CN107799315B - 一种柔性纤维染料敏化太阳能电池及其制备方法 - Google Patents
一种柔性纤维染料敏化太阳能电池及其制备方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN107799315B CN107799315B CN201711033757.0A CN201711033757A CN107799315B CN 107799315 B CN107799315 B CN 107799315B CN 201711033757 A CN201711033757 A CN 201711033757A CN 107799315 B CN107799315 B CN 107799315B
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- electrode
- flexible fiber
- tio
- dye
- solar cells
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
Classifications
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
- Y02E10/50—Photovoltaic [PV] energy
- Y02E10/542—Dye sensitized solar cells
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Power Engineering (AREA)
- Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
- Hybrid Cells (AREA)
Abstract
一种柔性纤维染料敏化太阳能电池制备方法，包括如下步骤：（1）以铝丝为工作电极、Pt片为对电极和Ag/AgCl为参比电极在氯铂酸乙醇溶液中电聚合制备Pt对电极，电聚合结束后，将制得的Pt对电极清洗、烘干；（2）烘干后的Pt对电极滴加氯铂酸醇溶液，在450℃热裂解即得柔性纤维Pt对电极；（3）将染料敏化的柔性纤维TiO2光阳极和柔性纤维Pt对电极相互缠绕组装在透明硅胶管内，然后通过预留的孔隙注入电解质，进行封装，即得。本申请用多步烧结法在钛丝基底制备柔性纤维TiO2光阳极，两步电化学‑热裂解法在铝丝基底制备铂对电极，纤维TiO2光阳极和Pt对电极相互缠绕组装成柔性纤维染料敏化太阳能电池（FFDSSC）。
Description
技术领域
本发明属于太阳能电池技术领域，具体涉及一种柔性纤维染料敏化太阳能电池及其制备方法。
背景技术
在煤、石油、天然气等不可再生能源日益减少的情势下，太阳能由于资源丰富，对环境无污染，日益成为能源开发的重点。太阳能电池作为能源的一种新形式，应用领域广泛。染料敏化太阳能电池由于其使用寿命长、生产工艺简单、生产成本低、无毒无污染等特性，占据了太阳能电池的市场。
由于全球变暖和能源危机，寻求对环境无污染、绿色环保的新能源是人类文明可持续发展的重大挑战。在可持续发展基础上，利用自然力发电缓解不断扩大的能源需求是一个优越的解决方案。随着科技的不断进步，发展质轻、便携、可持续和稳定的动力源仍然是很高的要求和挑战。太阳辐射和机械运动是清洁和可再生的能源。织物材料是人类最常见的，而且以纤维为基础的纺织品中能够有效适应人体运动引起的复杂变形。智能纺织品利用吸收的太阳辐射和机械运动产生电功率可能是迈向下一代可穿戴电子产品的重要一步。
发明内容
本发明的目的在于提供一种柔性纤维染料敏化太阳能电池及其制备方法。
基于上述目的，本发明采取如下技术方案：
一种柔性纤维染料敏化太阳能电池制备方法，包括如下步骤：
（1）以铝丝为工作电极、Pt片为对电极和Ag/AgCl为参比电极在氯铂酸乙醇溶液中电聚合制备Pt对电极，电聚合结束后，将制得的Pt对电极清洗、烘干；
（2）将烘干后的Pt对电极滴加氯铂酸醇溶液，在450℃热裂解即得柔性纤维Pt对电极；
