CN113793756A - 一种新型染料敏化太阳能电池及制备方法 - Google Patents

一种新型染料敏化太阳能电池及制备方法 Download PDF

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任鲁
陈弈蓉
李广新
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Abstract

本发明公开了一种新型染料敏化太阳能电池及制备方法，由PET、纤维纸、光阳极、对电极以及电解液组成，电解液由碘单质、碘化锂、乙腈以及新型添加剂制成，新型添加剂为1‑丙基‑3‑甲基咪唑碘盐和4‑叔丁基吡啶其中的一种或两种任意比例的混合物，其制备方法包括：光阳极的制备、对电极的制备、电解液的制备以及电池的组装。本发明的电解液加入了新型添加剂，促进了太阳能电池中两电极间的电子传输，提高电池的短路电流密度、电极性能以及开路电压，加快电荷复合效率，电池的填充因子得到提高，从而提升了光电转换效率，因此本发明的太阳能电池具有更加优异的电化学性能。

Description

一种新型染料敏化太阳能电池及制备方法
技术领域
本发明涉及一种电化学装置，特别是一种染料敏化太阳能电池及制备方法。
背景技术
当下染料敏化太阳能电池原材料来源广、生产成本低、对环境友好等优势受到广泛关注，研究者们对太阳能电池的性能表现也有着更高的追求，纷纷对对电极、光阳极、染料、电极液等重要部分开展更为细致的研究，期望发现与电池光电性能更为具体、本质的联系。
目前染料敏化太阳能电池多采用液态电解液，液态电解液主要有碘体系和钴体系，不同体系的电解液对电池的性能有很大的影响。据研究表明，加入多种作用不同的新型添加剂能让电池的开路电压以及短路电流密度同时得到提升，从而提高电池在光电转换方面的效率。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明提供一种新型染料敏化太阳能电池及制备方法。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种新型染料敏化太阳能电池，其由PET、纤维纸、光阳极、对电极以及电解液组成，所述电解液由碘单质、碘化锂、乙腈以及新型添加剂制成，所述新型添加剂为1-丙基-3-甲基咪唑碘盐和4-叔丁基吡啶其中的一种或两种任意比例的混合物。
在所述电解液中，所述碘单质的摩尔浓度为0.03-0.05mol/L，所述碘化锂的摩尔浓度为0.3-0.5mol/L，所述新型添加剂的摩尔浓度为0.2-0.4mol/L。
一种制备如上所述的太阳能电池的方法，其步骤包括光阳极的制备、对电极的制备、电解液的制备以及电池的组装。
所述光阳极的制备步骤如下：
(1)、钛片初步清洗：将钛片浸没在盛有阻值为18.2的去离子水的烧杯中，使用保鲜膜将烧杯口密封，然后将烧杯放在超声波清洗器中，清洗15-30分钟，清洗完后取出钛片，用无水乙醇清洗钛片，清洗后放入电热恒温干燥箱中进行烘干处理，烘干温度为80-90℃，烘干时间为1-2小时。
(2)、钛片二次清洗：将步骤(1)得到的钛片浸没在盛有无水乙醇的烧杯中并使用保鲜膜将烧杯口密封，然后将烧杯放在超声波清洗器中清洗15-30分钟，清洗完后取出钛片放入电热恒温干燥箱中烘干，烘干温度为80-90℃，烘干时间为1-2小时，烘干后再放入盛有丙酮的烧杯中浸没，然后使用保鲜膜将烧杯口密封并将烧杯放在超声清洗机中清洗十五分钟，清洗后取出钛片放入电热恒温干燥箱中烘干，烘干时间为30-60分钟。
