CN111192761A - 一种长时态半透明柔性染料敏化太阳能电池及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种长时态半透明柔性染料敏化太阳能电池及其制备方法，该电池包括光阳极、发光型柔性对电极和半透明电解液，光阳极和发光型柔性对电极正相对，半透明电解液注入光阳极和对电极之间。光阳极的迎光侧面涂覆有经染料敏化的半导体多孔膜，柔性电极与电解液接触的导电面涂覆有聚合物透明电催化薄膜，非导电面涂覆有长余辉夜光漆。电池的制备过程为：S1.发光型柔性对电极的制备：（1）聚合物透明电催化薄膜的涂覆，（2）长余辉夜光漆薄膜的涂覆；S2.长时态半透明柔性染料敏化太阳能电池的组装；该电池日间能量转化效率高，夜间亦有一定工作效果，可实现电池的昼夜长时态工作且制备过程简单，易操作，易控制，安全。
Description
技术领域
本发明涉及染料敏化太阳能电池技术领域，具体涉及一种长时态半透明柔性染料敏化太阳能电池及其制备方法。
背景技术
染料敏化太阳能电池作为新兴的第三代太阳能电池，由于制备简单，环保无污染以及相对较高的能量转化效率，受到了全世界科研人员的广泛关注，其基本工作原理是太阳光照激发染料发生电子跃迁，受激发的电子注入TiO2纳米晶，与此同时被激发的染料将电解液中的I-氧化成I3 - , 电子通过外环路传输到对电极，对电极催化I3 -还原成I-, 完成循环。
从染料敏化太阳能电池的工作原理可知，光源的存在是其工作的前提条件，然而由于夜间无自然光源，染料敏化太阳能电池只能在白天工作，阻碍了其进一步的使用。如果能将白天的自然光合理的储存，作为夜间染料敏化太阳能电池工作的光源，便可以尽量的提高染敏电池的工作时间，获得更多的光生电能。中国专利CN105869894A公开了一种能在白天和夜晚发电的染料敏化太阳能电池，其采用的是硬质的玻璃基底，可加工性差，无法满足柔性器件的需求；并且电催化膜的制备需要采用较复杂的电化学沉积方式，导致制备成本高昂。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供了一种长时态半透明柔性染料敏化太阳能电池及其制备方法，该电池日间能量转化效率高，夜间亦有一定工作效果，可实现电池的昼夜长时态工作且制备方法简单，易操作，易控制，安全。
为实现上述目的，本发明所采用的技术方案为：
一种长时态半透明柔性染料敏化太阳能电池，包括光阳极、发光型柔性对电极和半透明电解液，光阳极和发光型柔性对电极正相对，半透明电解液封装于光阳极和发光型柔性对电极之间，光阳极的迎光侧面涂覆有经染料敏化的半导体多孔膜，发光型柔性对电极与电解液接触的导电面涂覆有聚合物透明电催化薄膜，非导电面涂覆有长余辉夜光漆薄膜。
所述发光型柔性对电极基底采用的是ITO导电膜。
所述聚合物透明电催化薄膜为聚3,4-乙烯二氧噻吩（PEDOT）。
所述长余辉夜光漆的颜色为黄色或者绿色。
所述半透明电解液为钴基电解液。
一种长时态半透明柔性染料敏化太阳能电池的制备方法，其步骤如下：
S1. 发光型柔性对电极的制备：
（1）聚合物透明电催化薄膜的涂覆：
将ITO导电膜清洗干净后进行干燥，ITO导电膜的导电面朝上，将制备好的PEDOT聚合物混合液均匀旋涂在ITO导电膜的导电面上，随后将其置于室温下熟化4~6h，清洗掉ITO导电膜上的附着物，再将ITO导电膜上的聚合物涂层烤干，聚合物透明电催化薄膜形成；
（2）长余辉夜光漆薄膜的涂覆：
将涂覆有聚合物催化膜的ITO导电膜的非导电面朝上，将长余辉夜光漆均匀刮涂在非导电面上，干燥，夜光漆薄膜成型，完成发光型柔性对电极的制备；
S2. 太阳能电池的组装：
将光阳极的背光侧固定在发光型柔性对电极的透明电催化薄膜上，使光阳极和功能化对电极正相对，使用热塑膜将光阳极与柔性对电极隔开，再将半透明电解液注入光阳极和柔性对电极之间的空隙中，密封电解液，制得所述的长时态半透明柔性染料敏化太阳能电池。
