CN110610811A - 一种基于染料敏化的太阳能电池及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于染料敏化的太阳能电池及其制备方法，包括导电衬底和与导电衬底对置设置的对电极，导电衬底沿接近对电极方向依序贴合设有光阳极膜、染料敏化剂和电解质，光阳极膜包括沿接近对电极方向依序设置的致密层、介孔层和光散射层，致密层由脉冲激光沉积法制备而成，染料敏化剂附着于光散射层表面，本方案通过在利用P25 TiO2粉末的情况下，以脉冲激光沉积法代替传统的制备工艺，实现了一种制备程序简单，成本低廉，安全无毒的基于染料敏化的太阳能电池及其制备方法，并且该电池有效的提高了电池的光电转换效率。
Description
技术领域
本发明涉及光伏技术、太阳能电池领域，尤其是一种基于染料敏化的太阳能电池及其制备方法。
背景技术
目前，第三代新型太阳能电池是光伏领域研究的最前沿方向，新型太阳能电池的特点是薄膜化，原材料丰富，无毒且光电转换效率高，染料敏化太阳能电池作为新型有机太阳能电池，凭借其制作工艺简单，原料丰富无毒，光电转换效率高等特点成为研究热点。染料敏化太阳能电池是典型的三明治结构，由光阳极、染料敏化剂，电解质，对电极构成，其中光阳极是一个影响电池的光电转换效率的重要因素，它包含透明导电玻璃和半导体纳米薄膜两部分，透明导电玻璃主要是起透光和电极的作用，所以导电玻璃一定要透光系数高，电阻小；半导体纳米薄膜的主要作用是吸附染料分子，电子传输和电子收集，因此，半导体纳米薄膜要具有较大的比面积，光滑的界面和较低的能带将会大大提高电池的光电性能，目前，优化光阳极性能常用到的手段包括：离子掺杂、表面修饰，纳米复合薄膜以及制备不同的微观结构薄膜。这些优化手段有的需要用到贵金属，有的制备工艺繁琐，有的原材料有毒。这些因素在一定程度上制约了太阳能电池的进一步发展。因此制备工艺简单，原材料丰富，成本低廉，转换效率高效的太阳能制备工艺会更适合商业化发展，也更有利于解决目前资源短缺，环境污染，生态失衡等全球性问题。
发明内容
基于现有技术的情况，本发明的目的在于提供一种在原材料只需利用P25 TiO2粉末的情况下，以脉冲激光沉积法代替传统的制备工艺，实现了一种制备程序简单，成本低廉，安全无毒的基于染料敏化的太阳能电池及其制备方法，并且该电池有效的提高了电池的光电转换效率。
为了实现上述的技术目的，本发明所采用的技术方案为：
一种基于染料敏化的太阳能电池，其包括导电衬底和与导电衬底对置设置的对电极，所述的导电衬底沿接近对电极方向依序贴合设有光阳极膜、染料敏化剂和电解质，所述的光阳极膜包括沿接近对电极方向依序设置的致密层、介孔层和光散射层，所述的致密层由脉冲激光沉积法制备而成，其包括：选用二氧化钛为靶材，以FTO为导电衬底，在室温环境下，以激光能量为320 mJ，激光频率为4 Hz，制备时长为1 h，O2压为3 Pa的条件下，进行制备，完成后取出并放入马弗炉中以450 ℃的温度条件进行烧结处理30min，所述的染料敏化剂附着于光散射层表面，所述的染料敏化剂为N719钌系染料，所述的电解质为OPV-AN-I型电解质，所述的对电极为Pt电极。
进一步，所述导电衬底的厚度为1.6 mm，方阻＜15 ohm/sq，透光率≥83%。
进一步，所述二氧化钛靶材的厚度为3 mm，直径为30 mm，纯度为99.99%，所述致密层的厚度为200 nm。
进一步，所述的介孔层是二氧化钛制备的介孔型薄膜。
优选的，所述的介孔层是由刮涂法制备而成，其包括：在1 g P25二氧化钛粉末中加入由1 g乙基纤维素和15 ml松油醇混合制备的浆料，研磨均匀后，用刮膜器刮涂在所述的致密层上，继而在室温下静置10 min后，再放置于干燥台上以60 ℃的温度进行干燥处理20 min，最后，放入马弗炉中以450 ℃的温度条件进行烧结处理60 min制得。
优选的，所述的介孔层的厚度为10 μm。
进一步，所述的光散射层由溶胶凝胶法制备而成，其包括：将钛酸丁酯作为钛源的溶胶以5000 r/min的转速旋涂在所述的介孔层上，旋涂时间为60 s，然后在室温下静置10min后，再放到干燥台上以60 ℃的条件干燥处理20 min，最后放入马弗炉中以450 ℃的温度进行烧结处理30 min。
