CN110364363B - 一种染料敏化太阳能电池的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种染料敏化太阳能电池的制备方法，通过改进光阳极制备方法，使其进行活化和染料敏化，使制得的活化光阳极具有较低的电阻、较高的染料吸附率，使可供反应的活性位点增多，并形成了理想的多孔薄膜网络结构，且膜的厚度可控，在6‑12μm厚度范围内的膜拥有较好的电荷传输性能和较高的染料负载量；改进电解质配方，配置简单高效，具有优秀的电子传输能力，可以进行高效的还原再生；电池组装简单高效。本发明方法通过进行电解质的改进与光阳极制备方法的改进能够有效提高太阳能电池器件的光电转换效率，至少提高了25.5％，并在一定程度上提高了染料的吸附率。

Description

一种染料敏化太阳能电池的制备方法
技术领域
本发明涉及太阳能电池技术领域，具体涉及一种染料敏化太阳能电池的制备方法。
背景技术
典型的染料敏化太阳能电池(DSSC)器件包括光阳极、染料敏化剂、电解质和对电极四个部分组成，四部分功能各不相同，整个电池呈三明治结构。DSSC将光吸收过程与电子收集过程分开，即分别由敏化剂和介孔氧化物半导体基底来完成。电池基底通常是有二氧化钛纳米晶烧结在一起形成介孔氧化物半导体层；敏化剂是染料分子吸附在纳米晶薄膜表面上的单层染料分子。在光照下，敏化在TiO2半导体上的染料分子吸收太阳光，电子从基态跃迁到激发态，处于激发态的电子极不稳定，它以非常快的速率注入到较低能级的半导体导带中，然后电子流经外电路产生电流，并流到对电极；而氧化态染料分子会被电解液中的氧化还原电对还原再生，使其回到基态，氧化态的电解质扩散到对电极然后被电子还原，由此完成了一个光电化学反应的循环。
从目前的研究结果来看，纳米尺寸的TiO2不仅性能优异而且具有较好的稳定性，是目前综合性能最好的光阳极材料，但目前纳米结构的光阳极的发展仍然处于初级阶段；染料敏化剂种类繁多，高性能的染料敏化剂是提高电池性能的关键；贵金属铂有良好的导电性和催化性能，是最常用的对电极；在电解质方面，现阶段电解质分为液态、准固态、全固态，目前最成熟的电解质体系是碘电对液态体系，它扩散速度快，渗透性好，具有较高的光电转换效率，但液态电解质最大的缺点是不够稳定，易泄露、挥发、有腐蚀性，而采用准固态或固态电解质代替液态电解质，也只能在一定程度上提高DSSC的稳定性，但是大部分电池的光电转换效率仍低于含液态电解质的电池。
如何高效制备染料敏化太阳能电池并提高光电转换效率对新能源的研究有很重要的意义，需要综合考虑染料、半导体纳米晶、电解质对电极的能级匹配以及相互作用对电池性能的影响。
发明内容
为了提高含单分子染料的太阳能电池的光电转换效率，而从光阳极的制备工艺和电解质的配方工艺出发，提供一种染料敏化太阳能电池的制备方法，本发明方法可将含单分子卟啉染料YD2-O-C8的太阳能电池的光电转换效率从7.42％提高至9.31％。
本发明通过以下技术方案实现：
一种染料敏化太阳能电池的制备方法，包括如下步骤：
(1)光阳极的制备：所述光阳极按顺序依次包括FTO导电玻璃基底、透明层、散射层，将所述透明层和散射层制成透明层浆料和散射层浆料，将所述透明层浆料和散射层浆料分别通过丝网印刷的方法印刷到干净的FTO导电玻璃基底上，形成一层6-12微米的薄膜，由此制得光阳极；
(2)光阳极的活化：将所述光阳极进行升温程序烧结，然后使用四氯化钛水溶液在70-90℃下浸泡至少30min，取出后洗涤，晾干后在至少480℃下进行煅烧至少30min，制得活化光阳极；
(3)染料的敏化：将染料敏化剂溶于有机溶剂中，超声处理至少10min，然后加入所述活化光阳极进行浸泡2-12h，使染料敏化剂通过化学反应吸附在活化光阳极的表面，浸泡结束洗涤，烘干，制得染料敏化后的活化光阳极，备用；
