一种能在夜晚发电的全天候太阳能电池及其制备方法和应用
【专利摘要】本发明提供了一种能在夜晚发电的全天候太阳能电池及其制备方法和应用，本发明具体是将染料敏化太阳能电池与长余辉材料结合，形成在白天和夜晚均可发电的全天候太阳能电池，本发明充分利用长余辉材料在白天吸收太阳光，在夜晚激发荧光的特点以及发光时间长、发光强度高的优势，克服了传统太阳能电池在暗环境条件下无法发电的缺点，赋予太阳能电池在暗环境中发电的性能，真正实现太阳能电池的全天候发电；而且，本发明太阳能电池制备工艺简单、发电时间长、稳定性高、成本低廉，具有重要的实用价值和经济价值。
【专利说明】
一种能在夜晚发电的全天候太阳能电池及其制备方法和应用
技术领域
[0001] 本发明属于太阳能电池技术领域，具体涉及一种能在夜晚发电的全天候太阳能电 池及其制备方法和应用。
【背景技术】
[0002] 染料敏化太阳能电池是一种由多孔二氧化钛纳米晶光阳极、敏化染料、Γ/?3_电解 质和对电极组成的可将太阳能转变为电能的电化学装置，具有稳定性好，制备工艺简单，清 洁无污染等优点。但其只能在白天阳光充足的条件下使用，这使得其应用范围和发电量大 大减小，因此开发一种可以在夜晚发电的全天候染料敏化太阳能电池具有十分重要的意 义。
【发明内容】
[0003] 本发明的目的是针对传统染料敏化太阳能电池无法在暗环境中发电的缺点，提供 了一种能在夜晚发电的全天候太阳能电池及其制备方法和应用。本发明将长余辉材料旋涂 于介孔二氧化钛薄膜上，共同组装成染料敏化太阳能电池。本发明一方面可以使得染料敏 化太阳能电池在夜晚最大程度利用荧光，提高电池的发电量;另一方面，长余辉材料成本低 廉、工艺成熟，可以使染料敏化太阳能电池在黑暗环境发电。
[0004] 为实现上述发明目的，本发明采用以下技术方案予以实现：
[0005] -种能在夜晚发电的全天候太阳能电池的制备方法，所述制备方法包括以下步 骤：
[0006] (1 )、制备二氧化钛胶体，将二氧化钛胶体均匀涂于FT0玻璃基体上得到二氧化钛 薄膜；
[0007] (2)、将长余辉材料均匀分散在乙醇中，配制长余辉材料浆料；
[0008] (3)、将所述长余辉材料浆料均匀旋涂在步骤(1)中的二氧化钛薄膜上，经煅烧，获 得长余辉材料/介孔二氧化钛薄膜；
[0009] (4)、将所述长余辉材料/介孔二氧化钛薄膜浸入染料溶液中进行吸附，制备得到 染料敏化长余辉材料/介孔二氧化钛光阳极；
[0010] (5)、将对电极和所述染料敏化长余辉材料/介孔二氧化钛光阳极组合，并在中间 注入含有171厂氧化还原电对的液体电解质，组装成所述能在夜晚发电的全天候太阳能电 池。
[0011] 进一步的:所述步骤(1)中控制二氧化钛薄膜的膜厚度为5~15微米。
[0012] 进一步的:所述步骤(2)中所述长余辉材料衆料的浓度为0.125~0.3g/mL。
[0013] 进一步的:所述步骤(2)中采用的长余辉材料粒径为1~5微米。
[0014]进一步的:所述步骤(3)中旋涂转速为2500~3000转/分钟，旋涂时间为10~20秒。
[0015]进一步的：所述步骤（4 )中所述长余辉材料/介孔二氧化钛薄膜浸入0.2~ 0.5mmol/L的N719染料溶液中进行吸附。
[0016] 进一步的:所述步骤(5)中的对电极为铂、铂合金、化合物、导电聚合物或碳对电极 中的一种;所述液体电解质由0.01~0.06mol/L鹏、0.08~0.12mol/L鹏化裡、0.4~0.8mol/ L四丁基碘化铵和0.4~0.6mol/L 4-叔丁基吡啶的乙腈溶液组成。
[0017] 本发明还提供了利用所述的制备方法制得的能在夜晚发电的全天候太阳能电池。
[0018] 进一步的：所述全天候太阳能电池在光照强度100mW/Cm2下的开路电压为700~ 750V、短路电流密度为15~18mA/cm2、填充因子为65~75%、光电转换效率为7~10% ;
[0019] 所述全天候太阳能电池在夜晚下的开路电压为200~400mV、短路电流密度为0.8 ~1.5mA/cm2、填充因子为60~70%、光电转换效率为20~50%。
