CN105655130A - 微波加速吸附染料及制备染料敏化太阳能电池的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及了一种微波加速吸附染料及制备染料敏化太阳能电池的方法，其特征在于，将光阳极浸泡在含有染料的染料溶液中并进行微波处理，以使光阳极敏化，其中所述微波处理的功率为0.2～5千瓦。本发明能够改善染料敏化太阳能电池制备过程的生产节拍和电池性能的重现性，利用本发明提出的方法制得的DSSC的光电转换性能也得到了提高，本发明的技术方案简单、快速，易于实现，具有好的产业化应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及染料敏化太阳能电池材料领域，尤其涉及一种微波加速吸附染料及制备染料敏化太阳能电池的方法。
背景技术
近年来，随着不可再生能源的短缺问题的加剧，使得如何有效利用太阳能资源愈加迫切。太阳能电池这种将太阳能转换为电能的新能源领域已成为众多研究者关注的领域。染料敏化太阳能电池(DSSC)以其光电转换效率高，制备工艺简单，成本低廉，对光照强度依赖小等优点受到广泛关注。自从1991年瑞士洛桑高工(EPFL)M.Grtzel教授领导的研究小组在该技术上取得突破以来，世界各国科研机构均投入大量资金进行研发。
在染料敏化太阳能电池制备过程中，光阳极的敏化过程是尤为关键的一个环节，光阳极敏化的效果将直接影响到染料敏化太阳能电池的性能，但是在研究过程中这一环节也是易被忽视的环节，因此常见的光阳极的敏化工艺往往存在一些尚待改进的问题，这些问题主要集中在以下方面：敏化工艺繁琐、耗时长；敏化工艺的可控性低、重现性差。
发明内容
为了解决上述光阳极的敏化过程中的问题，本发明提供一种微波加速吸附染料及制备染料敏化太阳能电池的方法。
一方面，本发明提供一种对染料敏化太阳能电池的光阳极进行染料敏化的方法，所述方法是将光阳极浸泡在含有染料的染料溶液中并进行微波处理，以使光阳极敏化，其中所述微波处理的功率为0.2～5千瓦。
本发明可以简化敏化工艺，缩短敏化时间，增加敏化工艺的可操控性和稳定性，进而改善染料敏化太阳能电池制备过程的生产节拍和电池性能的重现性，利用本发明提出的方法制得的DSSC的光电转换性能也得到了提高，本发明的技术方案易于实现，为高效率染料敏化太阳能电池的开发及实现染料敏化太阳能电池的量产提供了新的、可行的思路。
较佳地，微波处理的时间为1～20分钟。
本发明中，所述光阳极可包括导电基底及形成于所述导电基底上的半导体氧化物薄膜，所述半导体氧化物薄膜优选为二氧化钛薄膜。
较佳地，所述半导体薄膜的厚度为5～30μm。
本发明中，所述染料可为钌基、卟啉类、菁类及香豆素类染料中的至少一种。
较佳地，所述染料溶液中染料的浓度为0.lmmol/L～5mol/L。
本发明中，所述染料溶液中还可含有共吸附剂，所述共吸附剂优选为1-癸基磷酸。
较佳地，所述染料溶液中共吸附剂的浓度为0.1mmol/L～3mol/L。
本发明中，所述染料溶液的溶剂可选自乙腈、叔丁醇、二甲基甲酰胺、二甲基亚砜中的至少一种。
另一方面，本发明提供一种微波加速吸附染料制备染料敏化太阳能电池的方法，包括以下步骤：
(1)根据上述任意一种方法对染料敏化太阳能电池的光阳极进行染料敏化；
(2)将染料敏化后的光阳极取出同其它电池部件一同组装染料敏化太阳能电池。
本发明能够改善染料敏化太阳能电池制备过程的生产节拍和电池性能的重现性，利用本发明提出的方法制得的DSSC的光电转换性能也得到了提高，本发明的技术方案易于实现，为高效率染料敏化太阳能电池的开发及实现染料敏化太阳能电池的量产提供了新的、可行的思路。
附图说明
图1为利用实施例1敏化制得的光阳极所组装的电池在AMl.5，1000W/m2标准测试条件下测得的J-V曲线；
图2为利用实施例2敏化制得的光阳极所组装的电池在AMl.5，1000W/m2标准测试条件下测得的J-V曲线；
图3为利用实施例3敏化制得的光阳极所组装的电池在AMl.5，1000W/m2标准测试条件下测得的J-V曲线；
图4为利用实施例4敏化制得的光阳极所组装的电池在AMl.5，1000W/m2标准测试条件下测得的J-V曲线；
