背光式染料敏化太阳能电池及其制备方法与流程

本发明涉及一种太阳能电池及其制备方法，具体涉及一种背光式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(DSCs)主要由经染料分子表面敏化的半导体光阳极、阴极和电解质等构建组成。工作原理可简单概括为光阳极材料经光照后，主要由染料分子吸收光子产生激发电子，并快速注入到半导体的导带里，电子经光阳极迁移至外电路到达阴极形成电流；同时被氧化的染料分子通过电解质的氧化还原电对供给电子得到再生。目前DSCs的结构可因入射光路不同分为直射式和背光式两种类型。直射式DSCs特点是光线直接从光阳极一侧射入，穿过阳极材料到达染料分子处；其光吸收过程不受对电极和电解质影响，可以减少光能损失；但其光阳极结构较复杂，光生电子在三种组成材料之间传递也会存在较大的电阻。而背光式则是光线从阴极侧射入，经阴极和电解质后到达光阳极表面染料分子处。其特点是光线在到达阳极表面的染料之前需穿过对电极和电解质，而这两者对光线的吸收则会降低电池的能量利用率；但另一方面，由于光阳极无透光要求，因此，背光式DSCs光阳极可以采取相对简单的结构形式和材料，实现光生电子在阳极上的高效传输。

目前，对于背光式染料敏化太阳能电池的设计和改进，应在保持其优势的同时，尽量减少阴极和电解质对入射光的无效吸收，才能提高电池效率。因此，需要针对背光式染敏电池设计符合要求的阴极结构和电解质材料，以满足上述目的。

技术实现要素：

因此，本发明的目的是提供一种背光式染料敏化太阳能电池及其制备方法，从而可在很大程度上降低电极与电路间的接触电阻，提高电极的光电转化效率，结构简单，可减少背光式电池对光能的无效吸收，提高光电转化效率。

除非特别指明，本文中的“阴极材料”、“阴极结构”、“电池阴极”均指“铂对电极”。

一方面，本发明提供一种背光式染料敏化太阳能电池，包括依次设置的二氧化钛光阳极结构、铂对电极和透光封闭层，所述二氧化钛光阳极结构包括二氧化钛光阳极，所述二氧化钛光阳极的至少一侧设有绝缘膜，且所述二氧化钛光阳极的一侧的绝缘膜上设有第一通孔，所述铂对电极设在设有第一通孔的绝缘膜上，所述铂对电极上设有第二通孔，所述第二通孔与所述第一通孔对应设置，所述第一通孔和第二通孔与所述透光封闭层围成空腔，所述空腔中填充有电解液；所述设有第一通孔的绝缘膜和所述二氧化钛光阳极之间还设有染料层。

优选地，所述第二通孔的直径小于所述第一通孔的直径，可使电池阴极与电解液有效接触面积增大，从而促进两者间的电荷传输过程，最终提高电池效率。

优选地，所述二氧化钛光阳极的两侧均设有绝缘膜，两侧均设有绝缘膜能够防止污染及其他因素干扰，在太阳能电池的光电性测定过程中得到更准确的测量结果。

优选地，所述二氧化钛光阳极一端的侧面与所述染料层一端的侧面相接触，以便于进行通过绝缘膜包覆，使在太阳能电池的光电性测定过程得到的测量结果更准确，所述二氧化钛光阳极另一端设置在所述染料层另一端外侧，便于与外电路连接，便于与外电路连接，并且制备的电池的光电转化效率更高。

优选地，所述二氧化钛光阳极的一端包覆在所述绝缘膜内，所述二氧化钛光阳极的另一端设置在所述绝缘膜外侧，更便于与外电路连接，并且制备的电池的光电转化效率更高。

更优选地，所述二氧化钛光阳极的设在绝缘膜外侧的一端还设有阳极导线。

优选地，所述铂对电极的一端设有与其成一体设置的延伸部，所述延伸部设在所述透光封闭层和设有第一通孔的绝缘膜的外侧，便于与外电路连接，并且制备的电池的光电转化效率更高。