[0020] 本发明还提供了所述的全天候太阳能电池在用于制备电池组件、电站和工艺品中 的应用。
[0021] 与现有技术相比，本发明的优点和技术效果是:本发明充分利用长余辉材料在白 天吸收太阳光以及在夜晚激发荧光的特性，将其与介孔二氧化钛薄膜复合制备光阳极，并 组装成全天候染料敏化太阳能电池，为染料敏化太阳能电池在夜晚提供光源，使其在夜晚 也能发电，使其真正实现染料敏化太阳能电池的全天候发电，从而克服传统染料敏化太阳 能电池夜晚不能发电的问题;此外，长余辉材料价格低廉，制备工艺成熟，同时具有照明与 观赏性，因此有利于本发明的商业化应用。
[0022] 本发明制备的染料敏化太阳能电池制备工艺简单、发电时间长、稳定性高、成本低 廉。本发明不仅可以用于光照下发电，还可以更广泛应用于暗环境等，具有重要的实用价值 和经济价值。
【附图说明】
[0023] 图1为本发明所制备的全天候染料敏化太阳能电池示意图，其中a:全天候染料敏 化太阳能电池的结构以及在白天的发光示意图；b:绿色荧光的全天候染料敏化太阳能电池 的结构以及在夜晚的发光示意图；c:紫色荧光的全天候染料敏化太阳能电池的结构以及在 夜晚的发光示意图；d:蓝色荧光的全天候染料敏化太阳能电池的结构以及在夜晚的发光示 意图；e:蓝绿色荧光的全天候染料敏化太阳能电池的结构以及在夜晚的发光示意图；f:白 色焚光的全天候染料敏化太阳能电池的结构以及在夜晚的发光示意图；g:红色焚光的全天 候染料敏化太阳能电池的结构以及在夜晚的发光示意图。
[0024] 图2为传统染料敏化太阳能电池以及本发明所制备的全天候染料敏化太阳能电池 在模拟太阳光照下和暗环境下的J-V曲线。
[0025] 图3为传统染料敏化太阳能电池以及本发明所制备的全天候染料敏化太阳能电池 在暗环境下的J-V曲线。
[0026] 图4为传统染料敏化太阳能电池以及本发明所制备的全天候染料敏化太阳能电池 的(a)阻抗谱和(b)波特谱。
[0027] 图5为本发明所使用的介孔二氧化钛薄膜的吸收谱图。
[0028] 图6为本发明所使用的长余辉材料的发射谱图。
[0029] 图7为本发明所用全天候染料敏化太阳能电池在夜晚的观赏性展示，其中图7a、图 7b、图7c、图7d、图7e、图7f分别代表太阳能电池夜晚发出的光依次为绿色、紫色、蓝色、蓝绿 色、白色、红色。
【具体实施方式】
[0030] 下面结合【具体实施方式】对本发明的技术方案作进一步详细的说明。
[0031] 实施例1
[0032] -、本发明所述的能在夜晚发电的全天候太阳能电池的制备方法具体包括以下步 骤：
[0033] 1、采用溶胶-水热法制备二氧化钛胶体，将二氧化钛胶体涂于FT0玻璃基体上制得 二氧化钛薄膜，控制膜厚度为10微米；
[0034] 2、将长余辉材料均匀分散在乙醇中，配制浓度为0.25g/mL的长余辉材料浆料；
[0035] 3、采用旋涂法，将步骤2中的所述长余辉材料浆料均匀旋涂在步骤1制得的二氧化 钛薄膜上(旋涂转速为3000转/分钟，旋涂时间为20秒），经450°C煅烧30分钟，获得长余辉材 料/介孔二氧化钛薄膜；
[0036] 4、将步骤3制备的所述长余辉材料/介孔二氧化钛薄膜浸入0.25mmol/L的N719染 料溶液中吸附24小时，制备得到染料敏化长余辉材料/介孔二氧化钛光阳极；
[0037] 5、将步骤4制备的所述染料敏化长余辉材料/介孔二氧化钛光阳极与对电极组合， 并在中间注入液体电解质组装成全天候太阳能电池。所述对电极为铂、铂合金、化合物、导 电聚合物或碳对电极中的一种;所述液体电解质包括〇 · 01~〇 · 〇6mol/L碘、0.08~0 · 12mol/ L碘化锂、0.4~0.8mol/L四丁基碘化铵和0.4~0.6mol/L 4-叔丁基吡啶的乙腈溶液。
[0038] 根据上述方法，获得的所述能在夜晚发电的全天候太阳能电池在模拟太阳光照 (光照强度：100mW/cm2)下的开路电压为700~750mV、短路电流密度为15~18mA/cm 2、填充因 子为65~75%、光电转换效率为7~10%。在夜晚下的开路电压为200~400mV、短路电流密 度为0.01~ImA/cm 2、填充因子为60~70%、光电转换效率为20~50%。