图5为利用对比例1敏化制得的光阳极所组装的电池在AMl.5，1000W/m2标准测试条件下测得的J-V曲线；
图6为利用对比例2敏化制得的光阳极所组装的电池在AMl.5，1000W/m2标准测试条件下测得的J-V曲线；
图7为利用对比例3敏化制得的光阳极所组装的电池在AMl.5，1000W/m2标准测试条件下测得的J-V曲线；
图8为利用对比例4敏化制得的光阳极所组装的电池在AMl.5，1000W/m2标准测试条件下测得的J-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。
本发明在对染料敏化太阳能电池的光阳极进行染料敏化时，微波加速吸附染料。具体而言，将光阳极浸泡在含有染料的染料溶液中，利用微波处理的方法加速完成光阳极的敏化过程。
微波处理的功率可为0.2～5千瓦。
微波处理的时间可为1～20分钟。本发明在短时间内即可完成光阳极的敏化。相较于一般的浸泡方法(例如需24小时以上)，本发明采用微波处理可以加速敏化，大大节省敏化时间。
本发明中，对光阳极没有特别限定，其可以是本领域常用的光阳极，例如可以包括导电基底及形成于所述导电基底上的半导体薄膜。
导电基底可以是由透明基板和透明导电膜构成。作为透明基板，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(PET)、聚萘二甲酸乙二酯(PEN)、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，可以使用例如铟锡复合氧化物(ITO)、掺氟SnO2(FTO)、掺锑SnO2(ATO)、SnO2、掺铝SnO2(AZO)等。作为导电基底的示例，可举出玻璃\FTO、玻璃\ITO、玻璃\AZO、PET\FTO、PET\ITO、PET\AZO、PEN\FTO、PEN\ITO、PEN\AZO等。
半导体薄膜优选为多孔。构成半导体薄膜的半导体材料，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。
在半导体氧化物薄膜为二氧化钛薄膜的示例中，光阳极的制备方法可为：将二氧化钛薄膜涂覆在导电基底上，烧结，制得染料敏化太阳能电池光阳极。二氧化钛薄膜的制备方法包括但不限于磁控溅射法、脉冲激光溅射、涂覆法如丝网印刷、钢版印刷、棍涂法、刮刀涂敷法、旋涂法和喷涂法等方法的一种或几种联用。优选地，二氧化钛薄膜还可进行高温处理，以去除其中的有机高分子添加剂。在一个示例中，高温处理的温度为150～550℃，煅烧时间为5～60min。二氧化钛薄膜(电催化活性材料薄膜)经过高温处理后的厚度为5～30μm。
将光阳极浸没于含有染料的染料溶液中，并利用微波加速敏化。作为染料，没有特别限制，包括但不限于钌基、卟啉类、菁类及香豆素类染料的至少一种，例如N3、N719、blackdye、Z907、K8、K19、N945、Z910、K73、K51、Z955、Z991、TG6、花青、香豆素、卟啉、吲哚、二萘嵌苯花菁、半花菁等。染料溶液的溶剂可选自乙腈、叔丁醇、二甲基甲酰胺、二甲基亚砜中的一种或几种。染料溶液中染料的浓度可为0.lmmol/L～5mol/L，优选为0.1～2mol/L。此外，染料溶液中还可以含有共吸附剂。该共吸附剂可为胆酸衍生物共吸附剂、链状脂肪酸共吸附剂和多羟基化合物共吸附剂等，优选为1-癸基磷酸(DPA)。染料溶液中共吸附剂的浓度为0.1mmol/L～3mol/L，优选为0.1～2mol/L。另外，染料溶液中染料与共吸附剂的摩尔比可为1：10～10：1。微波辐射可由商业或常规微波炉提供。如上所述，微波处理的功率可为0.2～5千瓦，微波处理的时间为1～20min。
将染料敏化后光阳极取出同其它电池部件一同装入染料敏化太阳能电池(DSSC)。本发明中，对其它电池部件没有限制，只要不影响本发明的目的即可。在一个示例中，电池组装的具体步骤如下所述。
将敏化后的光阳极分别与具有电催化活性的对电极使用粘合剂贴合，之后从注入孔注入电解液，电解液为常用的含碘液体电解液。之后使用薄玻璃片封住钛板上的电解液注入孔，制得电池。
电池光电转换性能测试
在AMl.5模拟太阳光下测试电池各光电转换性能参数。