(3)、涂料：用胶带将步骤(2)得到的钛片固定在玻璃板上，用玻璃棒蘸取二氧化钛浆料涂在胶带上，再用玻璃棒以胶带厚度将二氧化钛浆料均匀刮涂在钛片上，刮涂完后放进马弗炉中进行退火处理，温度为500℃，恒温40-50分钟后随炉冷却，冷却至室温，然后将钛片浸没在装有敏化染料的浸泡盒中浸泡二十四小时，钛片浸泡完后用无水乙醇清洗干净，最后将放入电热恒温干燥箱中烘干，烘干温度为80-90℃，烘干时间为1-2小时，此时光阳极制备完毕。
所述对电极的制备步骤如下：
(1)、不锈钢片初步清洗：将不锈钢片浸没在盛有阻值为18.2的去离子水的烧杯中，使用保鲜膜将烧杯口密封，然后将烧杯放在超声波清洗器中，清洗15-30分钟，清洗完后取出不锈钢片，用无水乙醇清洗不锈钢片，清洗后放入电热恒温干燥箱中进行烘干处理，烘干温度为80-90℃，烘干时间为1-2小时。
(2)、不锈钢片二次清洗：将步骤(1)得到的不锈钢片浸没在盛有无水乙醇的烧杯中并使用保鲜膜将烧杯口密封，然后将烧杯放在超声波清洗器中清洗15-30分钟，清洗完后取出不锈钢片放入电热恒温干燥箱中烘干，烘干温度为80-90℃，烘干时间为1-2小时，烘干后再放入盛有丙酮的烧杯中浸没，然后使用保鲜膜将烧杯口密封并将烧杯放在超声清洗机中清洗十五分钟，清洗后取出不锈钢片放入电热恒温干燥箱中烘干，烘干时间为30-60分钟。
(3)、涂料：将步骤(2)得到的不锈钢片放置在干净的实验台上，将丝网印刷网板放在不锈钢片上，用玻璃棒蘸取铂浆料涂在丝网印刷网板上，然后用刮板均匀刮涂，刮涂完毕后放进退火管式炉中，温度为400℃，恒温30-40分钟后随炉冷却，冷却至室温，冷却后不锈钢片上粘有铂浆料，此时对电极制备完毕。
所述电池组装的步骤如下：
(1)、层叠：将PET放置在层压机上，往PET上放置对电极，其中，对电极中未涂有铂浆料的面朝下与PET贴合，对电极中涂有铂浆料的面朝上；再往对电极中涂有铂浆料的面上放置与PET相同尺寸的纤维纸，然后在纤维纸上放置光阳极，其中，光阳极中未涂有二氧化钛浆料的面朝下与纤维纸贴合，光阳极中涂有二氧化钛浆料的面朝上，最后在光阳极中涂有二氧化钛浆料的面上再放置一层PET，得原材。
(2)、注胶密封：用胶枪在原材的PET边缘涂上热熔胶，压合，然后用针孔穿过热熔胶，向原材内部注入电解液，最后再用胶枪注胶密封电池，此时柔性染料敏化太阳能电池组装完成。
本发明的有益效果是：本发明的电解液加入了新型添加剂，促进了太阳能电池中两电极间的电子传输，提高电池的短路电流密度、电极性能以及开路电压，加快电荷复合效率，电池的填充因子得到提高，从而提升了光电转换效率，因此本发明的太阳能电池具有更加优异的电化学性能。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，以下结合本发明的实施例对本发明予以说明，所述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制，而本实施例中，关于温度和压力没有特别强调的，均为常温常压。