[0039] 图1为本发明所述能在夜晚发电的全天候太阳能电池在(a)白天和(b)绿色焚光、 (c)紫色荧光、（d)蓝色荧光、（e)蓝绿色荧光、（f)白色荧光以及(g)红色荧光夜晚发电时的 示意图。从图中可以看出，全天候太阳能电池的组装方式以及相关结构。所述全天候太阳能 电池包括四部分:染料敏化的光阳极、长余辉材料、对电极以及Γ/Ι 3_电解质。其原理为：白 天光照充足时，太阳为染料敏化太阳能电池提供光源使得染料敏化太阳能电池发电，同时， 长余辉材料也会吸收光。夜晚，长余辉材料会发出荧光，为染料敏化太阳能电池在夜晚提供 光源，使其在夜晚也能发电。
[0040] 按照图1所示结构组装全天候太阳能电池，使用电化学工作站CHI660E对电池的电 化学性质进行测试，测试结果如图2、图3和图4所示。
[0041] 图2为传统的染料敏化太阳能电池以及本发明所制备的全天候太阳能电池的模拟 太阳光照下和夜晚的J-V曲线。从图2中可以看出采用长余辉材料/介孔二氧化钛复合光阳 极的染料敏化太阳能电池在夜晚可以发电，但由于长余辉光强较弱，因此其电流密度较小。 另外，在二氧化钛表面旋涂一层长余辉材料，可以阻挡光阳极激发的电子与1_/1 3_电解质重 新复合，从而开路电压增大。由于长余辉材料颗粒度较大，光阳极激发的电子需要穿过长余 辉材料以及二氧化钛薄膜才能到达FT0玻璃传入外电路，延长了电子传输时间，某些电子发 生猝灭，从而降低了电池的短路电流密度。经过计算，传统的染料敏化太阳能电池的效率可 以达到8.294%，全天候染料敏化太阳能电池的效率依次为:绿光的效率为7.731 %，紫光的 效率为7.359 %，蓝光的效率为7.230 %，蓝绿光的效率为7.112 %，白光的效率为6.694 %， 红光的效率为6.418%。本发明所述全天候太阳能电池达到染料敏化太阳能电池商业化应 用的标准(效率大于5%)。
[0042]图3为传统染料敏化太阳能电池以及本发明所制备的全天候太阳能电池的暗环境 下的J-V曲线。从图3中可以进一步看出，所述全天候太阳能电池是可以在暗环境下发电的。 其电流密度与传统的染料敏化太阳能电池暗电流密度有明显区别。其中短路电流密度，开 路电压以及填充因子依次是绿光，紫光，蓝光，蓝绿光，白光，红光。相关数据见表1。这一结 果证明本发明是可以实现在夜晚发电的全天候太阳能电池。
[0043]表1传统的染料敏化太阳能电池以及全天候太阳能电池光伏参数
[0044]
[0045] 图4为传统的染料敏化太阳能电池以及本发明所制备的全天候太阳能电池的（a) 阻抗谱和(b)波特谱。从图4a中看出，本发明所制备的全天候太阳能电池的阻抗图都是由三 个半圆组成，分别由Γ/Ι厂电解质/对电极界面传输电阻、ΓΛ厂电解质/光阳极界面传输电 阻以及扩散电阻组成。接触电阻为阻抗曲线与X轴的交点。从图4a中看出，在介孔二氧化钛 薄膜上引入长余辉材料，对染料敏化太阳能电池的电阻影响并不显著。根据公式1 = 1/2对， 其中τ表示电子寿命，f表示波特谱图中低频峰峰位，得出电子由电解质经过长余辉材料以 及二氧化钛薄膜传输到FT0玻璃的寿命略微减小。相关数据见表2。
[0046] 表2传统染料敏化太阳能电池与全天候太阳能电池阻抗以及电子寿命
[0047]
[0049] 图5为本发明所使用的介孔二氧化钛薄膜的吸收谱图。从图5中可以看出，介孔二 氧化钦薄膜可吸收波长为350nm~600nm，500~540nm和390~440nm处有两个较强的吸收 峰。
[0050] 图6为本发明所应用的长余辉材料的发射谱图。从图6中可以看处，长余辉材料发 射峰为:绿光为450~600nm，峰位为500~520nm;紫光为380~520nm，峰位为430~450nm;蓝 光为420~560]1111，峰位为460~48011111;蓝绿光为420~56011111，峰位为460~49011111;白光为410 ~580nm，峰位为460~480nm;红光为585~640nm，峰位为590~595nm、613~618nm以及623 ~628nm。