（3）将染料敏化的柔性纤维TiO2光阳极和柔性纤维Pt对电极相互缠绕组装在透明硅胶管内，然后通过预留的孔隙注入电解质，进行封装，即得。
优选地，所述步骤（1）中氯铂酸乙醇溶液的浓度为0.01M。
优选地，所述步骤（1）中清洗、烘干是指将制得的Pt对电极依次用去离子水、丙酮和无水乙醇清洗，清洗结束后在100℃烘干。
优选地，所述步骤（2）中氯铂酸醇溶液是指异丙醇和正丁醇体积比为1:1的1.0wt%氯铂酸醇溶液，滴加量每次为3-4滴，过程重复两次。
优选地，所述步骤（3）中电解质为含下述浓度物质的乙腈溶液：0.60 M四正丁基碘化铵、0.10 M碘化锂、0.05 M碘单质和0.50 M 4-特丁基吡啶（即4-叔丁基吡啶）。
优选地，所述步骤（3）中染料敏化的柔性纤维TiO2光阳极的制备过程如下：（a）将清洗干净的钛丝置于四氯化钛水溶液并在70℃保持1小时，取出，然后用去离子水清洗后吹干，上述过程重复4~5遍进行后下一步；
（b）将步骤（a）得到的钛丝在马弗炉中450℃烧结30分钟后自然降温至室温；
（c）然后将粒径为20nm的TiO2浆料涂布在步骤（b）得到的钛丝上，室温下晾干，在马弗炉中450℃烧结30min，此过程重复3~4遍后进行下一步；
（d）将步骤（c）得到的TiO2电极浸入四氯化钛水溶液并在70℃保持1小时，取出后自然晾干，再450℃烧结30分钟后自然降温至室温，此过程重复2~3遍后进行下一步；
（e）将步骤（d）得到的TiO2电极浸泡在染料N719中11~13小时后取出，即得染料敏化的柔性纤维TiO2电极。
优选地，所述步骤（a）和步骤（d）中四氯化钛水溶液分别为0.03M、0.05M。
上述制备方法制得的柔性纤维染料敏化太阳能电池。
本申请用多步烧结法在钛丝基底制备一种表面光滑的、柔性的、可编织的染料敏化的柔性纤维TiO2光阳极，两步电化学-热裂解法在铝丝基底制备铂对电极，制备的纤维TiO2光阳极和Pt对电极相互缠绕组装成柔性纤维染料敏化太阳能电池（FFDSSC）。在100mW·cm−2模拟太阳光辐照下，FFDSSC的光电转换效率达到6.33%。
附图说明
图1是染料敏化的柔性纤维TiO2光阳极（a和b）和Pt2对电极（c和d）不同分辨率下的SEM图，柔性纤维TiO2光阳极未敏化（e）、敏化后（f）和Pt2对电极（g）的EDS图；
图2是Pt1对电极（a）和Pt2对电极（b）的循环伏安图；
图3是Pt1对电极（a）和Pt2对电极（b）的能斯特图谱；
图4是基于Pt1、Pt2对电极和各种光阳极组装的柔性纤维DSSCs的J-V曲线（a）、转换效率与电压的关系图（b）。
具体实施方式
以下结合具体实施例对本发明的技术方案作进一步详细说明，但本发明的保护范围并不局限于此。
实验仪器及药品
六水氯化镍、六水氯化钴、氯铂酸、硫脲、无水乙醇、四氯化钛、钛酸四正丁酯（分析纯，中国医药集团上海化学试剂公司），铝丝和钛丝（直径=0.2mm，纯度99.999%，购买于盛世达金属材料）、TiO2纳米浆体（20nm，武汉晶格太阳能科技有限公司），二氧化钛（P25，德国）；N719染料（购买于Solaronix SA公司，瑞士），可控温磁力搅拌器（C–MAG HS4，德国IKA）；100W氙灯（XQ–100 W，上海电光器件有限公司）；扫描电子显微镜（SEM）7006F（日本日立公司）；电化学分析仪/工作站CHI660E（上海辰华仪器有限公司）。
实施例1
1.染料敏化的柔性纤维TiO2光阳极的制备
将一段15cm长的铝丝和15cm长的钛丝用砂纸打磨数遍，分别用洗涤剂、去离子水、丙酮、无水乙醇清洗表面污渍，保存于异丙醇中，备用。
分别配置0.03M和0.05M的四氯化钛水溶液，冰箱保存待用。
（1）将清洗干净的钛丝置于0.03M的四氯化钛水溶液，然后放入烘箱中70℃加热1小时，取出用去离子水清洗数遍后吹干，此过程重复5遍后进行下一步；
（2）将步骤（1）得到的钛丝在马弗炉中450℃烧结30分钟后自然降温至室温；
（3）然后用刷子将粒径为20nm的TiO2浆体涂布在步骤（2）处理后的钛丝上，室温下晾干，再在马弗炉中450℃烧结30min，此过程重复3次后进行下一步。
