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一种立体吸光的丝状集成染料敏化太阳电池 Download PDF

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Abstract

一种立体吸光的丝状集成染料敏化太阳电池，包括有一透明玻璃管，透明玻璃管内按错排放置有多根镀膜金属丝，镀膜金属丝是由耐电解液腐蚀的金属丝或导电纤维通过镀膜工艺，镀上起电荷分离作用的宽带隙纳米晶半导体薄膜氧化物，在经过热处理后吸附敏化染料而制得，镀膜金属丝并联后引出电极作为太阳电池的光阳极，透明玻璃管还内放置有起催化和电子传输作用的对电极，透明玻璃管内并充有具有氧化还原作用的电解液，其端口通过密封胶予以封装。本发明太阳电池可在相同的面积上增加对空间的有效吸光面积而提高单位面积上太阳电池的输出功率，节省太阳电池的占地面积。

Description

一种立体吸光的丝状集成染料敏化太阳电池
技术领域
本发明涉及太阳能光电利用领域，具体涉及一种太阳电池。
背景技术
自1954年太阳电池被发明以来，各种材料(包括硅、GaAs、CIS、及染料敏化太阳电池等)所制成的太阳电池全部采用平面结构，尽管科学家一直致力于提高平面太阳电池的效率，但是按单晶硅太阳电池最高理论效率50％计算，其所占的面积仍然极大，即使利用别墅的全部屋顶也难以满足一户家庭的全部用电需求。随着人口的增长，人们势必建造更多的高层楼房，可用来安装太阳电池的屋顶和土地面积势必更少，因此，要想利用清洁的太阳能缓解能源危机，如何解决太阳电池的大量占地和对阳光的充分利用是一个至关重要的问题。众所周知，自然界中植物的叶绿素的光合作用对太阳能的利用效率也极低，不到1％，远比目前的太阳电池效率低，但其与地衣、苔藓等植物的重要区别是由于树的生长采用了分形生长的立体空间吸光结构，达到了对太阳能最合理的利用，这对研制新型的染料敏化太阳电池起到了有益的借鉴作用。
发明内容
本发明的目的是提供一种立体吸光的丝状集成染料敏化太阳电池，该太阳电池可在相同的面积上增加对空间的有效吸光面积从而提高单位面积上太阳电池的输出功率，节省太阳电池的占地面积。
本发明提供的一种立体吸光的丝状集成染料敏化太阳电池，包括有一透明玻璃管，透明玻璃管内按错排放置有多根镀膜金属丝，镀膜金属丝并联后引出电极作为太阳电池的光阳极，透明玻璃管还内放置有起催化和电子传输作用的对电极，透明玻璃管内并充有具有氧化还原作用的电解液，其端口通过密封胶予以封装；所述镀膜金属丝是由耐电解液腐蚀的金属丝或导电纤维通过镀膜工艺，镀上起电荷分离作用的宽带隙纳米晶半导体薄膜氧化物，在经过热处理后吸附敏化染料而制得。
上述技术方案中，所述的金属丝为钛、镍、金、钨、铂、钼或锰丝；所述的具有氧化还原作用的电解液为含I-和I2的电解液；所述的镀膜工艺采用提拉成膜法或丝网印刷等工艺；所述的纳米晶半导体薄膜氧化物为纳米晶TiO2或SnO2等宽带隙半导体薄膜；所述的起催化和电子传输作用的对电极为铂丝、镍丝、碳丝或镀有铂、镍或碳薄膜的金属丝或导电纤维，放置在透明玻璃管的中央或均布在镀膜金属丝的周围。
使用时，将导电率好的导线(如铜等)分别与本发明太阳电池的正、负电极焊接或以导电胶或导电浆料粘接后引出，接入负载，即可在光照下工作。
丝状集成的立体吸光结构的有效吸光面积增加可以用几何知识解释，由图1可以看出，同样面积的圆柱体是平面的的吸光面积的1+4H/D倍，D一定时，吸光面积将随H成正比增加，将圆柱再分割成直径无限细的小圆柱丝，并有间隙地排列，即可以实现空间立体吸光。金属丝头的吸光面积忽略不计，其吸光面积的增加可以表示为4ndH/D2倍，以目前实验所用的直径100μm，长10cm的钛丝并镀有30μm的氧化钛薄膜为例，1cm2可以布置600根达到最合理的吸光，则空间立体吸光有效面积将比同样的平面面积提高300倍左右。而所采用的金属丝直径越细，有效吸光面积将进一步增加。
传统的以导电玻璃为衬底的平面三明治式染料敏化太阳电池包括三层结构：第一层是在透明导电玻璃(TCO)上镀一层经热处理过的宽带隙多孔纳米晶氧化物薄膜(如TiO2)，在纳米晶氧化物薄膜的表面再吸附上起电荷分离作用的敏化染料构成光阳极；第二层是充有具有氧化还原作用(如I-和I2)的电解液，第三层是镀有催化剂(如铂、镍、碳)的透明导电玻璃构成对电极。
本发明的工作原理与以导电玻璃为衬底的的染料敏化太阳电池基本相同，当光线照射到敏化染料后，产生光生电子-空穴对，电子和空穴通过TiO2分离，I-离子被空穴氧化为I3 -离子，电子经镀膜金属丝传导后进入负载，再通过对电极金属丝回到电解液中，又将电解液中的I3 -离子被空穴还原为I-离子，完成一个循环。
与传统的平面三明治式染料敏化太阳电池相比，本发明立体吸光的丝状集成染料敏化太阳电池具有以下优点：