一种新型染料敏化太阳能电池，由PET(聚对苯二甲酸乙二醇酯)、纤维纸、光阳极、对电极以及电解液组成，所述电解液由碘单质(化学式为I2)、碘化锂(分子式为LiI)、乙腈(由上海阿拉丁生化科技股份有限公司生产)以及新型添加剂制成，其中，所述碘单质的摩尔浓度为0.03-0.05mol/L、纯度为99.8％，所述碘化锂的摩尔浓度为0.3-0.5mol/L、纯度为99％，所述乙腈的纯度为99％，所述新型添加剂的摩尔浓度为0.2-0.4mol/L，所述新型添加剂为1-丙基-3-甲基咪唑碘盐(由营口奥匹维特新能源科技有限公司生产)和4-叔丁基吡啶(由上海阿拉丁生化科技股份有限公司生产)其中的一种或两种任意比例的混合物。
在所述电解液中，所述碘单质的摩尔浓度为0.03-0.05mol/L，所述碘化锂的摩尔浓度为0.3-0.5mol/L，所述新型添加剂的摩尔浓度为0.2-0.4mol/L。
一种制备如上所述的太阳能电池的方法，其步骤包括光阳极的制备、对电极的制备、电解液的制备以及电池的组装。
所述光阳极的制备步骤如下：
(1)、钛片初步清洗：将钛片浸没在盛有阻值为18.2的去离子水的烧杯中，使用保鲜膜将烧杯口密封，然后将烧杯放在超声波清洗器中，清洗15-30分钟，清洗完后取出钛片，用无水乙醇清洗钛片，清洗后放入电热恒温干燥箱中进行烘干处理，烘干温度为80-90℃，烘干时间为1-2小时。
(2)、钛片二次清洗：将步骤(1)得到的钛片浸没在盛有无水乙醇的烧杯中并使用保鲜膜将烧杯口密封，然后将烧杯放在超声波清洗器中清洗15-30分钟，清洗完后取出钛片放入电热恒温干燥箱中烘干，烘干温度为80-90℃，烘干时间为1-2小时，烘干后再放入盛有丙酮的烧杯中浸没，然后使用保鲜膜将烧杯口密封并将烧杯放在超声清洗机中清洗十五分钟，清洗后取出钛片放入电热恒温干燥箱中烘干，烘干时间为30-60分钟。
(3)、涂料：用胶带将步骤(2)得到的钛片固定在玻璃板上，用玻璃棒蘸取二氧化钛浆料涂在胶带上，再用玻璃棒以胶带厚度将二氧化钛浆料均匀刮涂在钛片上，刮涂完后放进马弗炉中进行退火处理，温度为500℃，恒温40-50分钟后随炉冷却，冷却至室温，然后将钛片浸没在装有敏化染料的浸泡盒中浸泡二十四小时，钛片浸泡完后用无水乙醇清洗干净，最后将放入电热恒温干燥箱中烘干，烘干温度为80-90℃，烘干时间为1-2小时，此时光阳极制备完毕。
所述对电极的制备步骤如下：
(1)、不锈钢片初步清洗：将不锈钢片浸没在盛有阻值为18.2的去离子水的烧杯中，使用保鲜膜将烧杯口密封，然后将烧杯放在超声波清洗器中，清洗15-30分钟，清洗完后取出不锈钢片，用无水乙醇清洗不锈钢片，清洗后放入电热恒温干燥箱中进行烘干处理，烘干温度为80-90℃，烘干时间为1-2小时。
(2)、不锈钢片二次清洗：将步骤(1)得到的不锈钢片浸没在盛有无水乙醇的烧杯中并使用保鲜膜将烧杯口密封，然后将烧杯放在超声波清洗器中清洗15-30分钟，清洗完后取出不锈钢片放入电热恒温干燥箱中烘干，烘干温度为80-90℃，烘干时间为1-2小时，烘干后再放入盛有丙酮的烧杯中浸没，然后使用保鲜膜将烧杯口密封并将烧杯放在超声清洗机中清洗十五分钟，清洗后取出不锈钢片放入电热恒温干燥箱中烘干，烘干时间为30-60分钟。
(3)、涂料：将步骤(2)得到的不锈钢片放置在干净的实验台上，将丝网印刷网板放在不锈钢片上，用玻璃棒蘸取铂浆料涂在丝网印刷网板上，然后用刮板均匀刮涂，刮涂完毕后放进退火管式炉中，温度为400℃，恒温30-40分钟后随炉冷却，冷却至室温，冷却后不锈钢片上粘有铂浆料，此时对电极制备完毕。
