CN104637692A - 一种喷涂法制备染料敏化太阳能电池光阳极的方法 - Google Patents

一种喷涂法制备染料敏化太阳能电池光阳极的方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于染料敏化太阳能电池的研究领域，具体涉及一种喷涂法制备染料敏化太阳能电池光阳极的方法，首先制备喷涂用浆料，包括多孔层及散射层浆料的制备然后喷涂浆料至FTO导电玻璃基板上，在室温下干燥，热处理。本发明制备的光阳极喷涂用浆料原料易获得，成本低廉，制备方法简单，有较好的分散性和稳定性；其喷涂制备的薄膜均匀性较好，与FTO玻璃基板之间的结合力好，厚度可控性好，有利于染料敏化太阳能电池的产业化发展。

Description

一种喷涂法制备染料敏化太阳能电池光阳极的方法
技术领域
本发明属于染料敏化太阳能电池的研究领域，具体涉及一种喷涂法制备染料敏化太阳能电池光阳极的方法。
背景技术
1991年，Grätzel等人首次提出了一种以染料敏化二氧化钛半导体纳米薄膜作为光阳极的太阳能电池，称为染料敏化太阳能电池 (dye-sensitized solar cell，DSSC)，也被称作Grätzel电池。染料敏化太阳能电池因其弱光效应好、封装工艺简单、环境友好性、光电转换效率高，成本低等优点而受到广泛关注。染料敏化太阳能电池主要由光阳极、染料、电解质、对电极四大重要部分组成，其中核心之一的光阳极是由多孔半导体纳米薄膜构成，它不仅是染料分子的载体，同时也起电荷的分离和传输作用。因此，染料敏化太阳能电池的光阳极对电池的短路电流、填充因子以及光电转换效率有直接的影响。
二氧化钛因具有合适的禁带宽度，优越的光电效应和光电化学稳定性，是目前发现的最适合作为染料敏化太阳能电池中光阳极的半导体材料。目前用于制备染料敏化太阳能电池光阳极中纳米二氧化钛薄膜的方法主要有刮涂法、旋涂法、提拉法、丝网印刷法等，但是旋涂法和提拉法是不适合制备粒径较大的（20~400nm）二氧化钛纳米薄膜，而刮涂法和丝网印刷法制备出来的薄膜存在均匀性差，与FTO玻璃基板之间的附着力低以及厚度不可连续调节控制等缺点，从而会降低染料敏化太阳能电池的短路电流、填充因子及电池效率。因此，提高光阳极纳米薄膜与FTO玻璃基板之间的有效结合、薄膜的均匀性及厚度可控性对染料敏化太阳能电池的光电转换效率有重要的影响。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：找到一种适合喷涂法制备染料敏化太阳能电池光阳极的方法，该方法可实现光阳极薄膜均匀性较好，与FTO玻璃基板之间有的结合力较好，厚度可连续调节控制，原料易于获取且成本低廉等优点。
本发明的技术方案如下：
一种喷涂法制备染料敏化太阳能电池光阳极的方法，采用如下步骤：
步骤一、浆料制备
将粒径为20~40nm 和200~400nm的二氧化钛（其中粒径20~40nm 用于制备多孔层，200~400nm用于制备散射层）分别加入到溶剂中，溶剂为甲醇、乙醇、丁醇、丙酮、四氢呋喃、环己酮、N，N-二甲基甲酰胺、二氯甲烷、正己烷、去离子水中的任意一种（也可以是多种混合，但是要求混合的溶剂需互溶），得到混合液，其中二氧化钛的浓度范围在0.10~0.30g/ml之间，将混合液混合均匀后，加入占混合液质量0.10%~0.20%的粘结剂，粘结剂为环氧树脂、聚乙烯醇、丙二醇、聚丙烯酸钠、聚乙二醇中的任意一种（也可以是多种混合，但是要求混合的物质需互溶），再次混合均匀后，得到二氧化钛/溶剂/粘结剂混合液；加入占二氧化钛/溶剂/粘结剂混合液质量0~0.14%的稳定剂（如果混合液足够稳定可以不加入稳定剂），稳定剂为乙酰丙酮、Triton X-100、十二烷基苯磺酸钠、脂肪醇聚氧乙烯醚等中的任意一种（也可以是多种混合，但是要求混合的物质各自互溶），并混合均匀，获得多孔层浆料和散射层浆料；
步骤二、喷涂，干燥及热处理
将制备好的多孔层浆料，在FTO玻璃基板上均匀喷涂，每次喷涂2~5μm，室温下晾干，反复喷涂达到10~17μm后，以2℃~3℃/min的速率升温到200~350℃，保温30~60min继续升温至450~500℃，保温30~60min后冷却至室温，形成染料敏化太阳能电池光阳极多孔层；
步骤三、如果只需制备染料敏化太阳能电池光阳极多孔层，可不选择本步骤，如需制备染料敏化太阳能电池光阳极散射层需要进行本步骤：
将制备好的散射层浆料，在已制备的染料敏化太阳能电池光阳极多孔层上均匀喷涂，每次喷涂1~3μm，室温下晾干，反复喷涂达到3~5μm后，以2℃~3℃/min的速率升温到200~350℃，保温30~60min继续升温至450~500℃，保温30~60min后冷却至室温，形成染料敏化太阳能电池光阳极散射层。
作为一种优选方式：步骤一中的混合采用高速剪切搅拌器处理10~60min，其转速为4000~5000 rpm，或者采用超声破碎仪处理10~60min，对于粘度大，液体量多的应选择较大的功率来处理。
