CN106252082A - 一种天然染料敏化太阳能电池装置及其制作方法 - Google Patents

一种天然染料敏化太阳能电池装置及其制作方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种天然染料敏化太阳能电池装置及其制作方法，该制作方法包括染料制备、浆料制备、光阳极制备、配制电解液、采用镀有石墨的导电玻璃制备对电极、电池组装；同时公开一种天然染料敏化太阳能电池装置。本发明主要针对目前染料敏化太阳电池的染料分子、制作工艺、以及结构设计等几个方面，选取价格低廉、容易获得的天然染料分子为敏化剂，发展一种紫外固化树脂封装工艺，利用无纺布做隔膜，大大降低了染料敏化太阳能电池的成本，并提高了其产电效率，进而拓展了染料敏化的应用性。

Description

一种天然染料敏化太阳能电池装置及其制作方法
技术领域
本发明属于节能电池技术领域，尤其涉及一种天然染料敏化太阳能电池装置及其制作方法。
背景技术
太阳能是一次能源和可再生能源，不仅资源丰富，而且清洁无污染。太阳能电池能够利用太阳光直接发电，目前研究和应用最广泛的太阳能电池主要是硅太阳能电池，但这类电池原料成本高、生产工艺复杂。染料敏化太阳能电池(DSSC)的制作工艺简单、光电转化效率较高、光照条件要求低、成本约为硅电池的1/5-1/10，因此具有更高的应用前景。
染料敏化太阳能电池的工作原理类似于树叶的光合作用。当太阳光照射到染料敏化太阳能电池上时，染料分子被光激发，基态电子跃迁到激发态，不稳定的激发态染料分子快速地将电子注入到TiO2导带中并通过外电路传递。与此同时，染料分子与电解液中的I-离子发生还原反应回到基态，同时I-氧化成I3 -。最后I3 -在对电极上得到电子而被还原成I-，从而完成整个电路的循环及染料和氧化还原对的再生。
目前已经研究出上千种染料，以有机染料为主，其中钌的联吡啶配位化合物光电性能最好，但是合成困难，成本高。
绝大多数染料敏化太阳能电池采用沙林膜以及环氧树脂作为封装膜密封电池，成本较高；
光阳极与对电极直接组装时易发生短路问题，导致电池失效，造成成本高。
发明内容
本发明的目的在于提供一种天然染料敏化太阳能电池装置及其制作方法，旨在解决背景技术提及的问题。
本发明是这样实现的，一种天然染料敏化太阳能电池装置的制作方法，该天然染料敏化太阳能装置的制作方法包括：
染料制备：将紫甘蓝在研钵中充分研磨后转移到烧杯中，加入25％乙醇溶液至浸没，用保鲜膜封口，放入55℃水浴锅中加热2小时后取出过滤，将滤液避光保存24小时，备用；
浆料制备：采用研磨法，取10g P25TiO2纳米粉放入研钵，加入1g的乙基纤维素作为造孔剂或粘结剂，边研磨边滴加5g-10g松油醇作为表面乳化剂，用5ml无水乙醇稀释，研磨0.5小时，得到粘稠均匀的浆料，备用；
光阳极制备：导电玻璃经超声清洗并干燥后，用涂布刮刀将500微米-2000微米厚度的浆料涂在导电玻璃的导电面上，自然晾干后在马弗炉中450℃逐段升温烧结，制得光阳极，备用，导电玻璃选择ITO导电玻璃或FTO导电玻璃；
配制电解液：称取0.127g I2与0.83gKI固体，加入10ml乙腈作为溶剂，配制含I-/I3 -电对的电解液，备用；
采用镀有石墨的导电玻璃制备对电极，备用；
电池组装：将制备的光阳极在制备的染料中浸泡24h后取出，染好色的光阳极取出后用无水乙醇冲洗并吹干；再铺上无纺布作为隔膜，滴加制备的电解液至无纺布完全浸润，在有效TiO2薄膜周围涂上紫外固化树脂，制备的对电极从一侧盖上，对电极与光阳极保持错位，留出正负极端口；置于紫外光或太阳光下使紫外固化树脂固化，进行染料敏化太阳能电池的封装。
所述的有效TiO2薄膜不完全覆盖导电玻璃，四周空余一部分，导电玻璃用于封装后导电。
一种天然染料敏化太阳能电池装置，该天然染料敏化太阳能电池装置包括底座、支撑架、储能模块、外壳、染料敏化太阳能电池组、FTO导电玻璃、发光LED灯、电池支撑架、连接端口、步进电机、蜂鸣器；