步骤S1(1)中，将ITO导电膜用水、丙酮和乙醇三种溶剂依次超声清洗15~25min后吹干。
步骤S1(1)中，用乙醇清洗ITO导电膜上的附着物，再将ITO导电膜置于60℃下烘烤2h。
与现有技术相比，本发明取得的有益效果：
（1）用柔性ITO导电膜作为基底，使制得的长时态电池具有更广的应用范围，可以根据建筑物或设备外观进行包覆；
（2）使用易制得、透光性良好且具有较强催化性能的PEDOT作为对电极的电催化剂，使长时态电池的制备变得更加方便可控，并且PEDOT在柔性导电膜上的粘附性强，不易脱落，增强了电池的稳定性；
（3）用透光性更好的半透明钴基电解液，使夜光材料的余辉能更好的照射到光阳极上，获得比传统暗色的碘基电解液电池更好的能量转化效率；
（4）使用长余辉夜光漆作为夜间发光光源，其可以将白天的太阳光能储存，在夜间以荧光的形式发射，为夜间的染敏电池提供光源；这种电池由于在夜间可发散各色荧光，还兼具有装饰美化环境的功用；
（5）制备方法简单、易操作、安全，使用的原料来源广泛，价格低廉，制备过程中对工艺条件和设备要求低。
附图说明
图1为本发明的结构图；
图2为制备发光型柔性对电极的透过率图；
图3为制备长时态半透明柔性染料敏化太阳能电池日间工作的I-V曲线与作为对比的使用铂电极组成的标准染料敏化太阳能电池的日间工作I-V曲线图；
图4为制备长时态半透明柔性染料敏化太阳能电池夜间工作的I-V曲线。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。
实施例1
一种长时态半透明柔性染料敏化太阳能电池，包括光阳极、发光型柔性对电极和半透明电解液，光阳极和发光型柔性对电极正相对，半透明电解液封装于光阳极和发光型柔性对电极之间，光阳极的迎光侧面涂覆有经染料敏化的半导体多孔膜，发光型柔性对电极与电解液接触的导电面涂覆有聚合物透明电催化薄膜，非导电面涂覆有长余辉夜光漆薄膜。
发光型柔性对电极基底采用的是ITO导电膜。
聚合物透明电催化薄膜为聚3,4-乙烯二氧噻吩（PEDOT）。
长余辉夜光漆的颜色为黄色或者绿色。
半透明电解液为钴基电解液。
一种长时态半透明柔性染料敏化太阳能电池的制备方法，其步骤如下：
S1. 发光型柔性对电极的制备：
（1）聚3,4-乙烯二氧噻吩（PEDOT）溶液的制备：
将0.6g3,4-乙烯二氧噻吩单体、0.2g聚乙烯吡咯烷酮和0.1ml吡啶溶解在10ml乙醇中，充分搅拌2h，作为溶液A，另将2g对甲基苯磺酸铁倒入10ml乙醇中，充分搅拌2h，作为溶液B，将溶液B缓慢滴入溶液A中（用时30min），密闭反应容器，在室温（25℃）下搅拌24h，得到PEDOT溶液；
（2）PEDOT透明电催化薄膜的涂覆：
将ITO导电膜分别用水、丙酮和乙醇三种溶剂依次超声清洗20min，吹干后将ITO导电膜放置于旋涂机上，导电面朝上，设置旋涂速度为1000 r/min，时间5s，然后用移液枪吸取200μl PEDOT混合溶液，将其滴在ITO导电膜的导电面上，开始旋涂，旋涂完毕后，将ITO导电膜在室温（25℃）下放置于空气中熟化4h，接着用乙醇缓慢冲洗除去表面附着物，再将ITO导电膜置于60℃的热平台上烘烤2h，PEDOT透明电催化薄膜涂覆完毕；
（3）长余辉夜光漆薄膜的涂覆：
将载有聚合物PEDOT催化膜的ITO导电膜的非导电面朝上，随后将黄绿色的夜光漆（水性蓄能发光夜光漆，购自山东济南夜明亮科技公司）倒在非导电面上，反复刮涂直到形成均匀涂层，再在室温（25℃）空气中放置6h，夜光漆薄膜形成，制得发光型柔性对电极；
S2. 光阳极的制备：
