高比表面積網狀光陽極集成的高效吸光的染料敏化太陽電池的製作方法
2023-09-22 16:53:40 5
專利名稱：高比表面積網狀光陽極集成的高效吸光的染料敏化太陽電池的製作方法
技術領域：
本發明涉及太陽能光電利用領域，具體涉及一種太陽電池。
技術背景染料敏化太陽電池由於其簡單的製作工藝和極其低廉的成本而成為科學研 究的熱點。目前染料敏化太陽電池短期內不能產業化的其中一個原因是效率還較 低，在薄膜太陽電池中，還無法與發展成熟的非晶矽和CIGS等太陽電池競爭， 進一步提高效率是其能否產業化的關鍵。傳統的染料敏化太陽電池採用以導電玻璃為襯底的三明治式結構，見附圖1。 在一面透明導電玻璃l (TCO)上鍍一層起電荷分離作用的多孔納米晶氧化物薄 膜(通常是Ti02)，熱處理後吸附上單層染料2構成光陽極，對電極由鍍有催 化劑鉑的透明導電玻璃3構成，中間充有具有氧化還原作用的電解液(如含1713— 的有機溶劑)，並由密封劑封裝。傳統染料敏化太陽電池採用的三明治結構要求光陽極襯底必須具有透光性， 所以透明導電玻璃是傳統染料敏化太陽電池襯底的最佳選擇。其在電池中主要起 到收集電子的作用，同時也是電池的透明支撐結構。而平板導電玻璃為襯底，只 能在其上實現製備單層平面光陽極，造成電池吸光面積有限， 一般TCO導電玻 璃面電阻在8-100Q/cm勺密耳(1密耳^25nm)範圍內，由於導電玻璃的面電阻太大， 造成收集電子困難，限制其效率提高，且電池面積越大，電阻越大，使這種電池 很難大面積製備， 一般在寬度不大於lcm時才不會明顯影響其效率。也給組件 的串、並聯的設計和性能也受到TCO層電阻的影響，是目前效率還較低的染料 敏化太陽電池走向產業化的一個瓶頸。發明內容本發明的目的是提供一種高比表面積網狀光陽極集成的高效吸光的染料敏 化太陽電池，該太陽電池可以高效收集電子及吸附更多的染料進一步增加光陽極 的光吸收，解決導電玻璃襯底電阻大限制電池效率的提高和大面積製備及組件 串、並聯的問題，進一步提高電池的效率。本發明提供的一種高比表面積網狀光陽極集成的高效吸光的染料敏化太陽 電池由三層結構組成，其中第一層是作為封裝蓋板用的超白玻璃，第二層是作為 光陽極的高比表面積鍍膜金屬網，所述的高比表面積鍍膜金屬網是由耐電解液腐 蝕的金屬網或導電纖維網通過鍍膜工藝鍍上起電荷分離作用的寬帶隙納米晶半 導體氧化物薄膜，在經過熱處理後吸附敏化染料而製得，第三層是作為對電極的 鍍膜金屬片，超白玻璃和鍍膜金屬片之間予以封裝形成密閉空間，密閉空間的內 部充有具有氧化還原作用的電解液。上述技術方案中，所述的金屬網為鈦、鎳、金、鎢、鉬、鉭或鈮金屬網；所 述的鍍膜工藝為提拉成膜法或絲網印刷工藝；所述的寬帶隙納米晶半導體氧化物 薄膜為寬帶隙納米晶Ti02或Sn02半導體薄膜；所述的具有氧化還原作用的電解 液為含I—和l2的電解液；所述的作為對電極的鍍膜金屬片為鍍有鉑、鎳或碳薄膜 的金屬片；所述的超白玻璃和鍍膜金屬片之間採用密封膠予以封裝。太陽電池裡的歐姆電阻分為兩類並聯電阻Rsh和串聯電阻Rs。並聯電阻 主要來源於電池邊緣漏電，另外雜質和發射區擴散時產生的缺陷引起的p-n結漏 電，也會使並聯電阻減小。串聯電阻包括電極電阻、半導體材料的體電阻、電極 和半導體之間的接觸電阻，且串聯電阻是高阻值，是影響太陽電池內阻的主要因 素。