CN108133828A - 一种高效能染料敏化太阳能电池 - Google Patents

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姚伯龙
王杰
耿思瑶
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Abstract

一种高效能染料敏化太阳能电池。本发明提供了染料敏化太阳能电池阳极和阴极电池组件，具有这些新型组件的染料敏化电池不仅比常规染料敏化电池具有更高的太阳转化率、并且解决了液体电解质常蒸发或泄漏的问题，并采用的塑料基板克服了玻璃基板的脆性和形状限制等缺点。

Description

一种高效能染料敏化太阳能电池
技术领域
本发明涉及一种高效能染料敏化太阳能电池的制备方法，属于太阳能开发技术领域。
背景介绍
由于世界人口的增加和发展中国家对能源需求的不断增长，预计未来三十年全球能源消费量将翻一番。这意味着化石燃料储量的消耗加剧，导致环境污染进一步加剧。由于资源日益减少，预计到2050年，人类将面临与今天的全部消费相当的14兆瓦的巨大电力供应缺口的巨大问题。预计太阳能将成为未来的能源来源。太阳为地球表面提供了约12万太瓦，相当于目前世界能源消耗的6000倍。然而，以低成本获取太阳能并将其转化为电力或化学燃料(例如氢气)并使用大量可用的原材料仍然是巨大的挑战。预计化学将作出关键的贡献，以确定对这个能源问题的环保解决方案。一个非常有前途的领域是通常被称为“有机光伏电池”(OPV)的太阳能转换器，其使用有机成分进行光捕获或电荷载流子传输。自1985年以来，染料敏化的太阳能电池通常被认为是第三代光伏发电技术，因其低成本和环境友好的制造工艺，近年来生产研发规模不断扩大。染料敏化的太阳能电池是唯一使用分子吸收光子并将其转换为电荷而不需要分子间电子激发的光电器件；它也是唯一的一个将光捕获和电荷载流子传输的两个功能分开的太阳能电池，而传统的和所有其他已知的有机光伏器件要同时执行两种操作，这将对半导体的光学和电子性质，如带位置、电荷载流子迁移率和光生电荷的复合时间提出了严格的要求，极大地限制了能够起作用的合适材料的选择作为高效光伏转换器。另一方面，光吸收和载流子传输的分离为吸收材料开辟了大量的选择。分子敏化剂或半导体量子点位于电子(n)和空穴(p)导电材料之间的界面，前者典型地是宽带半导体氧化物，例如TiO2，ZnO或SnO2；而后者是氧化还原电解质或者p型半导体。在光激发下，敏化剂在氧化物的导带中注入电子，并通过在电解质或p型导体中的空穴注入而再生。另外，敏化剂可以附着在p型氧化物上，例如NiO，在这种情况下，还原激发的染料，后者由还原形式通过电子转移再生成电解质中的受体。在这两种情况下，敏化剂的作用是吸收光并产生正电荷和负电荷载体。
发明内容
本发明提供了染料敏化太阳能电池阳极和阴极电池组件，具有这些新型组件的染料敏化电池不仅比常规染料敏化电池具有更高的太阳转化率、并且解决了液体电解质常蒸发或泄漏的问题，并采用的塑料基板克服了玻璃基板的脆性和形状限制等缺点。
本发明的技术方案是：
(1)将碳化钨嵌入介孔碳中，制成染料敏化太阳能电池的阴极；阳极是由TiO2纳米颗粒改性薄膜和染料敏化材料制得。
(2)本专利中介孔碳材料掺杂碳化钨，由于增加了交换电流密度和降低电荷转移电阻，比传统的铂电极效率大大提高，解决了铂稀缺性和耐腐蚀性的缺陷。优选的碳化钨的量2-20％，更优选是5-6％。优选的介孔碳尺寸20-40nm，更优选20-25nm。优选的TiO2纳米颗粒薄膜中TiO2纳米颗粒含量为1-20％，更优选5-10％。染料敏化材料优选N719、Y123和FNE29，最优选是N719。
(3)阴极基板采用实验室自制H-580塑料基板代替传统玻璃基板，更优选的基板采用注塑工艺生产，更优选采用卷对卷(R2R)制程。
(4)采用SnF2掺杂复合半导体材料制成电解质，其中导电材料优选聚吡咯(PPY)，聚苯胺(PANI)和聚3,4-乙烯二氧噻吩(PEDOT)，最优选是聚3,4-乙烯二氧噻吩(PEDOT)，固态电解质解决了液态电解质常蒸发和泄漏的问题，并且以空穴传导的方式提高了传统液态电解质的传输效率。
具体实施方式
下文将详细描述本发明的优选实施方案，应当理解，在本发明的主旨和范围内的各种改变和修改对于本领域技术人员将变得显而易见。
(1)通过卷对卷工艺制得H-580塑料基材之后，通过喷涂法将含有纳米二氧化钛(TiO2)涂覆在基材的顶部，再在500℃下处理1h。然后，将N719染料乙醇溶液(质量比1:2)旋涂在基材上，最后干燥制得电池阴极。
(2)将5份重量的碳化钨掺杂在95份重量的介孔碳中制得改性介孔碳材料，再加入300份重量的异丙醇保持60℃搅拌5h，通过喷涂方式涂覆在H-580基材上，最后干燥制得电池阳极。
(3)选择1份重量的SnF2掺杂在20份重量的聚3,4-乙烯二氧噻吩(PEDOT)中和80份重量的石墨形成复合半导体材料。

Claims (1)

1.一种高效能染料敏化太阳能电池，其特征步骤为：
(1)将碳化钨嵌入介孔碳中，制成染料敏化太阳能电池的阴极；阳极是由TiO2纳米颗粒改性薄膜和染料敏化材料制得；
(2)本专利中介孔碳材料掺杂碳化钨，由于增加了交换电流密度和降低电荷转移电阻，比传统的铂电极效率大大提高，解决了铂稀缺性和耐腐蚀性的缺陷；优选的碳化钨的量2-20％，更优选是5-6％；优选的介孔碳尺寸20-40nm，更优选20-25nm；优选的TiO2纳米颗粒薄膜中TiO2纳米颗粒含量为1-20％，更优选5-10％；染料敏化材料优选N719、Y123和FNE29，最优选是N719；
(3)阴极基板采用实验室自制H-580塑料基板代替传统玻璃基板，更优选的基板采用注塑工艺生产，更优选采用卷对卷(R2R)制程；
(4)采用SnF2掺杂复合半导体材料制成电解质，其中导电材料优选聚吡咯(PPY)，聚苯胺(PANI)和聚3,4-乙烯二氧噻吩(PEDOT)，最优选是聚3,4-乙烯二氧噻吩(PEDOT)，固态电解质解决了液态电解质常蒸发和泄漏的问题，并且以空穴传导的方式提高了传统液态电解质的传输效率。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111755255A (zh) * 2020-07-07 2020-10-09 佛山科学技术学院 一种增强型二氧化钛基薄膜电池

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CN103918051A (zh) * 2011-09-06 2014-07-09 韩国科学技术研究院 用于染料敏化太阳能电池的光电极及其制造方法、利用该光电极的染料敏化太阳能电池

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