所述电池组装的步骤如下：
(1)、层叠：将PET放置在层压机上，往PET上放置对电极，其中，对电极中未涂有铂浆料的面朝下与PET贴合，对电极中涂有铂浆料的面朝上；再往对电极中涂有铂浆料的面上放置与PET相同尺寸的纤维纸，然后在纤维纸上放置光阳极，其中，光阳极中未涂有二氧化钛浆料的面朝下与纤维纸贴合，光阳极中涂有二氧化钛浆料的面朝上，最后在光阳极中涂有二氧化钛浆料的面上再放置一层PET，得原材。
(2)、注胶密封：用胶枪在原材的PET边缘涂上热熔胶，压合，然后用针孔穿过热熔胶，向原材内部注入电解液，最后再用胶枪注胶密封电池，此时柔性染料敏化太阳能电池组装完成。
本发明提供的锂离子电池电解液含有碘离子和碘三离子的氧化还原离子对，通过氧化还原反应进行两电极间电子传输，还对染料分子进行还原。所述电解液还包含添加剂TBP(4-叔丁基吡啶)，它能够减少暗反应、提高电池的开路电压(Voc)，但会降低电池的短路电流(Isc)。所述电解液还包含添加剂PMII，提高电池的短路电流密度。通过这两种添加剂不吸收可见光的特性提高光电转化效率，从而提高太阳能电池的光电性能。
具体实施例1：本实施例的电解液按照以下浓度分数搅拌而成：0.04M的碘单质、0.4M的碘化锂以及适量乙腈。
制备方法：在充满氮气的手套箱中，先放一层PET，朝上放置粘有铂浆料的不锈钢片，再往上放入纤维纸，接着朝上放置纤维纸上放粘有二氧化钛浆料的钛片，再放一层PET封盖，同时往PET边缘注入热熔胶，注入电解液，最后用胶枪注入胶密封电池，此时柔性染料敏化太阳能电池组装完成。(本实施例的不锈钢片为太阳能电池的的对电极，钛片为太阳能电池的的光阳极，搭配本实施例的电解液)得到柔性染料敏化太阳能电池1。
具体实施例2、3、4：电解液按照以下浓度分数搅拌而成：0.04M的碘单质、0.4M的碘化锂以及0.2～0.4M的1-丙基-3-甲基咪唑碘盐(PMII)溶解于乙腈形成的，其中，根据1-丙基-3-甲基咪唑碘盐(PMII)浓度的不同得到本实施例的柔性染料敏化太阳能电池2、3、4。
制备方法：在充满氮气的手套箱中，先放一层PET，朝上放置粘有铂浆料的不锈钢片，再往上放入纤维纸，接着朝上放置纤维纸上放粘有二氧化钛浆料的钛片，再放一层PET封盖，同时往PET边缘注入热熔胶，注入电解液，最后用胶枪注入胶密封电池，此时柔性染料敏化太阳能电池组装完成。(本实施例的不锈钢片为太阳能电池的的对电极，钛片为太阳能电池的的光阳极，搭配本实施例的电解液)得到柔性染料敏化太阳能电池2、3、4。
具体实施例5、6、7、8：电解液按照以下浓度分数搅拌而成：0.04M的碘单质、0.4M的碘化锂以及0.3～0.6M的4-叔丁基吡啶(TBP)溶解于乙腈形成的，其中，根据4-叔丁基吡啶(TBP)浓度的不同得到本实施例的柔性染料敏化太阳能电池5、6、7、8。
制备方法：在充满氮气的手套箱中，先放一层PET，朝上放置粘有铂浆料的不锈钢片，再往上放入纤维纸，接着朝上放置纤维纸上放粘有二氧化钛浆料的钛片，再放一层PET封盖，同时往PET边缘注入热熔胶，注入电解液，最后用胶枪注入胶密封电池，此时柔性染料敏化太阳能电池组装完成。(本实施例的不锈钢片为太阳能电池的的对电极，钛片为太阳能电池的的光阳极，搭配本实施例的电解液)得到柔性染料敏化太阳能电池5、6、7、8。