优选地，所述延伸部上设有阴极导线。

优选地，所述绝缘膜为防水绝缘膜。

优选地，所述防水绝缘膜由塑料或橡胶制成。

优选地，所述透光封闭层由玻璃或石英玻璃制成。

本发明的背光式染料敏化太阳能电池，降低电极与电路间的接触电阻，提高电极的光电转化效率，结构简单，可减少背光式电池对光能的无效吸收，提高光电转化效率；简化了电池结构，降低电池成本；并且通过设有第二通孔的铂对电极设计，使光线仅穿过极薄的电解液层即可抵达光阳极表面的染料层，从而进一步避免了阳极或阴极材料对光线的无效吸收，提高光电转化效率。

另一方面，本发明还提供一种上述的背光式染料敏化太阳能电池的制备方法，包括以下步骤：

1)采用阳极氧化法以金属钛片为原料制备内层为金属钛、表面层为TiO₂的Ti-TiO₂复合材料，再将制备的Ti-TiO₂复合材料的一侧形成染料层，然后再将所述Ti-TiO₂复合材料的具有染料层的一侧覆盖上中间设有第一通孔的绝缘膜，并使Ti-TiO₂复合材料的一侧露出1.5～2.5mm，将覆盖有绝缘膜的Ti-TiO₂复合材料一侧的露出部分打磨至去掉染料层及二氧化钛层，然后再在打磨的露出部分焊接导线，得到二氧化钛光阳极结构；

2)取金属铂片，按二氧化钛光阳极尺寸大小适当剪裁，得到裁剪后的金属铂片，再在所述裁剪后的金属铂片中间开设第二通孔，并使第二通孔的直径小于第一通孔的直径，在所述开孔的金属铂片一侧焊接导线，得到铂对电极；

3)以去离子水作为溶剂，配置硫酸钠(Na₂SO₄)水溶液作为电池的电解液；

4)将所述铂对电极覆盖在所述二氧化钛光阳极结构的设有第一通孔的绝缘膜的一侧，并使所述第二通孔对应第一通孔，再所述电解液注入并加满第一、二通孔的位置，最后再覆盖上透光封闭层并压紧。

优选地，在步骤1)中，所述Ti-TiO₂复合材料的一侧通过包括如下步骤的方法形成染料层：将所述Ti-TiO₂复合材料在叶绿素含量为0.7～7120μg/L的菠菜叶片色素乙醇浸提液中浸泡24小时，得到设有叶绿素染料层的Ti-TiO₂复合材料，再将所述设有叶绿素染料层的Ti-TiO₂复合材料清洗，干燥，得到一侧形成染料层的Ti-TiO₂复合材料。

更优选地，所述菠菜叶片色素乙醇浸提液中的叶绿素含量为0.7123～100μg/L。

进一步优选地，所述叶绿素含量为0.7123～71.23μg/L，还优选地，所述叶绿素含量优选为71.23μg/L。

优选地，在步骤3)中，所述溶液中电解质硫酸钠的浓度为：0.005～2.0mol/L，优选为0.01～1.0mol/L，更优选为0.1mol/L。

本发明的背光式染料敏化太阳能电池的制备方法，制备方法简单，得到的太阳能电池结构可减少背光式电池对光能的无效吸收，提高光电转化效率；首先光线在穿过透光封闭层后，可通过阴极开孔结构(第二通孔)直接穿过，避免了阴极材料对光线的吸收和阻挡；并且与I^-/I₃^-乙腈溶液及I^-/I₃^-水溶液电解液相比，Na₂SO₄水溶液无色透明，吸光度极低，在最大程度降低了电解液对光线的无效吸收，并且Na₂SO₄水溶液为一种新的DSCs电解液系统，并且通过试验验证表明这种新系统的电解液制成的太阳能电池具有更好的光电转化效率；再者，通过在叶绿素含量为0.7～7120μg/L的菠菜叶片色素乙醇浸提液中浸泡，制备叶绿素敏化二氧化钛光阳极结构，在光线抵达光阳极表面时，合适浓度的叶绿素分子吸收光子并向二氧化钛分子传输能量及消耗其光生空穴，使二氧化钛产生的光生电子增多，从提高电池单色光光电转化效率(IPCE)及总转化效率(η)，即可在促进二氧化钛分子捕获光子及光电转化过程，提高其单色光光电转化效率的同时，降低染料成本，并且更加环保，叶绿素含量在0.7123～71.23μg/L范围内，能够达到更好地效果，光电转化效率更高；上述三部分结构和组分相辅相成，创造性地改变了整个太阳能电池的系统，并且通过试验发现具有这些新的系统的太阳能电池具有较高的光电性能。