本发明的有益效果：
(1)本发明可以简化敏化工艺，缩短敏化时间，增加敏化工艺的可操控性和稳定性，进而改善染料敏化太阳能电池制备过程的生产节拍和电池性能的重现性；
(2)利用本发明提出的方法制得的DSSC的光电转换性能也得到了提高；
(3)本发明的技术方案易于实现，为高效率染料敏化太阳能电池的开发及实现染料敏化太阳能电池的量产提供了新的、可行的思路；
(4)本发明的技术方案易于实现，具有好的产业化应用前景。
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。下述实施例中使用的染料的分子结构可参见CN103710127A。
实施例1：
(1)光阳极的制备：
利用丝网印刷在FTO玻璃上制备二氧化钛薄膜，用马弗炉在510℃进行煅烧处理30min，冷却至室温后取出，干膜厚度为25μm；
(2)光阳极的敏化
将步骤(1)制备的光阳极，浸没于含0.3MDPA和0.6MZ991的二甲亚砜溶液，再利用0.5千瓦微波加速敏化20min，移至室温冷却，即完成敏化过程。
实施例2：
(1)光阳极的制备：
利用旋涂法在FTO玻璃上制备二氧化钛薄膜，用马弗炉在450℃进行煅烧处理60min，冷却至室温后取出，干膜厚度为15μm。
(2)光阳极的敏化
将步骤(1)制备的光阳极，浸没于含0.1MDPA和0.1MZ907的二甲亚砜溶液，再利用2千瓦微波加速敏化10min，移至室温冷却，即完成敏化过程。
实施例3：
(1)光阳极的制备：
利用喷涂法在PET\FTO上制备二氧化钛薄膜，用马弗炉在200℃进行煅烧处理30min，冷却至室温后取出，干膜厚度为8μm；
(2)光阳极的敏化
将步骤(1)制备的光阳极，浸没于含0.5MDPA和1.0MTG6的乙腈溶液，再利用5千瓦微波加速敏化2min，移至室温冷却，即完成敏化过程。
实施例4：
(1)光阳极的制备：
利用旋涂法在ITO玻璃上制备二氧化钛薄膜，用马弗炉在450℃进行煅烧处理20min，冷却至室温后取出，干膜厚度为18μm；
(2)光阳极的敏化
将步骤(1)制备的光阳极，浸没于含0.5MDPA和1.0MN719的叔丁醇溶液，再利用1千瓦微波加速敏化15min，移至室温冷却，即完成敏化过程。
对比例1：
(1)光阳极的制备：
同实施例1；
(2)光阳极的敏化
将步骤(1)制备的光阳极，浸没于含0.3MDPA和0.6MZ991的二甲亚砜溶液，室温敏化24h，即完成敏化过程。
对比例2：
(1)光阳极的制备：
同实施例2；
(2)光阳极的敏化
将步骤(1)制备的光阳极，浸没于含0.1MDPA和0.1MZ907的二甲亚砜溶液，室温敏化24h，即完成敏化过程。
对比例3：
(1)光阳极的制备：
同实施例3；
(2)光阳极的敏化
将步骤(1)制备的光阳极，浸没于含0.5MDPA和1.0MTG6的乙腈溶液，室温敏化24h，即完成敏化过程。
对比例4：
(1)光阳极的制备：
同实施例4；
(2)光阳极的敏化
将步骤(1)制备的光阳极，浸没于含0.5MDPA和1.0MN719的叔丁醇溶液，室温敏化24h，即完成敏化过程。
效果实施例：染料敏化太阳能电池光电性能测试
利用实施例1～4和对比例1～4所制得的敏化后光阳极，按照如下步骤制作染料敏化太阳能电池并测试相应电池的性能：
将上述敏化后的光阳极分别与具有电催化活性的对电极使用粘合剂贴合，之后从注入孔注入电解液，电解液为常用的含碘液体电解液。之后使用薄玻璃片封住钛板上的电解液注入孔，制得电池。在AMl.5模拟太阳光下测试电池各光电转换性能参数。
结果显示：
图1～4分别对应的是由实施例1～4中制得的染料敏化后的光阳极组装成的DSSC，在AM1.5模拟太阳光下，测得的J-V曲线；图5～8分别对应的是由对比例1～4中制得的染料敏化后的光阳极组装成的DSSC，在AM1.5模拟太阳光下，测得的J-V曲线。为了更加清晰的比较实施例和对比例，以体现出本发明的效果，又将以上这些测试结果整理为表1和表2。
表1实施例1～4对应电池的性能数据汇总
| Cell | Voc[V] | Jsc[mA/cm2] | FF[％] | Eff[％] | Rs[ohm] |
| 实施例1 | 0.738 | 15.99 | 68.41 | 8.07 | 35.99 |