(4)电解质配置：将离子液体、碘、添加剂、有机溶剂混合，超声处理至少10min，备用；所述有机溶剂为3-甲氧基丙腈、乙腈、戊腈、丙腈、γ-丁内酯中的一种或几种，离子液体为1,2-二甲基-3-丙基咪唑碘盐、1,3-二甲基-3-咪唑碘盐、1-丙基-3-甲基咪唑碘盐、1-烯丙基-3-甲基咪唑碘盐、1-乙基-3-甲基咪唑硫氰酸盐中的一种或几种，添加剂为碘化锂、N-乙基吡啶碘化物、N-甲基苯并咪唑、吡啶、叔丁基吡啶、硫氰酸胍中的一种或几种；
(5)对电极的制备：在干净的FTO导电玻璃基底上打孔，将H2PtCl6-乙醇溶液通过丝网印刷到干净的FTO导电玻璃上，在至少450℃下煅烧制得对电极，备用；
(6)太阳能电池组装：将所述染料敏化后的活化光阳极和对电极进行封装，采用真空回填方式通过对电极的孔在所述染料敏化后的活化光阳极和对电极之间注入电解质，当电解质完全充满后，再进行封装。
进一步地，步骤(1)中所述透明层浆料包括粒径20nm的TiO2、松油醇、乙基纤维素和无水乙醇，在室温下先进行TiO2、松油醇、乙基纤维素的充分混合，然后加入无水乙醇研磨30-60min；所述TiO2、松油醇、乙基纤维素和无水乙醇的质量比为(0.1-0.2):(0.1-0.4):(0.01-0.05):(0.8-4)；
所述散射层浆料包括200nm的TiO2、松油醇、乙基纤维素和无水乙醇，在室温下先进行TiO2、松油醇、乙基纤维素的充分混合，然后加入无水乙醇研磨30-60min；所述TiO2、松油醇、乙基纤维素和无水乙醇的质量比为(0.03-0.07):(0.02-0.08):(0.01-0.05):(0.8-4)。
进一步地，步骤(2)中所述升温程序烧结的过程为在马弗炉中经历80℃30min、150℃ 30min、345℃ 20min、400℃ 10min、480℃ 20min、500℃ 20min的烧结。
进一步地，步骤(2)中所述四氯化钛水溶液的摩尔浓度为0.04-0.06mol/L。
进一步地，步骤(3)中所述染料敏化剂为YD2-O-C8；所述有机溶剂为乙醇、甲苯、四氢呋喃、氯仿中的一种或几种；所述染料敏化剂在有机溶剂中的质量体积比为(10-20)mg:(20-40)mL。
进一步地，步骤(4)中所述离子液体、碘、添加剂和有机溶剂的比例为(1-2)g:(0.03-0.1)g:(0.1-1)g:(6-15)mL。
进一步地，步骤(5)中H2PtCl6在乙醇溶液中的摩尔浓度为0.02mol/L。
进一步地，步骤(6)中的封装是使用沙林膜在90-120℃下加热5-15min进行的。
有益技术效果：本发明通过改进光阳极制备方法，使其进行活化和染料敏化，使制得的活化光阳极具有较低的电阻、较高的染料吸附率，使可供反应的活性位点增多，并形成了理想的多孔薄膜网络结构，且膜的厚度可控，在6-12μm厚度范围内的膜拥有较好的电荷传输性能和较高的染料负载量；改进电解质配方，配置简单高效，具有优秀的电子传输能力，可以进行高效的还原再生；电池组装简单高效。本发明方法通过进行电解质的改进与光阳极制备方法的改进能够有效提高太阳能电池器件的光电转换效率，至少提高了25.5％，并在一定程度上提高了染料的吸附率。
附图说明
图1为本发明实施例1采用YD2-O-C8染料组装后的短路电流密度-开路电压曲线。
具体实施方式
以下结合附图及具体实施例进一步描述本发明，但不限制本发明范围。
实施例1
一种染料敏化太阳能电池的制备方法，包括如下步骤：
(1)光阳极制备：将TiO2(粒径20nm,0.1g)、松油醇(0.15g)、乙基纤维素(0.02g)充分混合，加入一定量的无水乙醇(3mL)室温下充分研磨60min制备透明层浆料；将TiO2(粒径200nm,0.05g)、松油醇(0.05g)、乙基纤维素(0.01g)充分混合，加入一定量的无水乙醇(3mL)室温下充分研磨60min制备散射层浆料；
将FTO导电玻璃基底清洗干净，将FTO在去离子水中超声20min后，使用去离子水和乙醇洗涤两次，烘干；然后通过丝网印刷的方法分别将所述透明层浆料和散射层浆料印刷到FTO上，形成一层厚约8微米的薄膜，由此制得光阳极；
(2)光阳极的活化：将制备好的光电极在马弗炉中进行升温程序烧结80℃30min、150℃ 30min、345℃ 20min、400℃ 10min、480℃ 20min、500℃20min；然后使用新配制的0.04mol/L四氯化钛水溶液在80℃下浸泡30min，取出后用乙醇洗涤，晾干后在马弗炉中480℃烧结30min，制得活化光阳极；