具体实施例9、10、11、12：电解液按照以下浓度分数搅拌而成：0.04M的碘单质、0.4M的碘化锂、0.4M4-叔丁基吡啶(TBP)以及0.2～0.5M的1-丙基-3-甲基咪唑碘盐(PMII)溶解于乙腈形成的，其中，根据1-丙基-3-甲基咪唑碘盐(PMII)浓度的不同得到本实施例的柔性染料敏化太阳能电池9、10、11、12。
制备方法：在充满氮气的手套箱中，先放一层PET，朝上放置粘有铂浆料的不锈钢片，再往上放入纤维纸，接着朝上放置纤维纸上放粘有二氧化钛浆料的钛片，再放一层PET封盖，同时往PET边缘注入热熔胶，注入电解液，最后用胶枪注入胶密封电池，此时柔性染料敏化太阳能电池组装完成。(本实施例的不锈钢片为太阳能电池的的对电极，钛片为太阳能电池的的光阳极，搭配本实施例的电解液)得到柔性染料敏化太阳能电池9、10、11、12。
太阳光模拟实验：将柔性染料敏化具体实施例1-12所得的电池搁置在25℃条件下，用氙灯太阳能模拟器模拟太阳光照射15分钟柔性染料敏化太阳能电池，分别记录短路电流密度(Jsc)(mA/cm2)、开路电压(Voc)(V)、填充因子(FF)、光电转换效率四项实验数据。
填充因子的计算公式为电池的最大输出功率除以短路电流和开路电压乘积，即FF＝Pmax/(Isc x Voc)＝(Im x Vm)/(Isc x Voc)。
具体结果如下表表示：
Figure BDA0003283012990000101
由上表数据可知：本发明实施例通过在染料敏化太阳能电池的电解液中加入特定的电解液添加剂，可有效地提高染料敏化太阳能电池的电路性能及光电性能。
以上的实施方式不能限定本发明创造的保护范围，专业技术领域的人员在不脱离本发明创造整体构思的情况下，所做的均等修饰与变化，均仍属于本发明创造涵盖的范围之内。

Claims (6)

1.一种新型染料敏化太阳能电池，其特征在于其由PET、纤维纸、光阳极、对电极以及电解液组成，所述电解液由碘单质、碘化锂、乙腈以及新型添加剂制成，所述新型添加剂为1-丙基-3-甲基咪唑碘盐和4-叔丁基吡啶其中的一种或两种任意比例的混合物。
2.根据权利要求1所述的太阳能电池，其特征在于在所述电解液中，所述碘单质的摩尔浓度为0.03-0.05mol/L，所述碘化锂的摩尔浓度为0.3-0.5 mol/L，所述新型添加剂的摩尔浓度为0.2-0.4 mol/L。
3.一种制备如权利要求1-2任一所述的太阳能电池的方法，其特征在于其步骤包括光阳极的制备、对电极的制备、电解液的制备以及电池的组装。
4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于所述光阳极的制备步骤如下：
（1）、钛片初步清洗：将钛片浸没在盛有阻值为18.2的去离子水的烧杯中，使用保鲜膜将烧杯口密封，然后将烧杯放在超声波清洗器中，清洗15-30分钟，清洗完后取出钛片，用无水乙醇清洗钛片，清洗后放入电热恒温干燥箱中进行烘干处理，烘干温度为80-90℃，烘干时间为1-2小时；
（2）、钛片二次清洗：将步骤（1）得到的钛片浸没在盛有无水乙醇的烧杯中并使用保鲜膜将烧杯口密封，然后将烧杯放在超声波清洗器中清洗15-30分钟，清洗完后取出钛片放入电热恒温干燥箱中烘干，烘干温度为80-90℃，烘干时间为1-2小时，烘干后再放入盛有丙酮的烧杯中浸没，然后使用保鲜膜将烧杯口密封并将烧杯放在超声清洗机中清洗十五分钟，清洗后取出钛片放入电热恒温干燥箱中烘干，烘干时间为30-60分钟；