1、由于采用了类似于树干的立体吸光的丝状集成结构，增大了接收阳光的表面积，且只要在技术上可以无限延长镀膜金属丝的长度或减小直径以增加镀膜金属丝的根数，吸光表面积将进一步增加，从而达到节约太阳电池的占地面积的问题；
2、传统的染料敏化太阳电池以导电玻璃为衬底，而目前透明导电薄膜是以SnO2掺F或氧化铟锡等半导体材料制成，其方块电阻很大，难以进行大面积太阳电池制备(小于1cm2)，而本发明以耐腐蚀、电阻小的金属丝作为电子传输的载体，将进一步减小太阳电池的内阻，从而提高效率；
3、传统的染料敏化太阳电池除具有导电玻璃电阻大的缺点外，由于目前技术的限制，大面积导电玻璃不平整，因而在大面积封装时产生技术困难；而本发明将电解液封装在管形容器内，在干电池等中已有成功的范例；
4、如果将每个立体吸光的太阳电池排成刺猬球面式，则太阳从东方升起，西方落下时，体式吸光的太阳电池可以全方位地接收太阳光，应用更为高效便利，而平面太阳电池只可以从正面吸收阳光。
下面结合附图及具体实施方式对本发明作进一步的说明。
附图说明
图1为丝状集成的立体吸光结构的有效吸光面积增加的几何解释示意图；
图2为本发明的立体吸光的丝状集成染料敏化太阳电池的结构示意图；
图3为本发明的太阳电池排成刺猬球面式的工作示意图。
具体实施方式
如图2所示，本发明提供的一种立体吸光的丝状集成染料敏化太阳电池，包括有一透明玻璃管1，透明玻璃管1内按错排放置有多根镀膜金属丝2，镀膜金属丝2并联后引出电极作为太阳电池的光阳极，透明玻璃管1还内放置有起催化和电子传输作用的对电极3，透明玻璃管1内并充有具有氧化还原作用的电解液4，其端口通过密封胶予以封装；镀膜金属丝2是由耐电解液腐蚀的金属丝或导电纤维通过镀膜工艺，镀上起电荷分离作用的宽带隙纳米晶半导体薄膜氧化物，在经过热处理后吸附敏化染料而制得。上述技术方案中，金属丝为钛、镍、金、钨、铂、钼或锰丝；具有氧化还原作用的电解液4为含I-和I2的电解液；镀膜工艺采用提拉成膜法或丝网印刷等工艺；纳米晶半导体薄膜氧化物为纳米晶TiO2或SnO2等宽带隙半导体薄膜；起催化和电子传输作用的对电极3为铂丝、镍丝、碳丝或镀有铂、镍或碳薄膜的金属丝或导电纤维，放置在透明玻璃管1的中央或均布在镀膜金属丝2的周围。
如将本发明太阳电池排成如图3所示的刺猬球面式，则太阳从东方升起，西方落下时，体式吸光的太阳电池可以全方位地接收太阳光，应用更为高效便利。
实施例1
以德国Degussa公司生产的商业纳米二氧化钛12克P25粉放入研钵中研磨，并逐滴加入含4ml含10％乙酰丙酮的异丙醇溶液，再逐滴加入10ml水继续研磨，并将0.2ml的曲拉通X-100加入到悬浮液中，制备浓度为54.54％的氧化钛溶胶。
用提拉法以每秒钟10mm的提拉速度将230根直径100μm，长7cm的钛丝镀上30μm厚的氧化钛薄膜，并预留出1厘米左右的钛丝作为导电电极，在450℃下热处理30分钟。
将镀膜后的钛丝放入含3×10-5摩尔N719钌有机染料的乙醇溶液中，加温至80℃浸泡3小时，取出后以乙醇清洗，并置干燥避光环境中保存。
用100μm铜丝緾绕在预留钛丝的光阳极上，并用导电银浆粘牢，在150℃真空干燥箱中保温1小时固化，对电极铂丝也采用同样方法处理后，在铜引线涂上绝缘环氧树脂胶固化，以保证不与光阳极短路。
铂丝放在透明玻璃管的中央，光阳极放入透明玻璃管内并以一定间隙错排在铂丝周围，以玻璃胶将透明玻璃管的端口封装并预留两个小孔，以针筒将含有0.3m/L的LiI和0.015m/L的I2的乙腈电解液打进透明玻璃管中，再将小孔以环氧树酯胶堵住。
将引出的正负电极接入负载即可在光照下工作。
实施例2
将125mL的钛酸异丙酯和20mL异丙醇混合均匀后放入分液漏斗中，十分钟内滴加至含5.3mL70％硝酸的750mL去离子水中并激烈搅拌，该混合液在80℃下继续搅拌8小时，形成透明的纳米TiO2胶体溶液，然后放入高温高压反应釜中200℃下恒温反应12小时，将制得的纳米TiO2溶胶通过旋转蒸发法浓缩至浓度为45％的TiO2溶胶。
用提拉法以每秒钟10mm的提拉速度将70根直径100μm，长11cm的镍丝镀上25μm厚的氧化钛薄膜，并预留出1厘米左右的镍丝作为导电电极，在450℃下热处理30分钟。
将镀膜后的镍丝放入含5×10-5mol/L的N719钌有机染料的乙醇溶液中，在室温下放置72小时，取出后用乙醇清洗，并置干燥避光环境中保存。
用100μm铜丝緾绕在预留镍丝的光阳极上，并用导电银浆粘牢，在150℃真空干燥箱中保温1小时固化，对电极铂丝也采用同样方法处理后，在铜引线涂上绝缘环氧树脂胶固化，以保证不与光阳极短路。
透明玻璃管的内径为4mm，长10cm，光阳极放入透明玻璃管内并以一定间隙错排，四根100μm对电极铂丝均布在其中，以玻璃胶将透明玻璃管的端口封装并预留两个小孔，以针筒将含有0.5mol/L的LiI，0.03mol/L的I2和1mol/L四叔丁基吡啶的乙腈电解液打进透明玻璃管中，再将小孔以环氧树酯胶堵住。
将引出的正负电极接入负载即可在光照下工作。