傳統染料敏化太陽電池用的TCO導電玻璃面電阻在8-100Q/cm々密耳之間， 本發明用導電率好的金屬網和金屬片代替高阻值的導電玻璃作為襯底將減小太 陽電池的內阻。本發明的工作原理是鍍膜金屬網在充當光陽極襯底的同時，也充當高效收 集電子的柵指，網狀光陽極的微小空隙可以作為電解液中離子的傳輸通道，當光 線照射到網狀光陽極上的敏化染料後，產生光生電子-空穴對，電子和空穴通過 寬帶隙納米晶Ti02或Sn02半導體薄膜分離，1—離子被空穴氧化為13—離子，電子 經鍍膜金屬網傳導後進入負載，再通過鍍膜金屬片對電極回到電解液中，又將電 解液中的If離子還原為r離子，完成一個循環。使用時，將導電率好的導線(如 銅等)分別與本發明太陽電池的正、負電極焊接或以導電膠或導電漿料粘接後引 出，接入負載，即可在光照下工作。與傳統的平面三明治式染料敏化太陽電池相比，本發明高比表面積網狀光陽極集成的高效吸光的染料敏化太陽電池具有以下優點1、 金屬網相對於平面導電玻璃電極具有更高的吸附染料的表面積，可以吸 附更多的染料，從而增加光陽極的光吸收，進一步提高太陽電池的效率。2、 傳統的染料敏化太陽電池以導電玻璃為襯底，而目前透明導電薄膜是以 Sn02摻F或氧化銦錫等半導體材料製成，其方塊電阻很大，難以進行大面積太 陽電池製備(小於lcm2)，而本發明由於光陽極與對電極完全以導電率好的金屬 網或金屬片為襯底，減小了電池內阻，更有利於收集電子，解決了導電玻璃作為 襯底時電阻影響電池效率和大面積製備問題。同時金屬網作為光陽極的襯底，可 以不再像傳統的太陽電池那樣再加額外的金屬柵指收集電子，也有效地增加了電 池的有效收光面積。3、 對電極是鍍鉑、鎳或碳薄膜的高反射金屬片，可以將金屬網光陽極的間 隙透過的光再反射回光陽極，達到二次利用光的目的，而傳統的染料敏化太陽電 池以透明導電玻璃為襯底，這一部分光將浪費掉。4、 通過對FTO導電玻璃、ITO導電玻璃和超白玻璃的透過率進行測試，其 平均透過率分別是77.0%， 83.2%和90.2%，本發明的染料敏化太陽電池電極不 再用導電玻璃作襯底，用超白玻璃取代一面導電玻璃將使光透過率明顯提高13% 左右，如果再考慮在超白玻璃上製備減反射膜，透過率將進一步提高4-5%，從 而提高光陽極的光吸收。5、 鈦可以耐各種強酸強鹼(如硝酸等)，甚至王水也不能腐蝕。同時鈦的儲 量也非常豐富，在金屬中排第七，特別是我國有大量的鈦資源，成本相對低，是 製備網狀光陽極的最佳選擇。下面結合附圖及具體實施方式
對本發明作進一步的說明。
圖1為傳統的平面三明治式染料敏化太陽電池的結構示意圖； 圖2為本發明的高比表面積網狀光陽極集成的高效吸光的染料敏化太陽電 池的結構示意圖。
具體實施方式
如圖2所示，本發明種高比表面積網狀光陽極集成的高效吸光的染料敏化太 陽電池由三層結構組成，其中第一層是作為封裝蓋板用的超白玻璃l，第二層是 作為光陽極的高比表面積鍍膜金屬網2，所述的高比表面積鍍膜金屬網是由耐電解液腐蝕的金屬網或導電纖維網通過鍍膜工藝鍍上起電荷分離作用的寬帶隙納 米晶半導體氧化物薄膜，在經過熱處理後吸附敏化染料而製得，第三層是作為對 電極的鍍膜金屬片3，超白玻璃1和金屬片3之間予以封裝形成密閉空間，密閉 空間的內部充有具有氧化還原作用的電解液。