（3）、涂料：用胶带将步骤（2）得到的钛片固定在玻璃板上，用玻璃棒蘸取二氧化钛浆料涂在胶带上，再用玻璃棒以胶带厚度将二氧化钛浆料均匀刮涂在钛片上，刮涂完后放进马弗炉中进行退火处理，温度为500℃，恒温40-50分钟后随炉冷却，冷却至室温，然后将钛片浸没在装有敏化染料的浸泡盒中浸泡二十四小时，钛片浸泡完后用无水乙醇清洗干净，最后将放入电热恒温干燥箱中烘干，烘干温度为80-90℃，烘干时间为1-2小时，此时光阳极制备完毕。
5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于所述对电极的制备步骤如下：
（1）、不锈钢片初步清洗：将不锈钢片浸没在盛有阻值为18.2的去离子水的烧杯中，使用保鲜膜将烧杯口密封，然后将烧杯放在超声波清洗器中，清洗15-30分钟，清洗完后取出不锈钢片，用无水乙醇清洗不锈钢片，清洗后放入电热恒温干燥箱中进行烘干处理，烘干温度为80-90℃，烘干时间为1-2小时；
（2）、不锈钢片二次清洗：将步骤（1）得到的不锈钢片浸没在盛有无水乙醇的烧杯中并使用保鲜膜将烧杯口密封，然后将烧杯放在超声波清洗器中清洗15-30分钟，清洗完后取出不锈钢片放入电热恒温干燥箱中烘干，烘干温度为80-90℃，烘干时间为1-2小时，烘干后再放入盛有丙酮的烧杯中浸没，然后使用保鲜膜将烧杯口密封并将烧杯放在超声清洗机中清洗十五分钟，清洗后取出不锈钢片放入电热恒温干燥箱中烘干，烘干时间为30-60分钟；
（3）、涂料：将步骤（2）得到的不锈钢片放置在干净的实验台上，将丝网印刷网板放在不锈钢片上，用玻璃棒蘸取铂浆料涂在丝网印刷网板上，然后用刮板均匀刮涂，刮涂完毕后放进退火管式炉中，温度为400℃，恒温30-40分钟后随炉冷却，冷却至室温，冷却后不锈钢片上粘有铂浆料，此时对电极制备完毕。
6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于所述电池组装的步骤如下：
（1）、层叠：将PET放置在层压机上，往PET上放置对电极，其中，对电极中未涂有铂浆料的面朝下与PET贴合，对电极中涂有铂浆料的面朝上；再往对电极中涂有铂浆料的面上放置与PET相同尺寸的纤维纸，然后在纤维纸上放置光阳极，其中，光阳极中未涂有二氧化钛浆料的面朝下与纤维纸贴合，光阳极中涂有二氧化钛浆料的面朝上，最后在光阳极中涂有二氧化钛浆料的面上再放置一层PET，得原材；
（2）、注胶密封：用胶枪在原材的PET边缘涂上热熔胶，压合，然后用针孔穿过热熔胶，向原材内部注入电解液，最后再用胶枪注胶密封电池，此时柔性染料敏化太阳能电池组装完成。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN102254701A (zh) * 2011-05-17 2011-11-23 武汉理工大学 一种提高二氧化钛基染料敏化太阳能电池性能的阳极处理方法
CN111640580A (zh) * 2020-05-28 2020-09-08 电子科技大学中山学院 一种金属电极柔性染料敏化太阳能电池的结构及其制备方法

Patent Citations (2)

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