将TiO2多孔纳米晶负载于FTO导电玻璃上所构成的染料敏化太阳能电池的光阳极（活性面积0.25cm2，购自辽宁营口优选科技公司）于120℃烘干2h，待温度降到80℃左右时，迅速将光阳极置于0.3×10-3mol/L的Z907染料液中，然后于60℃干燥箱中保温浸泡24h，确保染料充分地被吸附，取出，冷却至室温（25℃）后，用无水乙醇冲洗除去未吸附的染料，得到光阳极，置于干燥器中备用；
S3. 长时态半透明柔性染料敏化太阳能电池的组装：
太阳能电池的组装采用三明治结构，将光阳极与对电极通过热塑膜粘结在一起，随后将半透明钴基电解液通过光阳极上的小孔注入到两电极形成的空隙中，密封电解液，完成长时态半透明柔性染料敏化太阳能电池的简单组装。
工作原理：如图1所示，在日间工作条件下，太阳光照激发光阳极上的染料发生电子跃迁，受激发的电子注入到TiO2纳米晶，与此同时被激发的染料将电解液中的I-氧化成I3 -，电子通过外环路传输到对电极，对电极催化I3 -还原成I-，完成循环；在夜间工作条件下，发光型柔性对电极非导电面的长余辉夜光漆吸收白天的太阳能，发射出的荧光穿过透明对电极和电解液，激发光阳极上的染料产生电子，然后完成工作循环。
试验一、本发明中发光型柔性对电极的透过率测试
试验目的：
在电解液是半透明的前提下，对电极的透过率是决定夜光材料所发射荧光能否有效照射到光阳极上的关键；如果对电极的透过率好，表明余光可以有效穿过对电极及电解液，照射到光阳极，进而完成光电转化过程，输出电流。
试验方法：
将制备好的涂覆有PEDOT透明催化膜的ITO导电膜，放置于紫外可见分光光度计中，使用清洗干净的空白ITO导电膜作为对照物，设定扫描范围为可见光区300～800nm，测试负载PEDOT催化层后ITO膜的透过率。
试验结果：
发光型柔性对电极的透过率如图2所示，可以看出，PEDOT催化膜在可见光区300～800下的透光率均大于45%，最高可达80%以上，由此可见，对电极的透光性良好，余光可以有效穿过。
试验二、本发明的长时态半透明柔性染料敏化太阳能电池的光电转化效率测试
试验目的：
测试制备的新式电池在日光条件与夜间条件下的光电转换情况。
试验方法：
所有测试均在夜间实验室内进行，除太阳光模拟器外无其他光源存在。将与测试仪器相连的电夹夹在实施例1中制备的长时态半透明柔性染料敏化太阳能电池（试验电池）的光阳极与对电极上。
当开启太阳光模拟器时，模拟在日间的工作状态，控制光照强度为100mw/cm2，电池的工作面积为0.25cm2，以基于铂对电极的染料敏化太阳能电池（对照电池）（只需将实施例1中制备的长时态染料敏化太阳能电池的发光型柔性对电极换成铂对电极即可）为对照。当关闭太阳光模拟器后，由于为夜间，实验室内无其他光源，模拟电池在夜间的工作状态。
测试两类染料敏化太阳能电池（试验电池及对照电池）在这日间与夜间两种工作状态下的短路光电流（Isc）、开路光电压（Voc）、填充因子(ff)和光电转换效率(η)，其中填充因子是指在I-V 曲线中可获得最大输出功率的点上的电流电压乘积(Iopt×Vopt) 与Isc×Voc( Isc为短路光电流，Voc为开路光电压)之比，电转换效率是Iopt×Vopt与输入的光功率Pin之比，此处的Pin为25mW。
试验结果：
实施例1制备的长时态半透明柔性染料敏化太阳能电池（试验电池）和基于铂电极的染料敏化太阳能电池（对照电池）在日间工作的I-V 曲线如附图3所示，试验电池的短路光电流密度、开路光电压、填充因子和光电转换效率分别为11.51mA· cm-2、0.766V、0.604和5.329%，对照电池的短路光电流密度、开路光电压、填充因子和光电转换效率分别为12.14mA·cm-2、0.751V、0.69和6.307％，由此说明，本发明的长时态半透明柔性染料敏化太阳能电池在日间工作时的能量转化效率虽然与昂贵的基于铂对电极的染料敏化太阳能电池有一定的差距，但依然表现出相对良好的光电转化效果。
