CN105185594A - 一种染料敏化太阳能电池阳极衬底预处理溶胶以及制备方法和应用 - Google Patents

一种染料敏化太阳能电池阳极衬底预处理溶胶以及制备方法和应用 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种染料敏化太阳能电池阳极衬底预处理溶胶以及制备方法和应用，按质量计，每100份的所述溶胶中包含80～90份的溶剂、5～8份的钛酸酯、1～3份的乙酰丙酮、0.2～1份的浓盐酸和1～4份的水。本发明可取代目前通常使用的对阳极衬底进行TiCl4处理的工艺，有效杜绝TiCl4的挥发性、腐蚀性危险以及废液对环境的污染与破坏。

Description

一种染料敏化太阳能电池阳极衬底预处理溶胶以及制备方法和应用
技术领域
本发明涉及一种染料敏化太阳能电池关键材料领域，尤其涉及一种对染料敏化太阳能电池阳极衬底进行预处理的溶胶材料。
背景技术
随着化石能源的日渐枯竭以及随之带来的环境污染和破坏等问题的日益加剧，太阳能作为一种绿色清洁，环境友好的新型能源，越来越受到全球范围内研究者的关注。自从1991年瑞士洛桑联邦理工学院Graetzel教授发明染料敏化太阳能电池至今，其效率已从最初的7.9％提升至目前的13％以上。染料敏化太阳能电池作为第三代太阳能电池，以其结构简单、成本低廉、环境友好等诸多的优点，成为了最有可能大规模产业化应用的一类太阳能电池。
目前染料敏化太阳能电池主要采用丝网印刷的工艺，在阳极衬底上印刷用于吸附染料分子的TiO2多孔薄膜，之后通过烘干、烧结、染料吸附、封装和电解液注入等工艺，最终完成染料敏化太阳能电池的制备。
通常在阳极衬底上印刷TiO2多孔薄膜之前，会对衬底进行TiCl4预处理，以增强TiO2多孔薄膜与阳极衬底之间的界面结合，降低界面电阻，提高最终电池的性能。然而，TiCl4具有极强的挥发性和腐蚀性，对实验环境具有极高的要求，对操作者也具有一定的危险性。不仅如此，TiCl4预处理所产生废液，会对环境造成污染，必须对其进行无害化处理，而这也间接的提高了染料敏化太阳能电池的成本。因此，寻找一种对环境无污染的、在性能上可以取代TiCl4的新型阳极衬底预处理溶胶，是染料敏化太阳能电池大规模产业化应用亟待解决的重要问题。CN104485231A公开了一种染料敏化太阳能电池光阳极预处理方法，其在导电基底上形成半导体氧化物层之前，将钛酸酯和/或钛酸酯溶液、和/或过氧钛酸溶胶涂布于所述导电基的导电面上进行预处理，以取代TiCl4预处理，但是，该溶胶的长期稳定性不理想，配置好的溶胶保质期较短；此外，该溶胶预处理衬底后形成的薄膜致密性不足，致使电池串联电阻较高。
发明内容
针对染料敏化太阳能电池阳极衬底预处理时采用的TiCl4强挥发性、腐蚀性以及废液对环境的污染等问题，本发明旨在提供一种环境友好、成本低廉、便于操作新型染料敏化太阳能电池阳极衬底预处理溶胶，取代目前普遍使用的TiCl4预处理方法。
一方面，本发明提供一种染料敏化太阳能电池阳极衬底预处理溶胶，按质量计，每100份的所述溶胶中包含80～90份的溶剂、5～8份的钛酸酯、1～3份的乙酰丙酮、0.2～1份的浓盐酸和1～4份的水。
本发明可取代目前通常使用的对阳极衬底进行TiCl4处理的工艺，有效杜绝TiCl4的挥发性、腐蚀性危险以及废液对环境的污染与破坏。而且，本发明适用于旋涂、喷雾热解、刮刀涂布和浸渍涂布等多种预处理工艺，与TiCl4预处理通常采用的浸泡预处理工艺相比，用时更短，效率更高，更有利于和流水化生产线工艺融合，适合大规模产业化应用。
较佳地，所述溶剂为醇，优选为乙醇、丙醇、和异丙醇中的至少一种。
较佳地，所述钛酸酯是钛酸四乙酯、钛酸四丙酯、钛酸四异丙酯、钛酸四丁酯和钛酸四异丁酯中的至少一种。
另一方面，本发明提供上述染料敏化太阳能电池阳极衬底预处理溶胶的制备方法，包括以下步骤：
(1)将钛酸酯、乙酰丙酮溶于部分量的所需溶剂中，搅拌均匀，得到A溶液；
(2)将浓盐酸、水溶于剩余量的所需溶剂中，搅拌均匀，得到B溶液；