上述技術方案中，所述的金屬網為鈦、鎳、金、鎢、鉑、鉅或鈮金屬網；所 述的鍍膜工藝為提拉成膜法或絲網印刷工藝；所述的寬帶隙納米晶半導體氧化物 薄膜為寬帶隙納米晶Ti02或Sn02半導體薄膜；所述的具有氧化還原作用的電解 液為含I—和l2的電解液；所述的作為對電極的鍍膜金屬片3為鍍有鉑、鎳或碳薄 膜4的金屬片；所述的超白玻璃1和鍍膜金屬片3之間採用密封膠予以封裝。實施例l以德國Degussa公司生產的商業納米二氧化鈦P25粉12克放入研缽中研磨， 並逐滴加入含4ml含10%乙醯丙酮的異丙醇溶液，再逐滴加入10ml水繼續研磨， 並將0.2ml的曲拉通X-100加入到懸浮液中，製備濃度為54.54%的Ti02溶膠。用提拉法以每秒鐘10mm的提拉速度將直徑150um,60目的鈦金屬網鍍上 15 um厚的氧化鈦薄膜，並預留出0.3釐米左右的鈦金屬網作為導電電極，在 450。C下熱處理30分鐘。將鍍膜後的鈦金屬網放入含3X10—5mol/L的N719釕有機染料的乙醇溶液 中，加溫至80。C浸泡3小時，取出後用乙醇清洗，並置乾燥避光環境中保存。用提拉法將鈦金屬片浸入含5mmol/L H2PtCl6的異丙醇溶液中，通過立式拉 膜機提拉法成膜，在380'C下熱處理20min，製備成對電極。超白玻璃光透過率為90%，網狀光陽極、對電極依次疊放後用超白玻璃為蓋 板，以沙林膜和環氧樹脂封裝，並預留兩個小孔，以針筒將含有0.3m/L的Lil 和0.03m/L的12的乙腈電解液注入到電池內部，再將小孔以環氧樹酯膠堵住。用導電銀膠將銅帶粘接在光陽極上預留的鈦金屬網上，在常溫乾燥環境下8 小時固化，對電極鉑片也採用同樣方法處理後。將引出的正負電極接入負載即可在光照下工作。實施例2將125mL的鈦酸異丙酯和20mL異丙醇混合均勻後放入分液漏鬥中，十分鐘內滴加至含5.3mL70y。硝酸的750mL去離子水中並激烈攪拌，該混合液在80°C 下繼續攪拌8小時，形成透明的納米Ti02膠體溶液，然後放入高溫高壓反應釜 中200°C下恆溫反應12小時，將製得的納米Ti02溶膠通過旋轉蒸發法濃縮至濃 度為45。/。的Ti02溶膠。用絲網印刷法以將100um直徑，100目的鎳金屬網上10um厚的氧化鈦 薄膜，並預留出0.3釐米左右的鎳金屬網作為導電電極，在500。C下熱處理1小 時。將鍍膜後的鎳金屬網放入含5X 10—5mol/L的N719釕有機染料的乙醇溶液 中，在室溫下放置72小時，取出後用乙醇清洗，並置乾燥避光環境中保存。用旋塗法將含5mmol/L H2PtCl6的異丙醇溶液滴到鈦金屬片上，通過旋塗法 成膜，在38(TC下熱處理20min，製備成對電極。超白玻璃光透，網狀光陽極、對電極依次疊放後用鍍減反膜的超白玻璃為蓋 板，以沙林膜和環氧樹脂封裝，並預留兩個小孔，以針筒將含有0.5m/L的Lil 和0.05m/L的12的乙腈電解液注入到電池內部，再將小孔以環氧樹酯膠堵住。用鋁帶焊接在光陽極預留裸鎳金屬網上，用鋁帶焊接在鍍鉑對電極上引出電極。將引出的正負電極接入負載即可在光照下工作。 實施例3將250mL的鈦酸丁酯和20mL異丙醇混合均勻後放入分液漏鬥中，二十分 鍾內滴加至PH值為1的含硝酸的1500mL去離子水中並激烈攪拌，該混合液在 80°C下繼續攪拌10小時，形成透明的納米Ti02膠體溶液，然後放入高溫高壓 反應釜中230°C下恆溫反應12小時，將製得的納米Ti(V溶膠通過旋轉蒸發法濃 縮至濃度為60%的Ti02溶膠。