(3)将10mg染料敏化剂YD2-O-C8溶解于15mL四氢呋喃和15mL乙醇中，超声20min，然后加入活化光阳极进行浸泡12h，使YD2-O-C8通过化学反应吸附在活化光阳极的TiO2表面，浸泡结束取出后分别使用乙醇和二氯甲烷洗涤，晾干，制得染料敏化后的活化光阳极，备用；
(4)电解质配置：将1,2-二甲基-3-丙基咪唑碘盐(1.2g)、碘(0.06g)、碘化锂(0.1g)、N-乙基吡啶碘化物(0.05g)、叔丁基吡啶(0.5g)、硫氰酸胍(0.12g)溶解到10mL乙腈中，超声处理30min，备用；
(5)对电极的制备：在FTO导电玻璃基底上使用打孔机打一个直径0.8mm小孔，将0.02mol/L的H2PtCl6-乙醇溶液通过丝网印刷到干净的FTO上，在4×4mm2的FTO上印刷两层，形成一层厚约4微米的薄膜，在450℃下烧结20min，制得对电极，备用；
(6)将染料敏化后的活化光阳极和对电极用60微米的沙林膜在100℃下加热15min，将两者胶合后，采用真空回填方式通过对电极的孔在所述染料敏化后的活化光阳极和对电极之间注入电解质，当电解质完全充满后，在孔上方铺上25微米厚的沙林膜和0.1微米厚的载玻片，用热烘枪进行胶合封装。
实施例2
一种染料敏化太阳能电池的制备方法，包括如下步骤：
(1)光阳极制备：将TiO2(粒径20nm,0.2g)、松油醇(0.3g)、乙基纤维素(0.04g)充分混合，加入一定量的无水乙醇(5mL)室温下充分研磨60min制备透明层浆料；将TiO2(粒径200nm,0.03g)、松油醇(0.02g)、乙基纤维素(0.03g)充分混合，加入一定量的无水乙醇(3mL)室温下充分研磨40min制备散射层浆料；
将FTO导电玻璃基底清洗干净，将FTO在去离子水中超声20min后，使用去离子水和乙醇洗涤两次，烘干；然后通过丝网印刷的方法分别将所述透明层浆料和散射层浆料印刷到FTO上，形成一层厚约10微米的薄膜，由此制得光阳极；
(2)光阳极的活化：将制备好的光电极在马弗炉中进行升温程序烧结80℃30min、150℃ 30min、345℃ 20min、400℃ 10min、480℃ 20min、500℃20min；然后使用新配制的0.04mol/L四氯化钛水溶液在80℃下浸泡30min，取出后用乙醇洗涤，晾干后在马弗炉中480℃烧结30min，制得活化光阳极；
(3)染料的敏化：将15mg染料敏化剂YD2-O-C8溶解于15mL甲苯和10mL氯仿中，超声30min，然后加入活化光阳极进行浸泡6h，使YD2-O-C8通过化学反应吸附在活化光阳极的TiO2表面，浸泡结束取出后分别使用乙醇和二氯甲烷洗涤，晾干，制得染料敏化后的活化光阳极，备用；
(4)电解质配置：将1,3-二甲基-3-咪唑碘盐(1g)、1-烯丙基-3-甲基咪唑碘盐(1g)、碘(0.06g)、碘化锂(0.1g)、N-乙基吡啶碘化物(0.05g)、N-甲基苯并咪唑(0.5g)溶解到10mL 3-甲氧基丙腈中，超声处理30min，备用；
(5)对电极的制备：在FTO导电玻璃基底上使用打孔机打一个直径0.8mm小孔，将0.02mol/L的H2PtCl6-乙醇溶液通过丝网印刷到干净的FTO上，在4×4mm2的FTO上印刷两层，形成一层厚约4微米的薄膜，在450℃下烧结20min，制得对电极，备用；
(6)将染料敏化后的活化光阳极和对电极用60微米的沙林膜在110℃下加热10min，将两者胶合后，采用真空回填方式通过对电极的孔在所述染料敏化后的活化光阳极和对电极之间注入电解质，当电解质完全充满后，在孔上方铺上25微米厚的沙林膜和0.1微米厚的载玻片，用热烘枪进行胶合封装。
实施例3
一种染料敏化太阳能电池的制备方法，包括如下步骤：
