一种制备染料敏化太阳能电池浆料的化学方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种染料敏化太阳能电池浆料的制备方法。
【背景技术】
[0002]染料敏化太阳能电池(简称DSSC)是一款新发展起来的有机半导体化学太阳能电池，由光阳极、对电极和电解质三部分组成，由于染料敏化太阳能电池具有制备成本较低、光电转换效率较高、较易实现大规模的工业化生产等优势，因此成为目前太阳能电池领域的研究热点。以纳米晶二氧化钛制备的多孔光阳极，是电池的关键部分，它具有较大的比表面积，能为染料提供较多的吸附位，同时多孔结构为电解质的传输提供了通道，保证染料的反复激发过程，从而能完成光电分离过程。目前采用水热合成法得到的纳米晶二氧化钛制备电极，此方法所需要的设备昂贵，工艺复杂，生产周期长，产量少，成本较高，满足不了工业化生产的要求。而商业化生产的P25粉，平均晶粒尺寸为25nm，分散度较高，成本低廉，适合用来做纳米晶电极材料。而P25粉末在液相中会发生团聚现象，难以制备比表面积较大的光阳极，导致电池转换效率较低，而且制备的多孔电极基本不透明，限制了其在制备透明器件方面的应用。
【发明内容】
[0003]本发明为了解决物理研磨分散P25型钛白粉产量低、时间长、不彻底，而且容易引入杂质，以及制备松油醇系浆料过程复杂等问题，通过化学的方法实现了 P25纳米粉末的自发分散，并制备出了一种无高分子添加剂的水-乙醇系丝网印刷用浆料。
[0004]本发明按照如下步骤制备染料敏化太阳能电池浆料:
一、将P25型粉末分散到水或乙醇中，配置成10?20wt.% 二氧化钛悬浊液，再加入冰乙酸作为钛白粉的表面改性剂，冰乙酸在悬浊液的浓度为I?5wt.%。另外，冰乙酸与P25的质量比例要小于10:1，才能保证冰乙酸在P25粉末表面的充分吸附。
[0005]二、将步骤一得到的P-25型钛白粉、醋酸、乙醇或水的混合溶液升温至80?90°C并保持10?24h，发生表面改性反应。
[0006]三、在真空干燥箱中，在50?70°C条件下将步骤二的混合物烘干，得到经过表面改性的粉末。
[0007]四、将步骤三得到的粉末在超声条件下(10ff超声机，5?10分钟)分散到水溶液中，配置成浓度为30?45 wt.%的二氧化钛胶体，再加入含有0.05?0.2wt.%盐酸的乙醇溶液，制备粘稠的二氧化钛浆料，控制含盐酸的乙醇用量为二氧化钛胶体体积的3-4倍。
[0008]本发明是在一定温度下，使醋酸吸附在P25型二氧化钛纳米粉末表面，粉末分散在水溶液中时，醋酸根离子从表面电离，从而纳米颗粒表面带上一定量的静电荷，由于排斥力的存在，使纳米颗粒自发的分散开，以化学的方式解决了团聚的问题。用水和乙醇作为溶齐U，利用纳米粒子的凝絮过程来制备粘稠浆料，替代了使用高分子增稠剂的过程，保证了多孔电极的纯度和多孔性。本发明简单实用，由于P25型粉末成本低廉，用浆料制备的电极呈透明状，整个过程周期短，工艺简单，易于实现大规模工业化生产。
【附图说明】
[0009]图1为P25粉末在表面改性前的粒度分布图；
图2为P25粉末在表面改性后的粒度分布图；
图3带电粒子形成双电荷层后出现的排斥现象和电荷层被破坏后发生的凝絮现象；
图4为用醋酸改性前后的粉末制备的薄膜电极；
图5为经过表面改性前后薄膜电极紫外可见透过吸收曲线；
图6为多孔电极扫描电镜图片；
图7为薄膜的截面照片；
图8为用醋酸改性前后的粉末制备的染料敏化太阳能电池在AMl.5光照下的1-V曲线。
【具体实施方式】
[0010]下面结合附图对本发明的技术方案作进一步的说明，但并不局限如此，凡是对本发明技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的保护范围中。
[0011]【具体实施方式】一:本实施方式按照如下步骤制备染料敏化太阳能电池浆料:
一、称取1gP25粉末，分散到40ml去离子水中，加入2.5ml冰乙酸(分析纯99.5wt.%)，搅拌均勻；
二、用保鲜膜将混合液密封后，放入恒温箱中升温到90°C，保温12h；
三、将反应后的混合液，放入干燥箱中，恒温60°C干燥；
四、称取0.5g改性后的粉末,分散到0.6ml去离子水中，超声5min ；
五、缓慢加入2ml含有0.1wt.%的盐酸的酒精溶液，使得二氧化钛胶体转变成粘稠的胶体；
六、使用丝网印刷法在清洗干净的导电玻璃上涂覆一层浆料，自然干燥以后撕去胶带，放入管式炉中以20°C /min速度，上升到450°C保温lOmin，冷却后取出，再重复次过程，使多孔电极的厚度达到约14微米；
七、将电极放入管式炉中以20°C/min速度，上升到500°C保温30min，冷却后取出。
[0012]由图1-2可以看出，P25粉末在没经过处理，直接溶解到水中，粒度分布图中出现两个峰，溶液中存在尺寸约为10nm和400nm的两种粒子，说明纳米颗粒在水相中发生了团聚。P25粉末经过醋酸处理以后，分散到去离子水中，纳米颗粒尺寸主要分布在40nm左右，这说明纳米颗粒的分散程度非常好。