附图说明

以下，结合附图来详细说明本发明的实施方案，其中：

图1为本发明的背光式染料敏化太阳能电池的结构示意图；

图2为本发明的实施例1制备的不同浓度叶绿素敏化太阳能电池的单色光光电转化效率图谱；

图3为本发明的实施例2制备的太阳能电池的输出光电流密度与电解液浓度的关系曲线；

图4为本发明的实施例3制备的不同电解液的太阳能电池的单色光光电转化效率图谱；

图5为本发明的实施例3制备的不同电解液的太阳能电池的I-V曲线；

其中：

1.二氧化钛光阳极，2.铂对电极，201.第二通孔，202.延伸部，3.透光封闭层，4.绝缘膜，401.第一通孔，5.染料层，6.阳极导线，6′.阴极导线，7.电解液。

具体实施方式

以下以具体实施例的方式，对本发明进行进一步说明。

如图1所示，本发明实施例提供的背光式染料敏化太阳能电池，包括依次设置的二氧化钛光阳极结构、铂对电极2和透光封闭层3，二氧化钛光阳极结构包括二氧化钛光阳极1，二氧化钛光阳极1的至少一侧设有绝缘膜4，且二氧化钛光阳极1的一侧的绝缘膜4上设有第一通孔401，铂对电极2设在设有第一通孔401的绝缘膜4上，铂对电极2上设有第二通孔201，第二通孔201与第一通孔401对应设置，且第二通孔201的直径(d2)小于第一通孔401的直径(d1)，第一通孔401和第二通孔201与透光封闭层3围成空腔，空腔中填充有电解液7，设有第一通孔的绝缘膜4和二氧化钛光阳极1之间还设有染料层5。

上述实施例中，第二通孔201的直径小于第一通孔401的直径，可使电池阴极与电解液有效接触面积增大，从而促进两者间的电荷传输过程，最终提高电池效率。

上述实施例中，二氧化钛光阳极1的两侧均设有绝缘膜4，两侧均设有绝缘膜能够防止污染及其他因素干扰，在太阳能电池的光电性测定过程中得到更准确的测量结果。

上述实施例中，二氧化钛光阳极1一端的侧面与染料层5一端的侧面相接触，以便于进行通过绝缘膜包覆，使在太阳能电池的光电性测定过程得到的测量结果更准确，二氧化钛光阳极1另一端设置在染料层5另一端外侧，便于与外电路连接，并且制备的电池的光电转化效率更高。

上述实施例中，二氧化钛光阳极1的一端包覆在绝缘膜4内，二氧化钛光阳极1的另一端设置在绝缘膜4外侧，便于与外电路连接，并且制备的电池的光电转化效率更高。

上述实施例中，二氧化钛光阳极1的设在绝缘膜4外侧的一端还设有阳极导线6。

上述实施例中，铂对电极2的一端设有与其成一体设置的延伸部202，延伸部202设在透光封闭层3和设有第一通孔的绝缘膜4的外侧。具体实施时，延伸部202上设有阴极导线6′。

上述实施例中，绝缘膜4为防水绝缘膜。具体实施时，防水绝缘膜由塑料或橡胶制成，例如可为防水胶带或密封膜。

上述实施例中，透光封闭层3由玻璃或石英玻璃制成。

综上：本发明的背光式染料敏化太阳能电池，能够大大降低电极与电路间的接触电阻，减少背光式电池对光能的无效吸收，提高光电转化效率；并且通过设有第二通孔的铂对电极的设计，使光线仅穿过极薄的电解液层即可抵达光阳极表面的染料层，从而避免了阳极或阴极材料对光线的无效吸收，提高光电转化效率，此外简化了电池结构，降低电池成本。