用絲網印刷法以將75um直徑，200目的鎢金屬網上10u m厚的氧化鈦薄 膜，並預留出0.3釐米左右的鎢金屬網作為導電電極，在500°C下熱處理1小時。將鍍膜後的鎢金屬網放入含5X l(T5m0l/L的N719釕有機染料的乙醇溶液 中，在室溫下放置72小時，取出後用乙醇清洗，並置乾燥避光環境中保存。對電極採用膜厚為1.5pm的商業鍍鉑鈦金屬片，純度為TA1。超白玻璃，網狀光陽極、對電極依次疊放後用鍍減反膜的超白玻璃為蓋板，以沙林膜和環氧樹脂封裝，並預留兩個小孔，以針筒將含有0.5m/L的Lil和 0.05m/L的12的乙腈電解液注入到電池內部，再將小孔以環氧樹酯膠堵住。用導電銀膠將銅帶粘接在光陽極預留裸鉤金屬網上，在常溫乾燥環境下8 小時固化，對電極鍍鉑金屬片也採用同樣方法處理後。將引出的正負電極接入負載即可在光照下工作。
權利要求
1.一種高比表面積網狀光陽極集成的高效吸光的染料敏化太陽電池，其特徵在於由三層結構組成，其中第一層是作為封裝蓋板用的超白玻璃(1)，第二層是作為光陽極的高比表面積鍍膜金屬網(2)，所述的高比表面積鍍膜金屬網(2)是由耐電解液腐蝕的金屬網或導電纖維網通過鍍膜工藝鍍上起電荷分離作用的寬帶隙納米晶半導體氧化物薄膜，在經過熱處理後吸附敏化染料而製得，第三層是作為對電極的鍍膜金屬片(3)，超白玻璃(1)和鍍膜金屬片(3)之間予以封裝形成密閉空間，密閉空間的內部充有具有氧化還原作用的電解液。
2. 根據權利要求1所述的染料敏化太陽電池，其特徵在於所述的金屬網為 鈦、鎳、金、鎢、鈾、鉭或鈮金屬網。
3. 根據權利要求1所述的染料敏化太陽電池，其特徵在於所述的鍍膜工藝 為提拉成膜法或絲網印刷工藝。
4. 根據權利要求l所述的染料敏化太陽電池，其特徵在於所述的寬帶隙納 米晶半導體氧化物薄膜為寬帶隙納米晶Ti02或Sn02半導體薄膜。
5. 根據權利要求1所述的染料敏化太陽電池，其特徵在於所述的具有氧化 還原作用的電解液為含I—和12的電解液。
6. 根據權利要求1所述的染料敏化太陽電池，其特徵在於所述的作為對電 極的鍍膜金屬片(3)為鍍有鉑、鎳或碳薄膜(4)的金屬片。
7. 根據權利要求1所述的染料敏化太陽電池，其特徵在於所述的超白玻璃 (1)和鍍膜金屬片G)之間採用密封膠予以封裝。
全文摘要
本發明公開了一種高比表面積網狀光陽極集成的高效吸光的染料敏化太陽電池，該太陽電池由三層結構組成，其中第一層是作為封裝蓋板用的超白玻璃，第二層是作為光陽極的高比表面積鍍膜金屬網，所述的高比表面積鍍膜金屬網是由耐電解液腐蝕的金屬網或導電纖維網通過鍍膜工藝鍍上起電荷分離作用的寬帶隙納米晶半導體氧化物薄膜，在經過熱處理後吸附敏化染料而製得，第三層是作為對電極的鍍膜金屬片，超白玻璃和鍍膜金屬片之間予以封裝形成密閉空間，密閉空間的內部充有具有氧化還原作用的電解液。本發明太陽電池可以高效收集電子及吸附更多的染料進一步增加光陽極的光吸收，解決導電玻璃襯底電阻大限制電池效率的提高和大面積製備及組件串、並聯的問題，進一步提高電池的效率。
文檔編號H01L31/04GK101266884SQ200810027359
公開日2008年9月17日 申請日期2008年4月11日 優先權日2008年4月11日
發明者勇 劉, 孫志高, 臻 張, 輝 沈, 海 王, 嫻 董 申請人:中山大學