(1)光阳极制备：将TiO2(粒径20nm,0.15g)、松油醇(0.4g)、乙基纤维素(0.05g)充分混合，加入一定量的无水乙醇(5mL)室温下充分研磨60min制备透明层浆料；将TiO2(粒径200nm,0.07g)、松油醇(0.08g)、乙基纤维素(0.05g)充分混合，加入一定量的无水乙醇(5mL)室温下充分研磨60min制备散射层浆料；
将FTO导电玻璃基底清洗干净，将FTO在去离子水中超声20min后，使用去离子水和乙醇洗涤两次，烘干；然后通过丝网印刷的方法分别将所述透明层浆料和散射层浆料印刷到FTO上，形成一层厚约12微米的薄膜，由此制得光阳极；
(2)光阳极的活化：将制备好的光电极在马弗炉中进行升温程序烧结80℃30min、150℃ 30min、345℃ 20min、400℃ 10min、480℃ 20min、500℃20min；然后使用新配制的0.04mol/L四氯化钛水溶液在80℃下浸泡30min，取出后用乙醇洗涤，晾干后在马弗炉中480℃烧结30min，制得活化光阳极；
(3)染料的敏化：将20mg染料敏化剂YD2-O-C8溶解于20mL四氢呋喃和20mL乙醇中，超声40min，然后加入活化光阳极进行浸泡12h，使YD2-O-C8通过化学反应吸附在活化光阳极的TiO2表面，浸泡结束取出后分别使用乙醇和二氯甲烷洗涤，晾干，制得染料敏化后的活化光阳极，备用；
(4)电解质配置：将1,2-二甲基-3-丙基咪唑碘盐(1.2g)、1-丙基-3-甲基咪唑碘盐(0.08g)、碘(0.06g)、碘化锂(0.1g)、N-乙基吡啶碘化物(0.05g)、吡啶(0.5g)、硫氰酸胍(0.12g)溶解到10mL 3-甲氧基丙腈和乙腈中(体积比为1:1)中，超声处理30min，备用；
(5)对电极的制备：在FTO导电玻璃基底上使用打孔机打一个直径0.8mm小孔，将0.02mol/L的H2PtCl6-乙醇溶液通过丝网印刷到干净的FTO上，在4×4mm2的FTO上印刷两层，形成一层厚约4微米的薄膜，在450℃下烧结20min，制得对电极，备用；
(6)将染料敏化后的活化光阳极和对电极用60微米的沙林膜在120℃下加热5min，将两者胶合后，采用真空回填方式通过对电极的孔在所述染料敏化后的活化光阳极和对电极之间注入电解质，当电解质完全充满后，在孔上方铺上25微米厚的沙林膜和0.1微米厚的载玻片，用热烘枪进行胶合封装。
对比例1
本对比例与实施例1方法相同，不同点在于使用的电解质为碘基电解液，配方为：0.6mol碘化-1-丁基-3甲基咪唑、30mmol I2、50mmol LiI、0.5mol叔丁基吡啶、0.1mol硫氰酸胍、体积比为85/15的乙腈/戊腈20mL。
对比例2
本对比例与实施例1方法相同，不同点在于步骤(2)的升温程序烧结过程为：80℃15min、135℃ 10min、325℃ 30min、375℃ 5min、450℃ 15min、500℃ 15min。
对上述实施例和对比例制得的太阳能电池测试光伏数据，数据见表1；吸附率为染料敏化剂在活化光阳极的TiO2表面上的吸附率。
表1实施例和对比例制得的太阳能电池测试光伏数据
Figure BDA0002122044690000071
由表1可知，本发明从改进光阳极以及电解质的方法入手，使得本发明方法制得太阳能电池器件的光电转换效率最高可达9.31％，与对比例1和对比例2相比，实施例1进行电解质的改进与光阳极制备方法的改进能够有效提高太阳能电池器件的光电转换效率，至少提高了25.5％，并在一定程度上能提高染料的吸附率。
图1为本发明实施例1采用YD2-O-C8染料组装后的短路电流密度-开路电压曲线。有效面积为0.196cm2，AM1.5G标准模拟太阳光的测试下，可以发现采用YD2-O-C8染料敏化之后，本发明制备的太阳能电池器件其整体性能得到了更进一步的改善，本发明方法通过光阳极制备方法上的改进和电解质的改进有效地提高了短路电流密度，而且改善了开路电压。传统方法采用YD2-O-C8组装的器件短路电流密度数值在15-16mA cm-2、开路电压＜0.7V，而实施例1组装的器件短路电流密度增加到了18.33mA cm-2、开路电压增加到0.744V，转换效率从传统方法的7.42％提高到了实施例1的9.31％。