优选的，所述光散射层的厚度为1 μm。
一种基于染料敏化的太阳能电池的制备方法，其包括如下步骤：
（1）取导电衬底作为基底材料，然后在其表面上制备致密层，所述的致密层由脉冲激光沉积法制备而成，其包括：选用厚度为3 mm，直径为30 mm，纯度为99.99%的二氧化钛为靶材，以厚度为1.6 mm，方阻＜15 ohm/sq，透光率≥83%的FTO为导电衬底，在室温环境下，以激光能量为320 mJ，激光频率为4 Hz，制备时长为1 h，O2压为3 Pa的条件下，进行制备，完成后取出并放入马弗炉中以450 ℃的温度条件进行烧结处理30min，从而在导电衬底上形成致密层；
（2）在致密层上制备介孔层，所述的介孔层是由刮涂法制备而成，其包括：在1 g P25二氧化钛粉末中加入由1 g乙基纤维素和15 ml松油醇混合制备的浆料，研磨均匀后，用刮膜器刮涂在所述的致密层上，继而在室温下静置10 min后，再放置于干燥台上以60 ℃的温度进行干燥处理20 min，最后，放入马弗炉中以450 ℃的温度条件进行烧结处理60 min制得，从而在致密层上形成介孔层；
（3）在介孔层上制备光散射层，所述的光散射层由溶胶凝胶法制备而成，其包括：将钛酸丁酯作为钛源的溶胶以5000 r/min的转速旋涂在所述的介孔层上，旋涂时间为60 s，然后在室温下静置10 min后，再放到干燥台上以60 ℃的条件干燥处理20 min，最后放入马弗炉中以450 ℃的温度进行烧结处理30 min，从而在介孔层上形成光散射层；所述的致密层、介孔层和光散射层形成光阳极膜；
（4）将光阳极膜裁剪成预设规格后，放入染料敏化剂中以50 ℃的环境温度进行敏化处理24 h，然后取出，用无水乙醇洗去残留在光阳极膜区域之外的染料敏化剂，再滴加OPV-AN-I型电解质，并用Pt作为对电极和夹子将FTO导电衬底和设于FTO导电衬底上的光阳极膜、染料敏化剂、电解质进行组装成型成染料敏化太阳能电池。
一种基于染料敏化的太阳能电池，其由上述所述的制备方法制得。
采用上述的技术方案，本发明与现有技术相比，其具有的有益效果为：本方案通过在利用P25 TiO2粉末的情况下，以脉冲激光沉积法代替传统的制备工艺，实现了一种制备程序简单，成本低廉，安全无毒的基于染料敏化的太阳能电池及其制备方法，并且该电池有效的提高了电池的光电转换效率。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明方案做进一步的阐述：
图1为本发明方案的简要结构层次示意图；
图2为本发明方案的电池进行开放性测试时的I-V曲线。
具体实施方式
如图1所示，本发明太阳能电池，其包括导电衬底1和与导电衬底1对置设置的对电极7，所述的导电衬底1沿接近对电极7方向依序贴合设有光阳极膜、染料敏化剂5和电解质6，所述的光阳极膜包括沿接近对电极7方向依序设置的致密层2、介孔层3和光散射层4，所述的致密层2由脉冲激光沉积法制备而成，其包括：选用二氧化钛为靶材，以FTO为导电衬底1，在室温环境下，以激光能量为320 mJ，激光频率为4 Hz，制备时长为1 h，O2压为3 Pa的条件下，进行制备，完成后取出并放入马弗炉中以450 ℃的温度条件进行烧结处理30min，所述的染料敏化剂附着于光散射层表面，所述的染料敏化剂5为N719钌系染料，所述的电解质6为OPV-AN-I型电解质，所述的对电极为Pt电极7。
其中，致密层2的作用是增强介孔层3和FTO导电衬底1之间连接，可以有效防止介孔层3烧结后在导电衬底1附着松动，脱落得问题。介孔层3主要作用是吸附染料敏化剂5分子，从而捕获光子。光散射层4可以增强太阳光的散射，加强光吸收，提高太阳光利用率。本发明所述染料敏化剂5是N719染料，具有稳定性好，光电转换率高等优点，染料分子主要作用是吸收光子，电子被激发产生光生电子，光生电子然后被注入TiO2导带中。本发明所述的电解质6采用OPV-AN-I电解液，在电池中作为导电介质，同时还可以将处于激发态的染料分子还原到基态，从而使染料分子再生。所述对电极7采用Pt铂电极，和光阳极共同组成电池框架，Pt铂电极具有电阻低，电子传导率高，稳定性好等优点。