作为一种优选方式：步骤二中和步骤三中喷涂过程是在压力为0.1~0.45MPa的压缩空气或氮气下进行，采用喷嘴口径为0.2~1.5mm的喷枪，喷嘴距离FTO玻璃基板15~30cm，垂直于FTO玻璃基板喷涂浆料。
本发明的有益效果是：本发明提供的浆料制备方法工艺简单，原料易获取且成本低廉；通过本发明制备的二氧化钛浆料有较好的分散性和稳定性；其喷涂所形成的薄膜均匀性较好，与FTO玻璃基板之间有的结合力较好，厚度可连续调节控制，很适合制备染料敏化太阳能电池。
具体实施方式
下面对本发明作进一步说明
实施例1
1) 称取1g纳米二氧化钛粉（Degussa公司生产的商用P25）加入到10ml乙醇和甲醇混合液（体积比为1:1）中，超声分散处理60min，超声功率为200W，得到二氧化钛/乙醇及甲醇混合液；
2) 然后向上述混合液中加入9mg PEG400，再次超声分散处理30min，超声功率为500W，得到分散均匀的二氧化钛/乙醇及甲醇/PEG400乳化混合液；
3) 向上述乳化混合液加入13mg乙酰丙酮并超声分散处理10min，超声功率为400W，得到分散均匀的适于喷涂的染料敏化太阳能电池光阳极多孔层浆料；
4) 将制备好的光阳极多孔层浆料，在压力为0.1MPa的氮气下，采用喷嘴口径为0.5mm的喷枪，喷嘴距离FTO玻璃基板15cm，垂直于FTO玻璃基板喷涂4s，室温下晾干，反复喷涂5次晾干后在马弗炉烧结：以3℃/min的速率升温到250℃下保温30min后继续升温至450℃下保温30min，冷却至室温，即可获得多孔的染料敏化太阳能电池光阳极薄膜(17μm厚)。
5) 对制备好的光阳极多孔薄膜，按照DIN EN ISO 2409 标准进行手工涂层网格切割试验，并对试验结果进行等级划分，发现沿切割边缘和（或）在网格线的交叉点上有涂层脱落。脱落的面积大于网格切割面的5%，但不大于网格切割面的15%，网格切割特性值为2，优于刮涂法制备的光阳极多孔层（其网格切割特性值为4）。
6) 制备好的光阳极多孔薄膜，采用千分尺，对其厚度进行多点测量，厚度为17±1μm，其薄膜的均匀性及厚度可控性均优于其他方法。
实施例2
1) 称取1.5g粒径为25nm纳米二氧化钛粉（水热法制备的锐钛矿型二氧化钛）1.5g粒径为300nm纳米二氧化钛粉（水热法制备的锐钛矿型二氧化钛）分别加入到10ml和15ml去离子水中，超声分散处理40min，超声功率为250W，得到混合液A和B；
2) 向混合液A和B中分别加入17mg和25mg PEG400和丙二醇混合物（质量比2:1），再次超声分散处理40min，超声功率为400W，得到分散均匀的乳化混合液C和D；
3) 再分别向上述乳化混合液中C和D加入12mg和17mg Triton X-100并超声分散处理10min，超声功率为600W，得到适于喷涂的染料敏化太阳能电池光阳极多孔层和散射层浆料；
4) 将制备好的光阳极多孔层浆料，在压力为0.2MPa的氮气下，采用喷嘴口径为1.5mm的喷枪，喷嘴距离FTO玻璃基板15cm，垂直于FTO玻璃基板喷涂浆料3s，于空气中晾干，反复喷涂5次晾干后在马弗炉烧结：以3℃/min的速率升温到250℃下保温40min后继续升温至450℃下保温60min，冷却至室温，即可获得15μm厚的染料敏化太阳能电池光阳极多孔层；
5) 将制备好的光阳极散射层浆料，在压力为0.2MPa的氮气下，采用喷嘴口径为1.5mm的喷枪，喷嘴距离涂有多孔层的FTO玻璃基板15cm，垂直于FTO玻璃基板喷涂2s，室温下晾干，反复喷涂2次晾干后在马弗炉中烧结，烧结过程：以3℃/min的速率升温到350℃下保温40min后继续升温至450℃下保温60min，冷却至室温，即可形成有多孔层/散射层（5μm厚）的染料敏化太阳能电池光阳极。
实施例3
1) 称取3.6g粒径为30nm纳米二氧化钛粉（水热法制备的金红石型二氧化钛）和2.4g粒径为400nm纳米二氧化钛粉（水热法制备的金红石型二氧化钛）分别加入到12ml和8ml N，N-二甲基甲酰胺中，得到混合液A和B；
2) 将上述混合液通过高速剪切搅拌器以5000rmp的转速分散处理 60min，然后向混合液A和B中分别加入30mg 和20mg丙二醇，再次通过高速剪切搅拌器以5000rmp的转速分散处理60min，获得分散均匀的适于喷涂的染料敏化太阳能电池光阳极多孔层和散射层浆料；
3) 将制备好的光阳极多孔层浆料，在压力为0.45MPa的压缩空气下，采用喷嘴口径为0.5mm的喷枪，喷嘴距离涂有致密层的FTO玻璃基板30cm，喷涂4s，室温下晾干，反复喷涂2次晾干后在马弗炉烧结：以3℃/min的速率升温到300℃下保温60min后继续升温至500℃下保温60min，冷却至室温，即可获得10μm厚的染料敏化太阳能电池光阳极多孔层；
4) 将制备好的光阳极散射层浆料，在压力为0.25MPa的压缩空气下，采用喷嘴口径为0.5mm的喷枪，喷嘴距离涂有多孔层的FTO玻璃基板30cm，喷涂2s，室温下晾干后在马弗炉中烧结：以3℃/min的速率升温到300℃下保温60min后继续升温至500℃下保温60min，冷却至室温，即可形成有多孔层/散射层（3μm）的染料敏化太阳能电池光阳极。