所述支撑架固定在外壳下端，底座通过螺栓固定在外壳内下部，储能模块固定在底座上部，发光LED灯、步进电机、蜂鸣器均安装在外壳外部，染料敏化太阳能电池组通过电池支撑架固定在FTO导电玻璃上，FTO导电玻璃安装在外壳内部，所述染料敏化太阳能电池组通过导线电连接储能模块，所述发光LED灯、连接端口、步进电机、蜂鸣器均通过导线电连接储能模块。
进一步，所述染料敏化太阳能电池组包括多块单个染料敏化太阳能电池，所述单个染料敏化太阳能电池包括TiO2光阳极、电解液层、隔膜、对电极；所述TiO2光阳极、对电极分别位于隔膜上、下端面，所述对电极与TiO2光阳极相互错位，电解液层附着在隔膜上。所述TiO2光阳极包括导电玻璃和二氧化钛薄膜，二氧化钛薄膜附着在导电玻璃上。
进一步，每个单个染料敏化太阳能电池外部均封装有紫外光固树脂。
进一步，每个单个染料敏化太阳能电池与另一个单个染料敏化太阳能电池串并联连接。
进一步，所述储能模块采用超级电容，超级电容输入端与每个单个染料敏化太阳能电池电连接，所述超级电容设置有双开关，升压转换BQ25504芯片，所述双开关通过导线电连接升压转换BQ25504芯片。
进一步，所述底座和外壳均使用透明塑料板材料，所述对电极采用镀有石墨的导电玻璃。
本发明主要针对目前染料敏化太阳电池的染料分子、制作工艺、以及结构设计等几个方面，选取价格低廉、容易获得的天然染料分子为敏化剂，发展一种紫外固化树脂封装工艺，利用无纺布做隔膜，大大降低了染料敏化太阳能电池的成本，并提高了其产电效率，进而拓展了染料敏化的应用性。
目前已经研究出上千种染料，以有机染料为主，其中钌的联吡啶配位化合物光电性能最好，但是合成困难，成本高。本发明天然染料与其相比具有分布广泛、种类繁多、制备工艺简单、可随时取、能完全生物降解、无污染、不含重金属和无化学合成等优点。例如，花青素可从山竹皮等生物垃圾以及廉价的紫甘蓝等植物中提取。花青素是一种多酚化合物，分子上的羟基能够与二氧化钛薄膜表面的钛相络合，提高了染料的吸附率，有利于提高染料敏化太阳能电池的光电转化率；
绝大多数染料敏化太阳能电池采用沙林膜以及环氧树脂作为封装膜密封电池，成本较高；本发明采用紫外固化树脂进行封装，在电池组装完成之后置于光下即可完成封装，操作简便，并有效降低电池生产成本；
光阳极与对电极直接组装时易发生短路问题，导致电池失效。本发明在其中加入无纺布作为隔膜，可防止正负极直接接触发生短路，同时起到吸驻电解液的作用，成本低廉。
本发明以紫甘蓝为染料制备的DSSC，光强度为68.7mW/cm2时开路电压在0.4V上下，开路电流为0.180mA·cm-2，最大功率约为51μW·cm-2。
附图说明
图1是本发明实施例提供的天然染料敏化太阳能电池的制作方法流程图；
图2是本发明实施例提供的染料敏化太阳能电池装置示意图；
图3是本发明实施例提供的染料敏化太阳能电池装置侧视图；
图中1、底座；2、支撑架；3、储能模块；4、外壳；5、染料敏化太阳能电池组；6、FTO导电玻璃；7、发光LED灯；8、电池支撑架；9、连接端口；10、步进电机；11、蜂鸣器。
图4是本发明实施例提供的升压转换BQ25504芯片电路原理图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
下面结合附图及具体实施例对本发明的应用原理作进一步描述。
如图1所示：一种天然染料敏化太阳能电池的制作方法，
S101：染料制备：将紫甘蓝在研钵中充分研磨后转移到烧杯中，加入25％乙醇溶液至浸没，用保鲜膜封口，放入55℃水浴锅中加热2小时后取出过滤，将滤液避光保存24小时。其余植物采用类似方法，调整乙醇比例，以获得最佳浸出率。
S102：采用研磨法，取10g P25TiO2纳米粉放入研钵，加入1g的乙基纤维素作为造孔剂或粘结剂，边研磨边滴加5g-10g松油醇作为表面乳化剂，用5ml无水乙醇稀释，研磨0.5小时，得到粘稠均匀的浆料，备用。
S103:光阳极制备：电玻璃经超声清洗并干燥后，用涂布刮刀将500微米-2000微米厚度的浆料涂在导电玻璃的导电面上，自然晾干后在马弗炉中450℃逐段升温烧结，制得光阳极，备用，导电玻璃选择ITO导电玻璃或FTO导电玻璃。