除非特别指明，以下实施例中所用的试剂和药品均可从正规渠道商购获得。

实施例1

1)采用阳极氧化法以金属钛片为原料制备内层为金属钛、表面层为TiO₂的Ti-TiO₂复合材料。

2)选取新鲜的菠菜叶片，捣碎后经无水乙醇萃取，得到菠菜叶片叶绿素的乙醇浸提液。将Ti-TiO₂复合材料浸泡在71.23μg/L菠菜叶片色素乙醇浸提液中24小时，取出后分别用乙醇和去离子水冲洗，常温干燥后，得到一侧形成染料层的Ti-TiO₂复合材料；再将中间打孔(直径>8mm)的防水胶带贴附在Ti-TiO₂复合材料的具有染料层一侧，并在Ti-TiO₂复合材料的另一侧直接贴附防水胶带，在一端裁下约2mm宽的胶带使Ti-TiO₂复合材料露出。把露出部分打磨掉表面氧化层，在其上点焊导线，即得到二氧化钛光阳极结构。

3)取金属铂片，按光阳极尺寸大小剪裁成矩形。金属铂片中间打孔(直径d₂<d₁)，在长边边缘处焊接导线，即为铂对电极(电池阴极)。

4)配置硫酸钠水溶液作为电池的电解液。电解液以去离子水作为溶剂，溶液中电解质的浓度为：硫酸钠(Na₂SO₄)0.1mol/L。电池的装配按从下至上为：光阳极结构的防水胶带开孔侧向上置于最底层；将铂对电极平放其上，并保持铂对电极开孔圆心与光阳极防水胶带开孔圆心对齐；将电解液注入并加满上述圆孔位置，最上层覆盖石英玻璃并压紧，即完成太阳能电池的装配。

上述过程中其他条件保持不变，仅将浸泡Ti-TiO₂复合材料的菠菜叶片色素乙醇浸提液浓度由71.23μg/L变更为7123μg/L、7.123μg/L及0.7123μg/L，制得三种二氧化钛光阳极结构。将二氧化钛光阳极结构与其他材料组装成太阳能电池，采用450W氙灯、单色仪(美国颐光科技CT110)及2273恒电位仪(美国阿美特克PARSTAT)光电连用测试系统(参见：张胜寒,梁可心,檀玉，不同形态铈改性的TiO_2纳米管阵列的制备及其可见光光电响应性质，物理化学学报,2011,27(11),2726)，测定电池光电流，得到电池单色光光电转化效率图谱，结果如图2所示。

从图2可以看出，当浓度为71.23μg/L的色素溶液敏化光电极时具有相对最好的作用效果，其IPCE值(光电转换效率)最高，相对于敏化前平均提高2.72倍；浓度小于71.23μg/L的色素敏化作用随溶液浓度即降低而减弱，当浓度大于71.23μg/L至7123μg/L时，其IPCE值亦下降明显。从而说明当菠菜叶片色素乙醇浸提液敏化剂的浓度为71.23μg/L时，能够制得IPCE高的背光式染料敏化太阳能电池。

实施例2

1)采用阳极氧化法以金属钛片为原料制备内层为金属钛、表面层为TiO₂的Ti-TiO₂复合材料。

2)将Ti-TiO₂复合材料裸露部分浸泡在71.23μg/L菠菜叶片色素乙醇浸提液中24小时，取出后分别用乙醇和去离子水冲洗，常温干燥后，得到一侧形成染料层的Ti-TiO₂复合材料；再将中间打孔(直径>8mm)的防水胶带贴附在Ti-TiO₂复合材料的具有染料层一侧，并在Ti-TiO₂复合材料的另一侧直接贴附防水胶带，在Ti-TiO₂复合材料的一端裁下约2mm宽的密封膜使Ti-TiO₂复合材料露出。把露出部分打磨掉表面氧化层，在其上点焊导线，即作为二氧化钛光阳极结构。

3)取金属铂片，按光阳极尺寸大小剪裁成矩形。金属铂片中间打孔(直径d₂<d₁)，在长边边缘处焊接导线，即为铂对电极(电池阴极)。

4)配置硫酸钠水溶液作为电池的电解液。电解液以去离子水作为溶剂，溶液中电解质以及添加剂浓度为：硫酸钠(Na₂SO₄)0.1mol/L。电池的装配按从下至上为：光阳极结构的密封膜开孔侧向上置于最底层；将铂对电极平放其上，并保持铂对电极开孔圆心与光阳极结构的密封膜带开孔圆心对齐；将电解液注入并加满上述圆孔位置，最上层覆盖石英玻璃并压紧，即完成太阳能电池的装配。