(3)将所得的A、B溶液混合，搅拌2小时以上，密封静置24小时以上，得到所述染料敏化太阳能电池阳极衬底预处理溶胶。
较佳地，步骤(1)中，所述部分量为预处理溶胶中溶剂量的二分之一量。
较佳地，步骤(1)中，搅拌时间为0.5小时以上；步骤(2)中，搅拌时间为0.5小时以上。
再一方面，本发明提供上述染料敏化太阳能电池阳极衬底预处理溶胶的应用，在染料敏化太阳能电池阳极衬底上制备阳极材料之前，使用所述溶胶对阳极衬底进行预处理。
通过使用所述溶胶对阳极衬底进行预处理，可以增强阳极材料与阳极衬底的结合性能，提高染料敏化太阳能性能。
较佳地，所述对阳极衬底进行预处理的方式包括：匀胶旋涂法、喷雾热解法、刮刀涂布法和/或浸渍涂敷法。
较佳地，在使用所述溶胶对阳极衬底进行预处理时，使用溶剂对所述溶胶进行稀释，优选地，稀释时所述溶胶与溶剂的体积比1：(1～5)。
较佳地，用于稀释的溶剂与所述溶胶中的溶剂相同。
附图说明
图1为实施例1方法制备的染料敏化太阳能电池的I-V曲线；
图2为实施例2方法制备的染料敏化太阳能电池的I-V曲线；
图3为实施例3方法制备的染料敏化太阳能电池的I-V曲线；
图4为实施例4方法制备的染料敏化太阳能电池的I-V曲线；
图5为实施例5方法制备的染料敏化太阳能电池的I-V曲线；
图6为实施例6方法制备的染料敏化太阳能电池的I-V曲线；
图7为对比例1方法制备的染料敏化太阳能电池的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。
本发明提供一种染料敏化太阳能电池阳极衬底预处理溶胶，按质量计，每100份的所述溶胶中包含80-90份的溶剂、5-8份的钛酸酯、1-3份的乙酰丙酮、0.2-1份的浓盐酸和1-4份的水(优选为去离子水)。在染料敏化太阳能电池阳极衬底上制备阳极材料之前，使用所述的溶胶对阳极衬底进行预处理，可增强阳极材料与阳极衬底的结合性能，提高染料敏化太阳能性能。其中，乙酰丙酮可以提高溶胶的长期稳定性，浓盐酸可以提高衬底预处理后表面膜层的致密性。
本发明中，溶剂可为醇，优选为乙醇、丙醇和/或异丙醇。
又，在本发明中，所述的钛酸酯可以是钛酸四乙酯、钛酸四丙酯、钛酸四异丙酯、钛酸四丁酯和钛酸四异丁酯中的一种或多种。
在使用本发明的溶胶对阳极衬底进行预处理时，预处理的方式包括但不限于匀胶旋涂法(Spincoating)、喷雾热解法(Spraypyrolysis)、刮刀涂布法(Doctorblading)和/或浸渍涂敷法(Dipcoating)。预处理后，还可以在电热板上或烘干炉中干燥1-10分钟。
所述阳极衬底可以通过在基板上的透明导电膜形成。作为基板，包括但不限于石英、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。作为透明导电膜，包括但不限于铟锡复合氧化物(ITO)、掺氟SnO2(FTO)、掺锑SnO2(ATO)和SnO2等。另外，在进行所述预处理之前，阳极衬底还可以先进行清洗处理。
本发明适用于在制备各种阳极材料之前的阳极衬底预处理，阳极材料例如可以是半导体氧化物，包括但不限于二氧化钛膜、氧化锌膜和/或锡酸锌膜等。
又，在本发明中，在使用所述溶胶对阳极衬底进行预处理时，还可以根据实际需求，使用溶剂对所述溶胶进行稀释。用于稀释的溶剂可以与所述溶胶中的溶剂相同，也可以不同，例如可为醇，优选为乙醇、丙醇、和异丙醇中的至少一种。稀释时所述溶胶与溶剂的体积比可根据实际需要确定，例如可为1：(1～11)，优选为1：(1～10)，更优选为1：(1～5)。
本发明的溶胶可以采用将各成分混合均匀后密封静置的方法制备。在一个优选的示例中，所述溶胶的制备方法包括以下步骤：将钛酸酯、乙酰丙酮溶于二分之一量的所需溶剂中，搅拌0.5小时以上，得到A溶液；将浓盐酸、去离子水溶于另外二分之一量的所需溶剂中，搅拌0.5小时以上，得到B溶液；将所得的A、B溶液混合，搅拌2小时以上，密封静置24小时以上，得到所述的染料敏化太阳能电池阳极衬底预处理溶胶。