（4）将步骤（3）得到的TiO2电极浸入0.05M的四氯化钛水溶液，放入烘箱中70℃加热1小时后取出自然晾干，再450℃烧结30分钟后自然降温至室温，此过程重复2遍后进行下一步。
（5）将步骤（4）得到的TiO2电极浸泡在染料N719 中12小时，即得染料敏化的柔性纤维TiO2电极，SEM图见图1中a和b，图1是e和f是纤维TiO2光阳极敏化前（即经过步骤（1）至（4）得到的TiO2光阳极）、敏化后（即经过步骤（1）至（5）得到的TiO2光阳极）的EDS图。从图中可以看出，纤维TiO2光阳极是一根表面光滑、分布均匀的多孔TiO2纤维，因此，第一次TiCl4修饰相当于致密层的TiO2层，第二次TiCl4修饰相当于填充TiO2孔隙，防止电解质和Ti纤维的电子复合。图e和图f表示敏化前后的EDS图，从图中元素分布看出，染料已经成功敏化在TiO2光阳极上。其中图e和图f的Pt是样品处理时喷的Pt。
柔性纤维对电极制备和电池组装
两步法制备柔性纤维Pt对电极。采用电化学工作站（CHI660E，中国上海辰华仪器有限公司）的三电极体系：长度15cm、直径0.2mm的洁净铝丝为工作电极、Pt片（1.5*1 cm2）为对电极和Ag/AgCl参比电极。第一步，将洁净的铝丝浸泡在0.01M的氯铂酸乙醇溶液中电聚合480s，制备的Pt对电极记作Pt1对电极，将Pt1对电极依次用去离子水、丙酮和无水乙醇清洗，在烘箱中100℃烘干。干燥后的Pt1对电极通过滴加异丙醇和正丁醇体积比为1:1的1wt%氯铂酸醇溶液，滴加量每次为3-4滴，过程重复两次。在450℃条件下进行快速热裂解30min即得所需柔性纤维Pt对电极，记作Pt2对电极。
Pt2对电极在不同分辨率下的SEM图见图1中c和d，从图c和d可以看出， Pt2对电极是一根表面分布均匀、颗粒大小不一的Pt对电极，这是因为热分解氯铂酸温度大小不同使Pt纳米粒子生成速度的不同引起的，正是这种表面凸起的形貌，可以吸附更多的电解质，提供与纤维TiO2光阳极更大的接触面积，有利于提高纤维电池的光电流和开路电压，从而提高纤维电池的光电转换效率。图1 g可以证明Pt已经成功制备在Al纤维上。图1g中的Al来自于Al纤维。
将染料敏化的柔性纤维TiO2光阳极和柔性纤维Pt对电极相互缠绕组装在外径1mm、内径为0.5mm的透明硅胶管内然后通过预留的孔隙注入电解质，进行封装。电解质为含0.60 M四正丁基碘化铵、0.10 M碘化锂、0.05 M碘单质和0.50 M 4-特丁基吡啶的乙腈溶液。
图2为Pt1和Pt2对电极在I–/I3 –体系中，分别以Pt1和Pt2对电极为工作电极，Pt丝为对电极，Ag/Ag+为参比电极，扫描速度为50 mV·s–1测试的循环伏安曲线。从图2的导电催化性能看，经过2次热分解氯铂酸制备的Pt2复合对电极导电性比只有一次电沉积氯铂酸制备出来的Pt1纤维对电极提高将近50%，催化性也有提高。这表明经过2次热分解氯铂酸制备的Pt2复合对电极可以提高纤维电池的催化导电性能。
表1 两个相同对电极组成的对称电池的电化学阻抗谱参数。
电化学阻抗（EIS）是用来研究电荷传输过程的有效和广泛的工具。图3是Pt1和Pt2对电极的能斯特图谱。相关的EIS参数归纳在表1中，其中R ct 表示I−/I3 − 氧化还原反应在电解质-对电极界面的电荷传输电阻，R s 是对电极的串联电阻，Z w 代表I−/I3 −氧化还原电对类的能斯特扩散阻抗。一般来说， R ct 越小，代表从对电极到电解质满足电子传输的超电势越小，电导率和催化活性越好。从图3和表1来看，Pt1和Pt2对电极的R s 值是3.96和3.57 Ω·cm2，R ct 值分别是3.99和3.11 Ω·cm2，这表明经过两步法制备的Pt2对电极在导电和催化方面都有明显提高。Pt1和Pt2两种对电极具有相似的Z w 值，分别是1.09和1.05 Ω·cm2，表明它们都具有较小的扩散电阻。
FFDSSC的光电性能参数如短路电流(J sc)、开路电压(V oc)、填充因子(FF)和光电转换效率(η)，其中V oc是开路电压，即电流为0时的电压读数，表示为在X轴上的截距；J sc 是短路电流，即电压为0时的电流读数，表示为在Y轴上的截距。FF和η是通过短路电流和开路电压计算出来的，公式是：