[0013]我们对化学分散的原理进行了模拟，醋酸对二氧化钛进行表面改性后，使二氧化钛表面形成电荷层，产生静电斥力，根据静电排斥稳定机理(DLVO理论)，带电粒子溶于极性介质(如水)后，在固体与溶液接触的界面上形成双电层，粒子周围被离子氛所包围，粒子之间会由于相同的电荷产生排斥作用，阻止团聚发生，实现粒子分散。当加入一些强电解质，释放出的电荷将纳米粒子的双电荷层破坏，粒子发生凝絮反应，使得液态二氧化钛液态胶体转变为粘稠的浆料(图3)。
[0014]由图4-5可以看出，未经过表面改性的粉末制备的电极基本不透明，而经过表面改性后的粉末制备出的电极呈透明的状态，说明薄膜中很少含有尺寸大于可见光波长的粒子或孔隙对可见光造成强散射。
[0015]由图6可以看出纳米二氧化钛颗粒的尺寸为20nm左右，分散度较高，保持了大量尺寸为1nm左右的孔隙，这些孔隙不仅可以增大薄膜的比表面积，提高染料吸附量，而且能为电解液中的电解质提供了良好的扩散通道，保证染料在光电转换时得到迅速再生。由图7可知该电极厚度约13.5 μ m，符合电解质扩散长度不超过20 μ m的要求。
[0016]从图8中可以看出，未经过醋酸表面改性的粉末制备的染料敏化太阳能电池光电性能为Jsc=Il.8mA/cm2，Voc=745mV, FF=68%, η =6.0% ;经过表面改性以后，电池的光电性能得到了大幅的提高，其光电性能为:Jsc=16.1mA/cm2，Voc=757mV, FF=0.67，η=8.1%。这是由于粉末经过充分分散以后，其表面积得到了大幅的提高，其吸附染料的能力得到了提闻，从而使得电极光电转换效率得到了提闻。
[0017]【具体实施方式】二:本实施方式按照如下步骤制备染料敏化太阳能电池浆料:
一、称取1gΡ25粉末，分散到40ml乙醇(分析纯)中，加入2.5ml冰乙酸(分析纯99.5wt.%)，搅拌均勻；
二、用保鲜膜将混合液密封后，放入恒温箱中升温到80°C，保温12h；
三、将反应后的混合液，放入干燥箱中，恒温60°C干燥；
四、称取0.5g改性后的粉末,分散到0.6ml去离子水中,超声5分钟；
五、缓慢加入2ml含有0.1wt.%的盐酸的酒精溶液，使得二氧化钛胶体转变成粘稠的胶体；
六、使用丝网印刷法在清洗干净的导电玻璃上涂覆一层浆料，自然干燥以后撕去胶带，放入管式炉中以20°C /min速度，上升到450°C保温lOmin，冷却后取出，再重复次过程，使多孔电极的厚度达到约14微米；
七、将电极放入管式炉中以20°C/min速度，上升到500°C保温30min，冷却后取出。
【主权项】
1.一种制备染料敏化太阳能电池浆料的化学方法，其特征在于所述方法步骤如下: 一、将P25型钛白粉分散到水或乙醇中，配置成10?20wt.% 二氧化钛悬浊液,然后加入冰乙酸作为钛白粉的表面改性剂，冰乙酸在悬浊液的浓度为I?5wt.% ； 二、将步骤一得到的混合溶液升温至80?90°C并保持10?24h，发生表面改性反应； 三、在真空干燥箱中，将步骤二的混合物烘干，得到经过表面改性的粉末； 四、将步骤三得到的粉末在超声条件下分散到水溶液中，配置成浓度为30?45wt.%的二氧化钛胶体，再加入含有0.05?0.2wt.%盐酸的乙醇溶液，制备粘稠的二氧化钛浆料，控制含盐酸的乙醇用量为二氧化钛胶体体积的3?4倍。
2.根据权利要求1所述的制备染料敏化太阳能电池浆料的化学方法，其特征在于所述步骤一中，控制冰乙酸与P25型钛白粉的质量比小于10:1。
3.根据权利要求1所述的制备染料敏化太阳能电池浆料的化学方法，其特征在于所述步骤三中，干燥温度为50?70°C。
4.根据权利要求1所述的制备染料敏化太阳能电池浆料的化学方法，其特征在于所述步骤四中，超声条件为:100W超声机，超声时间5?10分钟。
【专利摘要】一种制备染料敏化太阳能电池浆料的化学方法，涉及一种染料敏化太阳能电池浆料的制备方法。所述方法步骤如下：一、将P25型钛白粉分散到水或乙醇中，然后加入冰乙酸作为钛白粉的表面改性剂；二、将步骤一得到的混合溶液升温至80～90℃并保持l0～24h；三、在真空干燥箱中，将步骤二的混合物烘干，得到经过表面改性的粉末；四、将步骤三得到的粉末在超声条件下分散到水溶液中，再加入含有0.05～0.2wt.%盐酸的乙醇溶液，制备粘稠的二氧化钛浆料。本发明简单实用，由于P25型粉末成本低廉，用浆料制备的电极呈透明状，整个过程周期短，工艺简单，易于实现大规模工业化生产。
【IPC分类】H01L51-48, H01M14-00, H01G9-04
【公开号】CN104538184
【申请号】CN201410716698
【发明人】王金忠, 颜源, 李洪涛
【申请人】哈尔滨工业大学
【公开日】2015年4月22日
【申请日】2014年12月2日