Claims (7)

1.一种染料敏化太阳能电池的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)光阳极的制备：所述光阳极按顺序依次包括FTO导电玻璃基底、透明层、散射层，所述透明层和散射层分别由透明层浆料和散射层浆料制成，将所述透明层浆料和散射层浆料分别通过丝网印刷的方法印刷到干净的FTO导电玻璃基底上，形成一层6-12微米的薄膜，由此制得光阳极；
(2)光阳极的活化：将所述光阳极进行升温程序烧结，所述升温程序烧结的过程为在马弗炉中经历80℃30min、150℃30min、345℃20min、400℃10min、480℃20min、500℃20min的烧结，然后使用四氯化钛水溶液在70-90℃下浸泡至少30min，取出后洗涤，晾干后在至少480℃下进行煅烧至少30min，制得活化光阳极；
(3)染料的敏化：将染料敏化剂溶于有机溶剂中，超声处理至少10min，然后加入所述活化光阳极进行浸泡2-12h，使染料敏化剂通过化学反应吸附在活化光阳极的表面，浸泡结束洗涤，烘干，制得染料敏化后的活化光阳极，备用；
(4)电解质配置：将离子液体、碘、添加剂、有机溶剂混合，超声处理至少10min，备用；所述有机溶剂为3-甲氧基丙腈、乙腈、戊腈、丙腈、γ-丁内酯中的一种或几种，所述离子液体为1,2-二甲基-3-丙基咪唑碘盐、1,3-二甲基-3-咪唑碘盐、1-丙基-3-甲基咪唑碘盐、1-烯丙基-3-甲基咪唑碘盐、1-乙基-3-甲基咪唑硫氰酸盐中的一种或几种，所述添加剂包括碘化锂、N-甲基苯并咪唑、硫氰酸胍中的一种或几种，所述添加剂还包括N-乙基吡啶碘化物、叔丁基吡啶中的一种或两种；
(5)对电极的制备：在干净的FTO导电玻璃基底上打孔，将H2PtCl6-乙醇溶液通过丝网印刷到干净的FTO导电玻璃上，在至少450℃下煅烧制得对电极，备用；
(6)太阳能电池组装：将所述染料敏化后的活化光阳极和对电极进行封装，采用真空回填方式通过对电极的孔在所述染料敏化后的活化光阳极和对电极之间注入电解质，当电解质完全充满后，再进行封装。
2.根据权利要求1所述的一种染料敏化太阳能电池的制备方法，其特征在于，步骤(1)中所述透明层浆料包括粒径20nm的TiO2、松油醇、乙基纤维素和无水乙醇，在室温下先进行TiO2、松油醇、乙基纤维素的充分混合，然后加入无水乙醇研磨30-60min；所述TiO2、松油醇、乙基纤维素和无水乙醇的质量比为(0.1-0.2):(0.1-0.4):(0.01-0.05):(0.8-4)；
所述散射层浆料包括200nm的TiO2、松油醇、乙基纤维素和无水乙醇，在室温下先进行TiO2、松油醇、乙基纤维素的充分混合，然后加入无水乙醇研磨30-60min；所述TiO2、松油醇、乙基纤维素和无水乙醇的质量比为(0.03-0.07):(0.02-0.08):(0.01-0.05):(0.8-4)。
3.根据权利要求1所述的一种染料敏化太阳能电池的制备方法，其特征在于，步骤(2)中所述四氯化钛水溶液的摩尔浓度为0.04-0.06mol/L。
4.根据权利要求1所述的一种染料敏化太阳能电池的制备方法，其特征在于，步骤(3)中所述染料敏化剂为YD2-O-C8；所述有机溶剂为乙醇、甲苯、四氢呋喃、氯仿中的一种或几种；所述染料敏化剂在有机溶剂中的质量体积比为(10-20)mg:(20-40)mL。
5.根据权利要求1所述的一种染料敏化太阳能电池的制备方法，其特征在于，步骤(4)中所述离子液体、碘、添加剂和有机溶剂的比例为(1-2)g:(0.03-0.1)g:(0.1-1)g:(6-15)mL。
6.根据权利要求1所述的一种染料敏化太阳能电池的制备方法，其特征在于，步骤(5)中H2PtCl6在乙醇溶液中的摩尔浓度为0.02mol/L。
7.根据权利要求1所述的一种染料敏化太阳能电池的制备方法，其特征在于，步骤(6)中的封装是使用沙林膜在90-120℃下加热5-15min进行的。
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