本发明的有益效果：
1.本发明可取代目前通常使用的对阳极衬底进行TiCl4处理的工艺，有效杜绝TiCl4的挥发性、腐蚀性危险以及废液对环境的污染与破坏；
2.本发明适用于旋涂、喷雾热解、刮刀涂布和浸渍涂布等多种预处理工艺，与TiCl4预处理通常采用的浸泡预处理工艺相比，用时更短，效率更高，更有利于和流水化生产线工艺融合，适合大规模产业化应用。
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。下述示例具体的时间、温度等工艺参数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。
下面将以钛酸四异丙酯作为钛酸酯为例，说明所述的溶胶的制备过程：
1.配制A溶液：将7.25ml的钛酸四异丙酯(CAS编号：546-68-9，沃凯，Ti含量：27.5-28.2％)、3.11ml的乙酰丙酮(CAS编号：123-54-6，沪试)溶于50ml的无水乙醇中(CAS编号：64-17-5，沪试)，使用磁力搅拌器搅拌30分钟，得到A溶液；
配制B溶液：将0.58ml的浓盐酸(CAS编号：7647-01-0，沪试)、2.5ml的去离子水溶于50ml的无水乙醇中(CAS编号：64-17-5，沪试)，使用磁力搅拌器搅拌30分钟，得到A溶液；
配制溶胶原液：将B溶液缓慢倒入A溶液中，使用磁力搅拌器搅拌2小时，得到黄色澄清溶液。将该黄色澄清溶液移至密闭容器中，密封保存24小时以上，黄色澄清溶液变成橙色透明溶胶，得到溶胶原液。
实施例1：
1)清洗FTO导电玻璃：使用去离子水、丙酮、乙醇分别将FTO导电玻璃超声清洗10分钟，之后用紫外-臭氧清洗机将FTO导电玻璃的导电面清洗15分钟；
2)FTO导电玻璃预处理：将配制所得溶胶原液旋涂在FTO导电玻璃的导电面后，100℃烘干10分钟。旋涂速度：3000转/分钟；旋涂时间：10秒；
3)阳极TiO2薄膜印刷：使用丝网印刷工艺，在完成预处理工艺的FTO导电玻璃导电面上印刷一层20微米厚的多空TiO2薄膜后，在100℃烘干10分钟，500℃烧结30分钟，随炉冷却；
4)染料吸附：将完成烧结的阳极衬底在TG6染料的DMSO溶液中50℃浸泡2小时后，用乙腈冲洗，吹干，得到完成染料吸附的光阳极；
5)对电极制备：在Ti箔表面使用丝网印刷工艺，印刷一层40微米厚的多孔碳薄膜，作为对电极材料。Ti箔无印刷区域打两个小孔，用以电解液注入；
6)电池组装：使用Bynel树脂将光阳极和对电极贴合在一起后，在光阳极和对电极之间注入常用的碘基电解液，用UV树脂将注液孔封堵，得到染料敏化太阳能电池；
7)在AM1.5标准太阳光模拟器下，测试电池性能，得到如图1所示的I-V曲线。
实施例2：
1)同实施例1；
2)FTO导电玻璃预处理：将配制所得溶胶原液用乙醇1:1稀释后，旋涂在FTO导电玻璃的导电面后，100℃烘干10分钟。旋涂速度：3000转/分钟；旋涂时间：10秒；
3)-7)步骤同实施例1。I-V曲线如图2所示。
实施例3：
1)同实施例1；
2)FTO导电玻璃预处理：将配制所得溶胶原液用乙醇1:2稀释后，旋涂在FTO导电玻璃的导电面后，100℃烘干10分钟。旋涂速度：3000转/分钟；旋涂时间：10秒；
3)-7)步骤同实施例1。I-V曲线如图3所示。
实施例4：
1)同实施例1；
2)FTO导电玻璃预处理：将配制所得溶胶原液用乙醇1:3稀释后，旋涂在FTO导电玻璃的导电面后，100℃烘干10分钟。旋涂速度：3000转/分钟；旋涂时间：10秒；
3)-7)步骤同实施例1。I-V曲线如图4所示。
实施例5：
1)同实施例1；
2)FTO导电玻璃预处理：将配制所得溶胶原液用乙醇1:5稀释后，旋涂在FTO导电玻璃的导电面后，100℃烘干10分钟。旋涂速度：3000转/分钟；旋涂时间：10秒；
3)-7)步骤同实施例1。I-V曲线如图5所示。
实施例6：
1)同实施例1；