[0051] 从图5和图6中可以得出，所使用的长余辉材料发射波长均在介孔二氧化钛薄膜可 吸收的波长范围内。其中绿光与紫光的发射波长与二氧化钛薄膜的最强吸收峰对应，因此， 发出绿光和紫光的长余辉材料组装的全天候太阳能电池在暗环境下得到较大的短路电流 密度和开路电压。
[0052] 图7为本发明所用全天候太阳能电池在夜晚的观赏性展示。大面积使用长余辉材 料时制备的染料敏化太阳能电池有观赏性的同时，可以当做照明使用。
[0053] 以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其进行限制；尽管参照前述实 施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的普通技术人员来说，依然可以对前述实施 例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换;而这些修改或替 换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明所要求保护的技术方案的精神和范围。
【主权项】
1. 一种能在夜晚发电的全天候太阳能电池的制备方法，其特征在于所述制备方法包括 以下步骤： (1 )、制备二氧化钛胶体，将二氧化钛胶体均匀涂于FTO玻璃基体上得到二氧化钛薄膜； (2) 、将长余辉材料均匀分散在乙醇中，配制长余辉材料浆料； (3) 、将所述长余辉材料浆料均匀旋涂在步骤(1)中的二氧化钛薄膜上，经煅烧，获得长 余辉材料/介孔二氧化钛薄膜； (4) 、将所述长余辉材料/介孔二氧化钛薄膜浸入染料溶液中进行吸附，制备得到染料 敏化长余辉材料/介孔二氧化钛光阳极； (5) 、将对电极和所述染料敏化长余辉材料/介孔二氧化钛光阳极组合，并在中间注入 含有Γ/Ι3_氧化还原电对的液体电解质，组装成所述能在夜晚发电的全天候太阳能电池。2. 根据权利要求1所述的能在夜晚发电的全天候太阳能电池的制备方法，其特征在于： 所述步骤(1)中控制二氧化钛薄膜的膜厚度为5~15微米。3. 根据权利要求1所述的能在夜晚发电的全天候太阳能电池的制备方法，其特征在于： 所述步骤(2)中所述长余辉材料浆料的浓度为0.125~0.3 g/mL。4. 根据权利要求1所述的能在夜晚发电的全天候太阳能电池的制备方法，其特征在于： 所述步骤(2)中采用的长余辉材料粒径为1~5微米。5. 根据权利要求1所述的能在夜晚发电的全天候太阳能电池的制备方法，其特征在于： 所述步骤(3)中旋涂转速为2500~3000转/分钟，旋涂时间为10~20秒。6. 根据权利要求1所述的能在夜晚发电的全天候太阳能电池的制备方法，其特征在于： 所述步骤(4)中所述长余辉材料/介孔二氧化钛薄膜浸入0.2~0.5 mmol/L的N719染料溶液 中进行吸附。7. 根据权利要求1所述的能在夜晚发电的全天候太阳能电池的制备方法，其特征在于： 所述步骤(5)中的对电极为铂、铂合金、化合物、导电聚合物或碳对电极中的一种;所述液体 电解质由0.01~0.06 mol/L碘、0.08~0.12 mol/L碘化锂、0.4~0.8 mol/L四丁基碘化铵和 0.4~0.6 mol/L 4-叔丁基吡啶的乙腈溶液组成。8. 权利要求1~7任一项所述的制备方法制得的能在夜晚发电的全天候太阳能电池。9. 根据权利要求8所述的能在夜晚发电的全天候太阳能电池，其特征在于:所述全天候 太阳能电池在光照强度lOOmW/cm2下的开路电压为700~750V、短路电流密度为15~18mA/cm 2、 填充因子为65~75%、光电转换效率为7~10%; 所述全天候太阳能电池在夜晚下的开路电压为200~400mV、短路电流密度为0.8~ 1.5mA/cm2、填充因子为60~70%、光电转换效率为20~50%。10. 权利要求8所述的全天候太阳能电池在用于制备电池组件、电站和工艺品中的应 用。
【文档编号】H01G9/20GK105895377SQ201610407919
【公开日】2016年8月24日
【申请日】2016年6月7日
【发明人】唐群委, 王静, 段艳艳, 贺本林
【申请人】中国海洋大学