| 实施例2 | 0.732 | 15.95 | 68.18 | 7.96 | 36.17 |
| 实施例3 | 0.743 | 15.62 | 68.86 | 7.99 | 35.87 |
| 实施例4 | 0.738 | 15.70 | 69.44 | 8.05 | 35.53 |
表2对比例1～4对应电池的性能数据汇总
| Cell | Voc[V] | Jsc[mA/cm2] | FF[％] | Eff[％] | Rs[ohm] |
| 对比例1 | 0.740 | 14.94 | 68.90 | 7.62 | 37.67 |
| 对比例2 | 0.741 | 15.10 | 68.82 | 7.70 | 36.96 |
| 对比例3 | 0.726 | 15.12 | 69.24 | 7.60 | 36.20 |
| 对比例4 | 0.731 | 15.07 | 68.90 | 7.59 | 37.58 |
表1和表2为实施例1～4和对比例1～4对应电池性能的数据汇总。将上述数据进行对比，可以看出：
利用本发明所提及方法对光阳极进行敏化，不仅可以起到加速吸附染料的效果(即敏化时间明显缩短)，同时本发明所提及方法还能够明显改善染料敏化太阳能电池的光电转换性能，包括电池的短路电流(Jsc)和光电转换效率(Eff.)等光电转换性能均有显著提升。
本发明的技术方案简单、快速，易于实现，具有好的产业化应用前景；本发明还为染料敏化太阳能电池，尤其是光阳极部件的制备及性能优化提供了全新的思路。
以上所述，对于本领域内的普通技术人员来说容易理解，凡在本发明技术方案基础上做出的任何变形、修改或者等同替换，均包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种对染料敏化太阳能电池的光阳极进行染料敏化的方法，其特征在于，将光阳极浸泡在含有染料的染料溶液中并进行微波处理，以使光阳极敏化，其中所述微波处理的功率为0.2～5千瓦。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，微波处理的时间为1～20分钟。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述光阳极包括导电基底及形成于所述导电基底上的半导体氧化物薄膜，所述半导体氧化物薄膜优选为二氧化钛薄膜。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其特征在于，所述半导体薄膜的厚度为5～30μm。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，其特征在于，所述染料为钌基、卟啉类、菁类及香豆素类染料中的至少一种。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的方法，其特征在于，所述染料溶液中染料的浓度为0.lmmol/L～5mol/L。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的方法，其特征在于，所述染料溶液中还含有共吸附剂，所述共吸附剂优选为1-癸基磷酸。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述染料溶液中共吸附剂的浓度为0.1mmol/L～3mol/L。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的方法，其特征在于，所述染料溶液的溶剂选自乙腈、叔丁醇、二甲基甲酰胺、二甲基亚砜中的至少一种。
10.一种微波加速吸附染料制备染料敏化太阳能电池的方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）根据权利要求1至9中任一项所述的方法对染料敏化太阳能电池的光阳极进行染料敏化；
（2）将染料敏化后的光阳极同其它电池部件一同组装染料敏化太阳能电池。
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