实施例1制备的长时态半透明柔性染料敏化太阳能电池（试验电池）和基于铂对电极的染料敏化太阳能电池（对照电池）在夜间工作的I-V 曲线图如附图4所示，试验电池在夜间工作时的短路光电流密度、开路光电压、填充因子和光电转换效率分别是1.15mA·cm-2、0.1358V、0.233和0.0364%，而对照电池夜间工作时的短路光电流密度、开路光电压、填充因子和光电转换效率分别为0.0019mA·cm-2、0.01058V、0.2364和1.3×10-6%，由此说明，本发明的长时态半透明柔性染料敏化太阳能电池在在夜间工作时的光电转化效率远好于基于铂对电极的染料敏化太阳能电池。
从上述试验结果可知，本发明的长时态半透明柔性染料敏化太阳能电池在日间工作时，可以获得与基于铂对电极的染料敏化太阳能电池相接近的光电转化效果，在夜间工作条件下，由于夜光漆发出的荧光可以穿过透明对电极与半透明电解液，从而激发染料产生电子，实现了染料敏化太阳能电池的昼夜长时态工作，可以为后续的高效全时态电池的设计提供初步的研究基础。
以上实施例仅为本发明的优选技术方案，并不用于对本发明进行任何限制，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种长时态半透明柔性染料敏化太阳能电池，其特征在于，包括光阳极、发光型柔性对电极和半透明电解液，光阳极和发光型柔性对电极正相对，半透明电解液封装于光阳极和发光型柔性对电极之间，光阳极的迎光侧面涂覆有经染料敏化的半导体多孔膜，发光型柔性对电极与电解液接触的导电面涂覆有聚合物透明电催化薄膜，非导电面涂覆有长余辉夜光漆薄膜。
2.根据权利要求1所述的一种长时态半透明柔性染料敏化太阳能电池，其特征在于，所述发光型柔性对电极基底采用的是ITO导电膜。
3.根据权利要求1所述的一种长时态半透明柔性染料敏化太阳能电池，其特征在于，所述聚合物透明电催化薄膜为聚3,4-乙烯二氧噻吩（PEDOT），电催化膜的透光率由旋涂厚度来控制。
4.根据权利要求1所述的一种长时态半透明柔性染料敏化太阳能电池，其特征在于，所述长余辉夜光漆的颜色为黄色或者绿色。
5.根据权利要求1所述的一种长时态半透明柔性染料敏化太阳能电池，其特征在于，所述半透明电解液为钴基电解液。
6.权利要求1-5任意一项所述的一种长时态半透明柔性染料敏化太阳能电池的制备方法，其特征在于，该方法步骤如下：
S1. 发光型柔性对电极的制备：
（1）聚合物透明电催化薄膜的涂覆：
将ITO导电膜清洗干净后进行干燥，ITO导电膜的导电面朝上，将制备好的PEDOT聚合物混合液均匀旋涂在ITO导电膜的导电面上，随后将其置于室温下熟化4~6h，清洗掉ITO导电膜上的附着物，再将ITO导电膜上的聚合物涂层烤干，聚合物透明电催化薄膜形成；
（2）长余辉夜光漆薄膜的涂覆：
将涂覆有聚合物催化膜的ITO导电膜的非导电面朝上，将长余辉夜光漆均匀刮涂在非导电面上，干燥，夜光漆薄膜成型，完成发光型柔性对电极的制备；
S2. 太阳能电池的组装：
将光阳极的背光侧固定在发光型柔性对电极的透明电催化薄膜上，使光阳极和功能化对电极正相对，使用热塑膜将光阳极与柔性对电极隔开，再将半透明电解液注入光阳极和柔性对电极之间的空隙中，密封电解液，制得所述的长时态半透明柔性染料敏化太阳能电池。
7.根据权利要求6所述的一种长时态半透明柔性染料敏化太阳能电池的制备方法，其特征在于，步骤S1(1)中，ITO导电膜用水、丙酮和乙醇三种溶剂依次超声清洗15~25min后吹干。
8.根据权利要求6所述的一种长时态半透明柔性染料敏化太阳能电池的制备方法，其特征在于，步骤S1(1)中，用乙醇清洗ITO导电膜上的附着物，再将ITO导电膜置于60℃下烘烤2h。
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