进一步，所述导电衬底1的厚度为1.6 mm，方阻＜15 ohm/sq，透光率≥83%。
进一步，所述二氧化钛靶材的厚度为3 mm，直径为30 mm，纯度为99.99%，所述致密层的厚度为200 nm。
进一步，所述的介孔层3是二氧化钛制备的介孔型薄膜；优选的，所述的介孔层3的厚度为10 μm。
进一步，所述的光散射层4由溶胶凝胶法制备而成；优选的，所述光散射层4的厚度为1 μm。
采用上述的技术方案，本发明的工作原理为：
当太阳光照射时，染料分子5吸收光子，自身电子受到激发后由基态跃迁到激发态，,然后迅速注入到TiO2导带中经过介孔层薄膜3传输到达FTO导电衬底1，经过外电路流向Pt对电极7，被激发的染料分子从电解液中的氧化-还原对得到电子还原到基态，完成染料再生，电解质因为还原染料分子被氧化，最后接受从对电极流回来的电子实现自身被还原，整个电路也完成了的光电化学反应的循环过程。
而本发明方案基于染料敏化的太阳能电池的制备方法，其包括如下步骤：
（1）取导电衬底1作为基底材料，然后在其表面上制备致密层2，所述的致密层2由脉冲激光沉积法制备而成，其包括：选用厚度为3 mm，直径为30 mm，纯度为99.99%的二氧化钛为靶材，以厚度为1.6 mm，方阻＜15 ohm/sq，透光率≥83%的FTO为导电衬底，在室温环境下，以激光能量为320 mJ，激光频率为4 Hz，制备时长为1 h，O2压为3 Pa的条件下，进行制备，完成后取出并放入马弗炉中以450 ℃的温度条件进行烧结处理30min，从而在导电衬底上形成致密层2；
（2）在致密层2上制备介孔层3，所述的介孔层3是由刮涂法制备而成，其包括：在1 gP25二氧化钛粉末中加入由1 g乙基纤维素和15 ml松油醇混合制备的浆料，研磨均匀后，用刮膜器刮涂在所述的致密层上，继而在室温下静置10 min后，再放置于干燥台上以60 ℃的温度进行干燥处理20 min，最后，放入马弗炉中以450 ℃的温度条件进行烧结处理60 min制得，从而在致密层上形成介孔层3；
（3）在介孔层3上制备光散射层4，所述的光散射层4由溶胶凝胶法制备而成，其包括：将钛酸丁酯作为钛源的溶胶以5000 r/min的转速旋涂在所述的介孔层上，旋涂时间为60 s，然后在室温下静置10 min后，再放到干燥台上以60 ℃的条件干燥处理20 min，最后放入马弗炉中以450 ℃的温度进行烧结处理30 min，从而在介孔层上形成光散射层；所述的致密层、介孔层和光散射层形成光阳极膜；
（4）将光阳极膜裁剪成预设的0.4 cm x 0.4 cm规格后，放入染料敏化剂中以50 ℃的环境温度进行敏化处理24 h，然后取出，用无水乙醇洗去残留在光阳极膜区域之外的染料敏化剂，再滴加OPV-AN-I型电解质，并用Pt作为对电极和夹子将FTO导电衬底和设于FTO导电衬底上的光阳极膜、染料敏化剂、电解质进行组装成型成染料敏化太阳能电池。
（5）打开太阳光模拟光源，测得电池的I-V曲线，如图2所示。
本发明公开了一种简便而又实用的染料敏化太阳能电池研究方法，通过改善TiO2的制备工艺，以脉冲激光沉积法替代传统的旋涂、提拉等方法，制备出颗粒更加均匀，结晶性良好的光阳极致密层，增加介孔层与衬底的连接性，降低漏电流，使电池的光电流密度和开路电压大大提高，增强电池的光电转换效率，这对于光伏电池领域实现大规模的商业化，将是一项新的突破性研究与发现。
以上所述为本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，根据本发明的教导，在不脱离本发明的原理和精神的情况下凡依本发明申请专利范围所做的均等变化、修改、替换和变型，皆应属本发明的涵盖范围。
Claims (10)
