薄膜上的对电极材料层。
2.根据权利要求1所述的染料敏化太阳能电池对电极，其特征在于，所述氮化钛薄膜是溅射于所述金属基板上的氮化钛薄膜。
3.根据权利要求2所述的染料敏化太阳能电池对电极，其特征在于，所述溅射的工艺参数为：溅射温度在400℃以下，溅射前真空度≤5E-7 torr。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的染料敏化太阳能电池对电极，其特征在于，所述氮化钛薄膜的厚度为1埃～1微米。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的染料敏化太阳能电池对电极，其特征在于，所述金属基板的厚度为10微米～1毫米。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的染料敏化太阳能电池对电极，其特征在于，所述金属基板为不锈钢或过渡金属。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的染料敏化太阳能电池对电极，其特征在于，所述对电极材料层为导电炭、铂金、或导电聚合物。
8.根据权利要求7所述的染料敏化太阳能电池对电极，其特征在于，所述对电极材料层是通过在所述氮化钛薄膜上印刷多孔导电炭浆料后于400℃以下干燥而形成的对电极材料层。
9.一种具备权利要求1至8中任一项所述的染料敏化太阳能电池对电极的染料敏化太阳能电池。
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