S104:配制电解液：称取0.127g I2与0.83gKI固体，加入10ml乙腈作为溶剂，配制含I-/I3 -电对的电解液，备用。
S105：对电极采用镀有石墨的导电玻璃。
S106：电池组装：将光阳极在染料中浸泡24h后取出，染好色的电极取出后用无水乙醇冲洗并吹干。以无纺布作为隔膜，防止电极直接接触导致短路；滴加电解液至无纺布恰好完全浸润。在有效TiO2薄膜周围涂上紫外固化树脂，制备的对电极从一侧盖上，防止气泡产生，两电极应保持错位，留出正负极端口。确认电池组装无误后，置于紫外光或太阳光下使使紫外固化树脂固化，达到封装目的，延缓电解液的挥发。
所述的有效TiO2薄膜不完全覆盖导电玻璃，四周空余一部分，导电玻璃用于封装后导电。
如图2和图3所示：一种天然染料敏化太阳能电池装置，该天然染料敏化太阳能电池装置包括底座1、支撑架2、储能模块3、外壳4、染料敏化太阳能电池组5、FTO导电玻璃6、发光LED灯7、电池支撑架8、连接端口9、步进电机10、蜂鸣器11；
所述支撑架固定在外壳下端，底座通过螺栓固定在外壳内下部，储能模块固定在底座上部，发光LED灯、步进电机、蜂鸣器均安装在外壳外部，染料敏化太阳能电池组通过电池支撑架固定在FTO导电玻璃上，FTO导电玻璃安装在外壳内部，所述染料敏化太阳能电池组通过导线电连接储能模块，所述发光LED灯、连接端口、步进电机、蜂鸣器均通过导线电连接储能模块。
所述染料敏化太阳能电池组5包括多块单个染料敏化太阳能电池，所述单个染料敏化太阳能电池包括TiO2光阳极、电解液层、隔膜、对电极；所述TiO2光阳极、对电极分别位于隔膜上、下端面，所述对电极与TiO2光阳极相互错位，电解液层附着在隔膜上。所述TiO2光阳极包括导电玻璃和二氧化钛薄膜，二氧化钛薄膜附着在导电玻璃上。
下面结合电池检测对本发明进一步说明。
电池检测：
1.使用紫外分光光度计测试染料的吸收峰，确定吸收光波段
2.用太阳模拟器(氙灯，AM 1.5，100mW/cm2)和电化学工作站测试开路电压、线性伏安特性曲线以及光响应曲线；
下面结合应用于教学装置制作对本发明进一步说明。
该染料敏化太阳能电池演示装置，由6块电池串并联组成，在光照射下可带动发光二极管。当超级电容充满电时可持续发光一小时.
底座1和外壳4均使用透明塑料板作为外壳，
染料敏化太阳能电池5采用6块电池串并联组成，电池采用紫外光固树脂进行封装。
储能模块3采用超级电容。装置设置双开关，当有光照时，断开超级电容所在支路，太阳能电池输出的电流经BQ25504芯片升压转换后带动二极管发光，也可断开二极管对超级电容充电，储存能量；当无光照时，即可用超级电容进行供电。当超级电容充满电时可持续发光一小时。
电路原理图如图4升压转换BQ25504芯片电路原理所示。
FTO导电玻璃6采用的FTO导电玻璃尺寸为25mmx20mm，表面电阻为15欧姆。利用可拆卸螺钉固定染料电池。
发光LED灯7、步进电机10、蜂鸣器11均通过不同的端口连线验证染料敏化太阳能电池是否能使该器件工作。
该演示装置均采用透明玻璃板或塑料板组装，方便学生直观学习，采用可拆卸螺丝，拼装简易。
本发明通过改进染料敏化太阳能电池的制作工艺，从紫甘蓝等植物中提取花青素，大大降低了制作成本。单块电池开路电压最高可达0.5V，输出电压十分稳定，光响应性良好，在灯光下也可产电。该电池简单的制作工艺非常适合于学生进行课堂实验，由此构建的一套染料敏化太阳能电池教学模型，可使学生对染料敏化太阳能电池的工作理解的更深刻。
下面结合对比分析对本发明机一部说明。
1)本发明主要针对目前染料敏化太阳电池的染料分子、制作工艺、以及结构设计等几个方面，选取价格低廉、容易获得的天然染料分子为敏化剂，发展一种紫外固化树脂封装工艺，利用无纺布做隔膜，大大降低了染料敏化太阳能电池的成本，并提高了其产电效率，进而拓展了染料敏化的应用性。
目前已经研究出上千种染料，以有机染料为主，其中钌的联吡啶配位化合物光电性能最好，但是合成困难，成本高。本发明天然染料与其相比具有分布广泛、种类繁多、制备工艺简单、可随时取、能完全生物降解、无污染、不含重金属和无化学合成等优点。例如，花青素可从山竹皮等生物垃圾以及廉价的紫甘蓝等植物中提取。花青素是一种多酚化合物，分子上的羟基能够与二氧化钛薄膜表面的钛相络合，提高了染料的吸附率，有利于提高染料敏化太阳能电池的光电转化率。