。
表2不同对电极制备的DSSC的光伏性能参数
图4 和表2比较的是在一个标准模拟太阳光强度（100 mW·cm−2，AM1.5G）下测试的、基于不同对电极和光阳极的柔性纤维DSSCs的J-V曲线（a）和转换效率与电压的关系图（b），其光电性能参数列于表2。图4中曲线a和b表示的是基于Pt1和Pt2对电极与未经过TiCl4修饰的TiO2光阳极（普通市售）组装的柔性纤维DSSCs，在此记作DSSC-1和DSSC-2，曲线c和d表示的是基于Pt1和Pt2对电极与经过TiCl4修饰的TiO2光阳极（即本发明实施例1制得的染料敏化的柔性纤维TiO2电极）组装的柔性纤维DSSCs，在此记作DSSC-3和DSSC-4。从图4和表2中DSSC-2的J-V曲线可以看出，经过热裂解修饰的纤维Pt2对电极，在开路电压、填充因子和短路电流都有一个极大的提高，唯一遗憾的是其曲线的平滑度还没有得到改善，其原因可能是因为没有经过TiCl4修饰的TiO2光阳极孔隙较大，导致部分激发态染料分子注入的光生电子的速率减弱，与Ti丝电子复合速率增大，使得其短路电流难以提高。经过TiCl4修饰的TiO2光阳极，费米能级变大，激发态染料分子注入的光生电子的速率增强。DSSC-3和DSSC-4的J-V曲线光滑度都得以改善，除了上述经过TiCl4修饰的TiO2光阳极使得光阳极费米能级变大，染料的光生电子注入速率增强以外，一个更重要的原因是对电极的二次修饰，使得对电极表面负载液体电解质量增大，同时减小了电池的内部电阻和内部暗电流，导致短路电流极大提到。所以，通过热裂解方法在电沉积的Pt丝对电极上修饰一层新的Pt纳米层和两次TiCl4修饰的TiO2光阳极有利于提高电池的短路电流和开路电压，从而提高电池的光电转换效率。
Claims (8)
1.一种柔性纤维染料敏化太阳能电池制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
（1）以铝丝为工作电极、Pt片为对电极和Ag/AgCl为参比电极在氯铂酸乙醇溶液中电聚合制备Pt对电极，电聚合结束后，将制得的Pt对电极清洗、烘干；
（2）烘干后的Pt对电极滴加氯铂酸醇溶液，热裂解即得柔性纤维Pt对电极；
（3）将染料敏化的柔性纤维TiO2光阳极和柔性纤维Pt对电极相互缠绕组装在透明硅胶管内，然后通过预留的孔隙注入电解质，进行封装，即得；
所述步骤（3）中染料敏化的柔性纤维TiO2光阳极的制备过程如下：（a）将清洗干净的钛丝置于四氯化钛水溶液并在70℃保持1小时，取出，然后用去离子水清洗后吹干，上述过程重复4~5遍后进行下一步；
（b）将步骤（a）得到的钛丝在马弗炉中450℃烧结30分钟后自然降温至室温；
（c）然后将粒径为20nm的TiO2浆料涂布在步骤（b）得到的钛丝上，室温下晾干，在马弗炉中450℃烧结30min，此过程重复3~4遍后进行下一步；
（d）将步骤（c）得到的TiO2电极浸入四氯化钛水溶液并在70℃保持1小时，取出后自然晾干，再450℃烧结30分钟后自然降温至室温，此过程重复2~3遍后进行下一步；
（e）将步骤（d）得到的TiO2电极浸泡在染料N719中11~13小时后取出，即得染料敏化的柔性纤维TiO2电极。
2.根据权利要求1所述柔性纤维染料敏化太阳能电池制备方法，其特征在于，所述步骤（1）中氯铂酸乙醇溶液的浓度为0.01M。
3.根据权利要求1所述柔性纤维染料敏化太阳能电池制备方法，其特征在于，所述步骤（1）中清洗、烘干是指将制得的Pt对电极依次用去离子水、丙酮和无水乙醇清洗，清洗结束后在100℃烘干。
4.根据权利要求1所述柔性纤维染料敏化太阳能电池制备方法，其特征在于，所述步骤（2）中氯铂酸醇溶液是指异丙醇和正丁醇体积比为1:1的1.0wt%氯铂酸醇溶液，滴加量每次为3-4滴，此过程重复两次。
5.根据权利要求1所述柔性纤维染料敏化太阳能电池制备方法，其特征在于，所述步骤（2）中的热裂解是指在450℃保温30min。
6.根据权利要求1所述柔性纤维染料敏化太阳能电池制备方法，其特征在于，所述步骤（3）中电解质为含下述浓度物质的乙腈溶液：0.60 M四正丁基碘化铵、0.10 M碘化锂、0.05M碘单质和0.50 M 4-特丁基吡啶。
