CN202650846U - 一种柔性染料敏化太阳能电池 - Google Patents

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张衡
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Abstract

本实用新型涉及一种柔性染料敏化太阳能电池的结构，包括柔性金属基底；设置在所述柔性金属基底上的纳米氧化物薄膜层；附着在所述纳米氧化物薄膜层上的染料层；在所述柔性金属基底、纳米氧化物薄膜层以及染料层之外围设置的热封装材料层；填充在所述染料层和所述热封装材料层之间的电解质；以及设置在所述热封装材料层上的柔性透明导电塑料基底。本实用新型工艺简约，成本低廉，易保存，便于运输，有利于大规模工业化生产的应用。

Description

一种柔性染料敏化太阳能电池
技术领域
    本实用新型属于太阳能电池领域，具体涉及一种柔性染料敏化太阳能电池。
背景技术
在石油，煤炭等不可再生能源消耗巨大的今天，各个国家都在大力开发低污染，可再生的清洁能源。可再生清洁能源如太阳能，风能，水能等几种能源，而风能一般在荒漠以及海边才有可用之地，水能也受地理条件影响。太阳能普照大地，没有地域限制，无须运输，可直接利用，必然会作为未来清洁能源的重要组成部分。
太阳能电池作为吸收太阳能的重要器件，各国科学家已经对此研究了百年之久。从晶体硅太阳能电池到各种薄膜太阳能电池，如非晶硅太阳能电池、碲化镉太阳能电池、铜铟镓硒太阳能电池、砷化镓太阳能电池、染料敏化太阳能电池等。其中染料敏化太阳能电池就像电池中的明星，在于其廉价的原材料、能耗少、工艺简单、性能稳定等优点。
自1991年瑞士洛桑高等工业学院Gr?tzel教授在《Nature》杂志上发表了第一篇染料敏化太阳能电池的文章以来，这种多孔状薄膜太阳能电池吸引了各国科学家的目光，经过2O多年发展迅速，台湾科学家使得小面积电池的效率达到了13.1%的记录，已经接近了实用化水平。
现有技术的传统染料敏化太阳能电池基于FTO导电玻璃，采用FTO（F/SnO2）玻璃基底作为光阳极和对电极，FTO玻璃制备条件复杂，价格昂贵，占到整个电池成本50%以上，且不易运输与保存。
实用新型内容
本实用新型的目的在于，针对现有染料敏化太阳能电池的不足，为有效合理地解决了传统染料敏化太阳能电池的上述缺点，提出了一种新型的便携式柔性染料敏化太阳能电池，采用金属作为导电基底，利用在金属基底上制备光阳极，有效简约了工艺，金属耗材少，降低了成本，性能稳定，实用且回收方便，使得柔性金属基底染料敏化太阳能电池市场竞争力大大增强，有利于大规模工业化生产的应用。
本实用新型提供一种柔性染料敏化太阳能电池，包括柔性金属基底；设置在所述柔性金属基底上的纳米氧化物薄膜层；附着在所述纳米氧化物薄膜层上的染料层；在所述柔性金属基底、纳米氧化物薄膜层以及染料层之外围设置的热封装材料层；填充在所述染料层和所述热封装材料层之间的电解质；以及设置在所述热封装材料层上的柔性透明导电塑料基底。
其中，所述柔性金属基底为铝箔层、钛箔层、不锈钢层、或钨钢层等。
其中，所述多纳米氧化物薄膜层为附着在所述柔性金属基底上的宽禁带氧化物半导体浆料经烧结形成的互联状薄膜层。多孔状纳米氧化物薄膜为TiO2薄膜、ZnO薄膜等其它宽禁带半导体氧化物。
其中，所述染料层包括人工合成染料或天然染料。染料包括合成染料N719(二-四丁铵-双(异硫氰基)双(2,2'-联吡啶-4,4'-二羧基)钌（II）)、N3（二(四丁基铵) 顺式-双(异硫氰基)双(2,2'-联吡啶-4,4'-二羧酸)钌(II)）或天然染料卟啉，花菁素，类胡萝卜素等。
其中，所述热封装材料层包括低熔点玻璃粉、热熔胶或紫外固化环氧树脂胶体等材料。所述热封装材料层设置于金属基底光阳极与透明塑料导电对电极之间。
其中，所述电解质层包括液态电解质。所述液态电解质含有I3 -/I-或Co2+/Co3+ 、叔丁基吡啶（TBP）、N-甲基苯并咪唑（NMBI）。
其中，所述柔性透明导电塑料基底为表面附有透明氧化铟导电层的聚酯塑料基底，包括ITO-PET（氧化铟-聚对苯二甲酸乙二醇酯）或者ITO-PEN（氧化铟-聚萘二甲酸乙二醇酯。
其中，所述柔性透明导电塑料基底上设置有小孔，用于注射电解质。
其中，所述柔性金属基底作为金属基底光阳极，所述柔性透明导电塑料基底作为透明塑料导电对电极，透明塑料导电对电极采用磁控溅射、电泳或丝网印刷得到具有催化效果的铂层电极。 