2)FTO导电玻璃预处理：将配制所得溶胶原液用乙醇1:11稀释后，旋涂在FTO导电玻璃的导电面后，100℃烘干10分钟。旋涂速度：3000转/分钟；旋涂时间：10秒；
3)-7)步骤同实施例1。I-V曲线如图6所示。
对比例1：
1)同实施例1；
2)FTO导电玻璃预处理：将完成清洗工艺的FTO导电玻璃浸泡于20mmol/L的TiCl4水溶液中，70℃加入40分钟后，室温冷却，用去离子水和乙醇冲洗，吹干；
3)-7)步骤同实施例1。I-V曲线如图7所示。
实施例1-7及对比例1得到的染料敏化太阳能电池光电性能测量结果如表1所示；
表1实施例1-7及对比例1得到的染料敏化太阳能电池光电性能测量结果
开路电压[V] 短路电流[mA/cm2] 填充因子[％] 转换效率[％] 串联电阻[ohm]
实施例1 0.711 12.49 62.63 5.56 0.13
实施例2 0.723 14.88 67.42 7.25 0.09
实施例3 0.729 14.86 69.46 7.52 0.08
实施例4 0.723 15.30 70.88 7.84 0.08
实施例5 0.735 15.14 71.68 7.98 0.07
实施例6 0.693 11.23 66.50 5.18 0.10
对比例1 0.741 14.72 63.07 6.88 0.10
从图1-7以及表1可以看出，用本发明的溶胶预处理而得到的染料敏化太阳能电池的性能明显优于用TiCl4预处理而得到的染料敏化太阳能电池。
产业应用性：本发明的溶胶可取代目前染料敏化太阳能电池预处理通常使用的TiCl4，有效地避免了TiCl4强挥发性、腐蚀性等危害以及其预处理废液对环境的污染，且使用所述的溶胶预处理工艺简单，便于和流水化生产线集成，更适用于染料敏化太阳能电池大规模生产应用。

Claims (10)

1.一种染料敏化太阳能电池阳极衬底预处理溶胶，其特征在于，按质量计，每100份的所述溶胶中包含80～90份的溶剂、5～8份的钛酸酯、1～3份的乙酰丙酮、0.2～1份的浓盐酸和1～4份的水。
2.根据权利要求1所述的染料敏化太阳能电池阳极衬底预处理溶胶，其特征在于，所述溶剂为醇，优选为乙醇、丙醇、和异丙醇中的至少一种。
3.根据权利要求1或2所述的染料敏化太阳能电池阳极衬底预处理溶胶，其特征在于，所述钛酸酯是钛酸四乙酯、钛酸四丙酯、钛酸四异丙酯、钛酸四丁酯和钛酸四异丁酯中的至少一种。
4.一种权利要求1至3中任一项所述的染料敏化太阳能电池阳极衬底预处理溶胶的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）将钛酸酯、乙酰丙酮溶于部分量的所需溶剂中，搅拌均匀，得到A溶液；
（2）将浓盐酸、水溶于剩余量的所需溶剂中，搅拌均匀，得到B溶液；
（3）将所得的A、B溶液混合，搅拌2小时以上，密封静置24小时以上，得到所述染料敏化太阳能电池阳极衬底预处理溶胶。
5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，步骤（1）中，所述部分量为预处理溶胶中溶剂量的二分之一量。
6.根据权利要求4或5所述的制备方法，其特征在于，步骤（1）中，搅拌时间为0.5小时以上；步骤（2）中，搅拌时间为0.5小时以上。
7.一种权利要求1至3中任一项所述的染料敏化太阳能电池阳极衬底预处理溶胶的应用，其特征在于，在染料敏化太阳能电池阳极衬底上制备阳极材料之前，使用所述溶胶对阳极衬底进行预处理。
8.根据权利要求7所述的应用，其特征在于，所述对阳极衬底进行预处理的方式包括：匀胶旋涂法、喷雾热解法、刮刀涂布法和/或浸渍涂敷法。
9.根据权利要求7或8所述的应用，其特征在于，在使用所述溶胶对阳极衬底进行预处理时，使用溶剂对所述溶胶进行稀释，优选地，稀释时所述溶胶与溶剂的体积比1：（1～5）。
10.根据权利要求9所述的应用，其特征在于，用于稀释的溶剂与所述溶胶中的溶剂相同。
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