2)绝大多数染料敏化太阳能电池采用沙林膜以及环氧树脂作为封装膜密封电池，成本较高；本发明采用紫外固化树脂进行封装，在电池组装完成之后置于光下即可完成封装，操作简便，并有效降低电池生产成本。
3)光阳极与对电极直接组装时易发生短路问题，导致电池失效。本发明在其中加入无纺布作为隔膜，可防止正负极直接接触发生短路，同时起到吸驻电解液的作用，成本低廉。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种天然染料敏化太阳能电池装置的制作方法，其特征在于，该天然染料敏化太阳能装置的制作方法包括：
染料制备：将紫甘蓝在研钵中充分研磨后转移到烧杯中，加入25％乙醇溶液至浸没，用保鲜膜封口，放入55℃水浴锅中加热2小时后取出过滤，将滤液避光保存24小时，备用；
浆料制备：采用研磨法，取10g P25 TiO2纳米粉放入研钵，加入1g的乙基纤维素作为造孔剂或粘结剂，边研磨边滴加5g-10g松油醇作为表面乳化剂，用5ml无水乙醇稀释，研磨0.5小时，得到粘稠均匀的浆料，备用；
光阳极制备：导电玻璃经超声清洗并干燥后，用涂布刮刀将500微米-2000微米厚度的浆料涂在导电玻璃的导电面上，自然晾干后在马弗炉中450℃逐段升温烧结，制得光阳极，备用，导电玻璃选择ITO导电玻璃或FTO导电玻璃；
配制电解液：称取0.127g I2与0.83gKI固体，加入10ml乙腈作为溶剂，配制含I-/I3 -电对的电解液，备用；
采用镀有石墨的导电玻璃制备对电极，备用；
电池组装：将制备的光阳极在制备的染料中浸泡24h后取出，染好色的光阳极取出后用无水乙醇冲洗并吹干；再铺上无纺布作为隔膜，滴加制备的电解液至无纺布完全浸润，在有效TiO2薄膜周围涂上紫外固化树脂，制备的对电极从一侧盖上，对电极与光阳极保持错位，留出正负极端口；置于紫外光或太阳光下使紫外固化树脂固化，进行染料敏化太阳能电池的封装。
2.一种如权利要求1所述制作方法制作的天然染料敏化太阳能电池装置，其特征在于，该天然染料敏化太阳能电池装置包括底座、支撑架、储能模块、外壳、染料敏化太阳能电池组、FTO导电玻璃、发光LED灯、电池支撑架、连接端口、步进电机、蜂鸣器；
所述支撑架固定在外壳下端，底座通过螺栓固定在外壳内下部，储能模块固定在底座上部，发光LED灯、步进电机、蜂鸣器均安装在外壳外部，染料敏化太阳能电池组通过电池支撑架固定在FTO导电玻璃上，FTO导电玻璃安装在外壳内部，所述染料敏化太阳能电池组通过导线电连接储能模块，所述发光LED灯、连接端口、步进电机、蜂鸣器均通过导线电连接储能模块。
3.如权利要求2所述的天然染料敏化太阳能电池装置，其特征在于，所述染料敏化太阳能电池组包括多块单个染料敏化太阳能电池；所述单个染料敏化太阳能电池包括TiO2光阳极、电解液层、隔膜、对电极；所述TiO2光阳极、对电极分别位于隔膜上、下端面，所述对电极与TiO2光阳极相互错位，电解液层附着在隔膜上；所述TiO2光阳极包括导电玻璃和二氧化钛薄膜，二氧化钛薄膜附着在导电玻璃上。
4.如权利要求3所述的天然染料敏化太阳能电池装置，其特征在于，每个单个染料敏化太阳能电池外部均封装有紫外光固化树脂。
5.如权利要求3所述的天然染料敏化太阳能电池装置，其特征在于，每个单个染料敏化太阳能电池与另一个单个染料敏化太阳能电池串并联连接。
6.如权利要求2所述的天然染料敏化太阳能电池装置，其特征在于，所述储能模块采用超级电容，超级电容输入端与每个单个染料敏化太阳能电池电连接，所述超级电容设置有双开关，升压转换芯片，所述双开关通过导线电连接升压转换芯片。
7.如权利要求2所述的天然染料敏化太阳能电池装置，其特征在于，所述底座和外壳均使用透明塑料板材料，所述对电极采用镀有石墨的导电玻璃。
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