7.根据权利要求1所述柔性纤维染料敏化太阳能电池制备方法，其特征在于，所述步骤（a）和步骤（d）中四氯化钛水溶液分别为0.03M、0.05M。
8.利用权利要求1至7任一所述的制备方法制得的柔性纤维染料敏化太阳能电池。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201711033757.0A CN107799315B (zh) | 2017-10-30 | 2017-10-30 | 一种柔性纤维染料敏化太阳能电池及其制备方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201711033757.0A CN107799315B (zh) | 2017-10-30 | 2017-10-30 | 一种柔性纤维染料敏化太阳能电池及其制备方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN107799315A CN107799315A (zh) | 2018-03-13 |
| CN107799315B true CN107799315B (zh) | 2019-02-26 |
Family
ID=61548266
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN201711033757.0A Active CN107799315B (zh) | 2017-10-30 | 2017-10-30 | 一种柔性纤维染料敏化太阳能电池及其制备方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN107799315B (zh) |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN114835209B (zh) * | 2022-04-26 | 2024-04-09 | 北京交通大学 | 基于钛纤维电极的电化学膜接触臭氧催化装置和水处理方法 |
Family Cites Families (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN101510471A (zh) * | 2009-03-03 | 2009-08-19 | 彩虹集团公司 | 一种基于碳纳米管和铂的染料敏化太阳能电池对电极的制备方法 |
| CN101777428B (zh) * | 2010-03-15 | 2012-05-23 | 彩虹集团公司 | 染料敏化太阳能电池对电极的制备方法 |
| CN102347147A (zh) * | 2010-07-30 | 2012-02-08 | 北京大学 | 一种染料敏化太阳能电池 |
| CN104157456B (zh) * | 2014-07-23 | 2017-02-08 | 河南大学 | 一种用于柔性染料敏化太阳能电池的高催化活性硫化物杂化对电极及其制备方法 |
-
2017
- 2017-10-30 CN CN201711033757.0A patent/CN107799315B/zh active Active
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN107799315A (zh) | 2018-03-13 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Wu et al. | A dye-sensitized solar cell based on platinum nanotube counter electrode with efficiency of 9.05% | |
| CN104752062B (zh) | 染料敏化太阳能电池对电极及其制备方法 | |
| CN102522216B (zh) | 一种高性能线状染料敏化太阳能电池的制备方法 | |