本实用新型的有益效果包括，用质轻、导电性能优良的薄层金属和导电塑料基底取代传统的昂贵FTO导电玻璃，有效地降低了电池的生产成本。同时，金属基底经过化学处理后，耐腐蚀性大大增强，表面粗糙度增大，能反射部分入射光以及增大了比表面积，能附着更多的宽禁带半导体氧化物。传统FTO封装时打孔需要小心，玻璃很容易碎，且钻头消耗大，而本实用新型中质轻、便于制取的透明导电塑料，只需用尖锐物即可打孔，并可以制成各种装饰，且可弯折，易保存和运输，与光阳极组装成电池后能够放在各种实用场合，可作为提供手机、笔记本电脑等轻便型电子产品的供电源。
本实用新型采用耐高温，质轻的金属基底作为光阳极，取代了传统FTO（F/SnO2）导电玻璃基底，解决了传统FTO导电玻璃昂贵，导电层制备要求高以及运输中易碎这三个问题，并利用烧结法，在其表面形成一层多孔状的半导体氧化物薄膜；柔性透明导电塑料取代FTO基底作为对电极，同样解决了易碎的问题。整个电池结构外部形状可以用剪刀裁剪，便于控制，并且塑料基底打孔较玻璃基底容易许多，为电解质注入和封装上提供了便利，而且轻质柔性电池便于运输，大大降低了成本，使得柔性轻型染料敏化太阳能电池的工业化大生产有了光明的前景。
附图说明
图1是本实用新型柔性染料敏化太阳能电池的结构示意图。
图2是光照下本实用新型柔性染料敏化太阳能电池示意图。
具体实施方式
结合以下具体实施例和附图，对本实用新型作进一步的详细说明。实施本实用新型的过程、条件、试剂、实验方法等，除以下专门提及的内容之外，均为本领域的普遍知识和公知常识，本实用新型没有特别限制内容。
如图1、图2所示，1为柔性金属基底，2为多孔状纳米半导体薄膜层，3为染料层，4为热封装材料层，5为电解质，6为柔性透明导电塑料基底，7为小孔。
如图1、图2所示，本实用新型一种柔性染料敏化太阳能电池，由下至上依次包括，柔性金属基底1；设置在柔性金属基底1上的纳米氧化物薄膜层2；染料层3；电解质5；热封装材料层4；以及柔性透明导电塑料基底6。
其中，柔性金属基底1为钛箔层。还可以是铝箔层、不锈钢层、钨钢层等其他结构。
纳米氧化物薄膜层2，是附着在柔性金属基底1上的宽禁带氧化物半导体浆料经烧结形成的互联状薄膜层。纳米氧化物薄膜层2是TiO2薄膜；还可以是ZnO薄膜或其他宽禁带半导体氧化物薄膜。
染料层3附着在纳米氧化物薄膜层2上。
热封装材料层4介于柔性金属基底1和柔性透明导电塑料基底6之间。热封装材料层4涂覆在柔性金属基底1、纳米氧化物薄膜层2以及染料层3之外围。热封装材料是热熔胶；还可以是低熔点玻璃粉末、或紫外固化环氧树脂胶体；还可以是热熔胶、低熔点玻璃粉末、紫外固化环氧树脂胶体的任意混合。
热封装材料层4与柔性金属基底1、纳米氧化物薄膜层2和染料层3之间所围成的空间为电解质层5。在电解质层5中充填电解质。电解质包括液态电解质，含有I3 -/I-或Co2+/Co3+ 、叔丁基吡啶（TBP）、N-甲基苯并咪唑（NMBI）。
柔性透明导电塑料基底6上设置有两个小孔7，便于电解质注入。当完成电解质注射后，在柔性透明导电塑料基底6外侧的小孔处涂覆上热封装材料，然后通过固化完成整个电池的封装。
如图2所示，阳光从柔性透明导电塑料基底6处入射，吸附于纳米氧化物薄膜层2上的染料3得到激发从基态跃迁到激发态，从而产生电子，然后电子注入纳米氧化物薄膜层2的导带中，并传送到金属基底，再流入外电路。激发的染料被电解质5中还原性离子还原，离子本身被氧化，而外电路的电子再将离子还原，这样就形成了一个循环。
利用柔性钛箔制备本实用新型柔性染料敏化太阳能电池，具体步骤包括：
（1）称取一定量的纳米半导体氧化物，在合适比例的乙基纤维素，松节油透醇以及无水乙醇中经过搅拌，得到适宜粘度的浆料。
（2）清洗、加工柔性金属基底1：将厚度在0.3mm-0.5mm的金属钛箔表面用金相砂纸打磨抛光后，依次用丙酮、无水乙醇和去离子水中超声清洗15分钟，在烘箱中烘干，然后在氢氟酸和浓硝酸混合液中超声处理2小时，取出后用去离子水冲干，再依次用丙酮、无水乙醇和去离子水中超声清洗15分钟，取出后用氮气吹干。
清洗、加工柔性透明导电塑料基底6：将柔性导电塑料ITO/PET依次在丙酮、无水乙醇和去离子水中超声清洗15分钟，取出后用氮气吹干；
（3）将纳米半导体氧化物TiO2浆料用丝网印刷在金属基底1表面后，在500℃下烧结3小时；
（4）在柔性透明导电塑料基底6上用磁控溅射法溅射一层铂催化剂，制备后在塑料基底6上打两个小孔7，然后在无水乙醇中保存备用；
（5）烧结后的金属基底1钛箔放入染料3中浸泡20-24小时；
（6）取出在钛箔基底1上均匀涂上一层热封装材料4热固化环氧树脂，再将柔性透明导电塑料基底6对齐后封装，留下两个小孔7；
（7）在小孔7内注射电解质5，多余的电解质5用纸巾抹去；
（8）在小孔7上涂上热封装材料4热固化环氧树脂，加热固化，封装完成。还可以通过烧结固化或者紫外固化进行封装。
本实用新型的保护内容不局限于以上实施例。在不背离发明构思的精神和范围下，本领域技术人员能够想到的变化和优点都被包括在本发明中，并且以所附的权利要求书为保护范围。

Claims (5)

1.一种柔性染料敏化太阳能电池，其特征在于：包括柔性金属基底（1）；设置在所述柔性金属基底（1）上的纳米氧化物薄膜层（2）；附着在所述纳米氧化物薄膜层（2）上的染料层（3）；在所述柔性金属基底（1）、纳米氧化物薄膜层（2）以及染料层（3）之外围设置的热封装材料层（4）；填充在所述染料层（3）和所述热封装材料层（4）之间的电解质层（5）；以及设置在所述热封装材料层（4）上的柔性透明导电塑料基底（6）。
2.如权利要求1所述的柔性染料敏化太阳能电池，其特征在于，所述柔性金属基底（1）为铝箔层、钛箔层、不锈钢层、或钨钢层。
3.如权利要求1所述的柔性染料敏化太阳能电池，其特征在于，所述多纳米氧化物薄膜层（2）为附着在所述柔性金属基底（1）上的宽禁带氧化物半导体浆料经烧结形成的互联状薄膜层。
4.如权利要求1所述的柔性染料敏化太阳能电池，其特征在于，所述柔性透明导电塑料基底（6）为表面附有透明氧化铟锡导电层的聚酯塑料基底。
5.如权利要求1所述的柔性染料敏化太阳能电池，其特征在于，所述柔性透明导电塑料基底（6）上设置有小孔（7）。 
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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