1.一种基于染料敏化的太阳能电池，其包括导电衬底和与导电衬底对置设置的对电极，所述的导电衬底沿接近对电极方向依序贴合设有光阳极膜、染料敏化剂和电解质，其特征在于：所述的光阳极膜包括沿接近对电极方向依序设置的致密层、介孔层和光散射层，所述的致密层由脉冲激光沉积法制备而成，其包括：选用二氧化钛为靶材，以FTO为导电衬底，在室温环境下，以激光能量为320 mJ，激光频率为4 Hz，制备时长为1 h，O2压为3 Pa的条件下，进行制备，完成后取出并放入马弗炉中以450 ℃的温度条件进行烧结处理30min，所述的染料敏化剂附着于光散射层表面，所述的染料敏化剂为N719钌系染料，所述的电解质为OPV-AN-I型电解质，所述的对电极为Pt电极。
2.根据权利要求1所述的一种基于染料敏化的太阳能电池，其特征在于：所述导电衬底的厚度为1.6 mm，方阻＜15 ohm/sq，透光率≥83%。
3.根据权利要求1所述的一种基于染料敏化的太阳能电池，其特征在于：所述二氧化钛靶材的厚度为3 mm，直径为30 mm，纯度为99.99%，所述致密层的厚度为200 nm。
4.根据权利要求1所述的一种基于染料敏化的太阳能电池，其特征在于：所述的介孔层是二氧化钛制备的介孔型薄膜。
5.根据权利要求4所述的一种基于染料敏化的太阳能电池，其特征在于：所述的介孔层是由刮涂法制备而成，其包括：在1 g P25二氧化钛粉末中加入由1 g乙基纤维素和15 ml松油醇混合制备的浆料，研磨均匀后，用刮膜器刮涂在所述的致密层上，继而在室温下静置10min后，再放置于干燥台上以60 ℃的温度进行干燥处理20 min，最后，放入马弗炉中以450℃的温度条件进行烧结处理60 min制得。
6.根据权利要求4所述的一种基于染料敏化的太阳能电池，其特征在于：所述的介孔层的厚度为10 μm。
7.根据权利要求1所述的一种基于染料敏化的太阳能电池，其特征在于：所述的光散射层由溶胶凝胶法制备而成，其包括：将钛酸丁酯作为钛源的溶胶以5000 r/min的转速旋涂在所述的介孔层上，旋涂时间为60 s，然后在室温下静置10 min后，再放到干燥台上以60℃的条件干燥处理20 min，最后放入马弗炉中以450 ℃的温度进行烧结处理30 min。
8.根据权利要求7所述的一种基于染料敏化的太阳能电池，其特征在于：所述光散射层的厚度为1 μm。
9.一种基于染料敏化的太阳能电池的制备方法，其特征在于：其包括如下步骤：
（1）取导电衬底作为基底材料，然后在其表面上制备致密层，所述的致密层由脉冲激光沉积法制备而成，其包括：选用厚度为3 mm，直径为30 mm，纯度为99.99%的二氧化钛为靶材，以厚度为1.6 mm，方阻＜15 ohm/sq，透光率≥83%的FTO为导电衬底，在室温环境下，以激光能量为320 mJ，激光频率为4 Hz，制备时长为1 h，O2压为3 Pa的条件下，进行制备，完成后取出并放入马弗炉中以450 ℃的温度条件进行烧结处理30min，从而在导电衬底上形成致密层；
（2）在致密层上制备介孔层，所述的介孔层是由刮涂法制备而成，其包括：在1 g P25二氧化钛粉末中加入由1 g乙基纤维素和15 ml松油醇混合制备的浆料，研磨均匀后，用刮膜器刮涂在所述的致密层上，继而在室温下静置10 min后，再放置于干燥台上以60 ℃的温度进行干燥处理20 min，最后，放入马弗炉中以450 ℃的温度条件进行烧结处理60 min制得，从而在致密层上形成介孔层；
（3）在介孔层上制备光散射层，所述的光散射层由溶胶凝胶法制备而成，其包括：将钛酸丁酯作为钛源的溶胶以5000 r/min的转速旋涂在所述的介孔层上，旋涂时间为60 s，然后在室温下静置10 min后，再放到干燥台上以60 ℃的条件干燥处理20 min，最后放入马弗炉中以450 ℃的温度进行烧结处理30 min，从而在介孔层上形成光散射层；所述的致密层、介孔层和光散射层形成光阳极膜；
（4）将光阳极膜裁剪成预设规格后，放入染料敏化剂中以50 ℃的环境温度进行敏化处理24 h，然后取出，用无水乙醇洗去残留在光阳极膜区域之外的染料敏化剂，再滴加OPV-AN-I型电解质，并用Pt作为对电极和夹子将FTO导电衬底和设于FTO导电衬底上的光阳极膜、染料敏化剂、电解质进行组装成型成染料敏化太阳能电池。
10.一种基于染料敏化的太阳能电池，其特征在于：其由权利要求9所述的制备方法制得。
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