上述过程中其他条件保持不变，仅将电池电解液硫酸钠(Na₂SO₄)浓度由0.1mol/L变更为2.0mol/L、1.0mol/L、0.5mol/L、0.05mol/L、0.01mol/L及0.005mol/L，制得五种硫酸钠水溶液电解液背光式染料敏化太阳能电池。将电极与其他材料组装成太阳能电池，采用450W氙灯、单色仪(美国颐光科技CT110)及2273恒电位仪(美国阿美特克PARSTAT)光电连用测试系统[1]，测定电池光电流，得到电池不同浓度电解液与光电流密度关系曲线，结果如图3所示。

从图3可以看出，当电池电解液硫酸钠浓度为0.1mol/L时电池具有最大光电流密度；硫酸钠浓度过高或过低均会使电池阴极与阳极间的电荷传输受到抑制，从而使电池产生的光电流密度减小，说明在硫酸钠为0.1mol/L浓度下制得的背光式染料敏化太阳能电池具有很高的输出光电流密度，产生了意想不到的技术效果。

实施例3

1)采用阳极氧化法以金属钛片为原料制备内层为金属钛、表面层为TiO₂的Ti-TiO₂复合材料。

2)将Ti-TiO₂复合材料裸露部分浸泡在71.23μg/L菠菜叶片色素乙醇浸提液中24小时，取出后分别用乙醇和去离子水冲洗，常温干燥后，得到一侧形成染料层的Ti-TiO₂复合材料；再将中间打孔(直径>8mm)的防水胶带贴附在Ti-TiO₂复合材料的具有染料层一侧，并在Ti-TiO₂复合材料的另一侧直接贴附防水胶带，在Ti-TiO₂复合材料的一端裁下约2mm宽的胶带使Ti-TiO₂复合材料露出。把露出部分打磨掉表面氧化层，在其上点焊导线，即作为二氧化钛光阳极结构。取金属铂片，按光阳极尺寸大小剪裁成矩形。金属铂片中间打孔(直径d₂<d₁)，在长边边缘处焊接导线，即为铂对电极(电池阴极)。

3)配置硫酸钠水溶液作为电池的电解液。电解液以去离子水作为溶剂，溶液中电解质以及添加剂浓度为：硫酸钠(Na₂SO₄)0.1mol/L。电池的装配按从下至上为：光阳极结构的防水胶带开孔侧向上置于最底层；将铂对电极平放其上，并保持铂对电极开孔圆心与光阳极结构的防水胶带开孔圆心对齐；将电解液注入并加满上述圆孔位置，最上层覆盖石英玻璃并压紧，即完成太阳能电池的装配。

上述过程中其他条件保持不变，仅将电池电解液由硫酸钠水溶液变更为I^-/I₃^-水溶液(各组分浓度为1mmol/L碘(I₂)，1.2mmol/L碘化钾(KI)，0.005M4-叔丁基吡啶(TBP)，去离子水为溶剂)及I^-/I₃^-乙腈溶液(各组分浓度为1mmol/L碘(I₂)，1.2mmol/L碘化钾(KI)，0.005M 4-叔丁基吡啶(TBP)，乙腈为溶剂)。采用450W氙灯、单色仪(美国颐光科技CT110)及2273恒电位仪(美国阿美特克PARSTAT)光电连用测试系统，测定电池单色光光电转化效率(IPCE)图谱及I-V曲线，结果如图4及图5所示。

从图4可以看出，与I^-/I₃^-乙腈溶液及I^-/I₃^-水溶液电解液相比，硫酸钠水溶液电解液制备的DSCs在单色光照射时具有较大的转化效率；图5则说明硫酸钠水溶液DSCs具有更大的短路电流密度和开路电压值。主要原因是硫酸钠水溶液的电导率要大于I^-/I₃^-水溶液及乙腈溶液，这会使电解液内阻变小；另一方面硫酸钠溶液无色透明，其吸光度极小，而I^-/I₃^-溶液则因存在碘单质和碘离子其吸光度值较高，减少了到达光阳极表面的光强，故硫酸钠电解液电池体系具有更好的光电转化效率。