Claims (6)

1.一种喷涂法制备染料敏化太阳能电池光阳极的方法，其特征在于按照如下的步骤进行：
步骤一、浆料制备
将粒径为20~40nm和200~400nm的二氧化钛分别加入到溶剂中，得到两种混合液，其中两种混合液中二氧化钛的浓度范围在0.10~0.30g/ml之间，将两种混合液分别混合均匀后，分别加入占各自混合液质量0.10%~0.20%的粘结剂，并各自混合均匀后，得到两种二氧化钛/溶剂/粘结剂混合液，加入占各自二氧化钛/溶剂/粘结剂混合液质量0~0.14%的稳定剂并混合均匀，获得多孔层浆料和散射层浆料；
步骤二、喷涂，干燥及热处理
将制备好的多孔层浆料，在FTO玻璃基板上均匀喷涂，每次喷涂2~5μm，室温下晾干，反复喷涂达到10~17μm后，以2℃~3℃/min的速率升温到200~350℃，保温30~60min继续升温至450~500℃，保温30~60min后冷却至室温，形成染料敏化太阳能电池光阳极多孔层；
步骤三、如果只需形成染料敏化太阳能电池光阳极多孔层，可不选择本步骤，如果需要形成染料敏化太阳能电池光阳极散射层需要进行本步骤：
将制备好的散射层浆料，在已经制备的染料敏化太阳能电池光阳极多孔层上均匀喷涂，每次喷涂1μm ~3μm，室温下晾干，反复喷涂达到3~5μm后，以2℃~3℃/min的速率升温到200~350℃，保温30~60min继续升温至450~500℃，保温30~60min后冷却至室温，形成染料敏化太阳能电池光阳极散射层。
2.根据权利要求1所述的一种喷涂法制备染料敏化太阳能电池光阳极的方法，其特征在于：步骤一中的溶剂为甲醇，乙醇，丁醇，丙酮，四氢呋喃，环己酮，N，N-二甲基甲酰胺，二氯甲烷，正己烷及去离子水等中的任意一种。
3.根据权利要求1所述的一种喷涂法制备染料敏化太阳能电池光阳极的方法，其特征在于：步骤一中的均匀混合采用高速剪切搅拌器处理10~60min，其转速为4000~5000 rpm，或者采用超声破碎仪处理10~60min，对于粘度大，液体量多的应选择较大的功率来处理。
4.根据权利要求1所述的一种喷涂法制备染料敏化太阳能电池光阳极的方法，其特征在于：步骤一中的粘结剂为环氧树脂，聚乙烯醇，丙二醇，聚丙烯酸钠及聚乙二醇等中的任意一种。
5.根据权利要求1所述的一种喷涂法制备染料敏化太阳能电池光阳极的方法，其特征在于：步骤一中的稳定剂为乙酰丙酮，Triton X-100，十二烷基苯磺酸钠及脂肪醇聚氧乙烯醚等中的任意一种。
6.根据权利要求1所述的一种喷涂法制备染料敏化太阳能电池光阳极的方法，其特征在于：步骤二中和步骤三中喷涂过程是在压力为0.1~0.45MPa的压缩空气或氮气下进行，采用喷嘴口径为0.2~1.5mm的喷枪，喷嘴距离FTO玻璃基板15 ~30cm，垂直于FTO玻璃基板喷涂浆料。
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