Claims (7)

1、一种立体吸光的丝状集成染料敏化太阳电池，其特征是包括有一透明玻璃管(1)，透明玻璃管(1)内按错排放置有多根镀膜金属丝(2)，镀膜金属丝(2)并联后引出电极作为太阳电池的光阳极，透明玻璃管(1)还内放置有起催化和电子传输作用的对电极(3)，透明玻璃管(1)内并充有具有氧化还原作用的电解液(4)，其端口通过密封胶予以封装；所述镀膜金属丝(2)是由耐电解液腐蚀的金属丝或导电纤维通过镀膜工艺，镀上起电荷分离作用的宽带隙纳米晶半导体薄膜氧化物，在经过热处理后吸附敏化染料而制得。
2、根据权利要求1所述的立体吸光的丝状集成染料敏化太阳电池，其特征是所述的金属丝为钛、镍、金、钨、铂、钼或锰丝。
3、根据权利要求1所述的立体吸光的丝状集成染料敏化太阳电池，其特征是所述的具有氧化还原作用的电解液(4)为含I-和I2的电解液。
4、根据权利要求1所述的立体吸光的丝状集成染料敏化太阳电池，其特征是所述的镀膜工艺采用提拉成膜法或丝网印刷工艺。
5、根据权利要求1所述的立体吸光的丝状集成染料敏化太阳电池，其特征是所述的纳米晶半导体薄膜氧化物为纳米晶TiO2或SnO2宽带隙半导体薄膜。
6、根据权利要求1所述的立体吸光的丝状集成染料敏化太阳电池，其特征是所述的起催化和电子传输作用的对电极(3)为铂丝、镍丝、碳丝或镀有铂、镍或碳薄膜的金属丝或导电纤维。
7、根据权利要求1所述的立体吸光的丝状集成染料敏化太阳电池，其特征是所述的起催化和电子传输作用的对电极(3)放置在透明玻璃管(1)的中央或均布在镀膜金属丝(2)的周围。
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