| CN106952731A (zh) | 一种染料敏化太阳能电池NiS2/CoS2对电极的制备方法 | |
| Li et al. | Efficient organic dye sensitized solar cells based on modified sulfide/polysulfide electrolyte | |
| Lin et al. | Characterization of polyaniline counter electrodes for dye-sensitized solar cells | |
| Ansari et al. | Directly grown of NiCo2S4 nanoparticles on a conducting substrate towards the high-performance counter electrode in dye-sensitized solar cell: A combined theoretical and experimental study | |
| CN103390507A (zh) | 一种石墨烯/铂纳米粒子复合纤维电极材料及其制备方法 | |
| CN108493297B (zh) | 一种三维中空硒硫化镍纳米框催化剂的制备方法 | |
| Sedghi | Effect of multi walled carbon nanotubes as counter electrode on dye sensitized solar cells | |
| CN104157456B (zh) | 一种用于柔性染料敏化太阳能电池的高催化活性硫化物杂化对电极及其制备方法 | |
| CN110265223A (zh) | 一种钼铟硫三元对电极及利用其制备染料敏化太阳能电池的方法 | |
| Cheng et al. | Dye-sensitized solar cells based on hydroquinone/benzoquinone as bio-inspired redox couple with different counter electrodes | |
| CN108198691B (zh) | 氮化碳衍生物与还原氧化石墨烯复合物的制备方法及染料敏化太阳能电池 | |
| CN107799315B (zh) | 一种柔性纤维染料敏化太阳能电池及其制备方法 | |
| CN104362197B (zh) | 一种立体采光式全固态太阳能电池及其制备方法 | |
| CN108987117A (zh) | CoSe2电催化材料的制备方法及其在双面准固态染料敏化太阳能电池中的应用 | |
| CN105977035A (zh) | 一种新型电极结构的染料敏化太阳电池 | |
| CN105887130B (zh) | 一种电连接剂制备光催化分解水颗粒膜电极的方法 | |
| CN100541822C (zh) | 一种纳米晶薄膜的染料敏化太阳能电池及其制备方法 | |
| CN105280389B (zh) | 染料敏化太阳能电池的制备方法 | |
| CN104701017B (zh) | 一种二氧化钛薄膜光电极及其制备方法和应用 | |
| Sajjad et al. | Comparative photovoltaic and impedance spectroscopic study on carbon counter electrode based CdS quantum dot sensitized solar cell using polysulfide and iodide/triiodide as redox liquid electrolytes | |
| CN115064388A (zh) | 基于复合结构光阳极的染敏太阳能电池及其制法和应用 | |
| CN102254693B (zh) | 染料敏化太阳电池光阳极的制备方法 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |