专利名称：一种太阳能电池柔性光阳极组件及其制备方法
技术领域：
本发明涉及一种太阳能电池柔性光阳极组件及其制备方法，属于太阳能电池
背景技术：
太阳能是一种取之不尽的环保、清洁能源，因而各国都在积极开发利用这种能源。1991年瑞士洛桑工学院Gratzel教授领导的太阳能研究小组开发研制成功了染料敏化太阳能电池，简称为DSSC。在Gratzel等人对该种光电池的不断改进下，这种电池的光电转化率达到了10％。与现在普遍采用的硅太阳能电池相比，这种电池制造成本非常低，只有硅太阳能电池的1/10。由于成本上的优势，使这种电阳能电池的前景非常看好。
光阳电极是这种太阳能光电池的核心部件，它是由在导电玻璃的导电层上烧结形成一层TiO2薄膜，并经特殊的光无机氧化物敏化剂染料进行染色，从而构成光阳电极。研究表明除了TiO2外，由ZnO、SnO2、WO3等无机金属氧化物的纳米粒子制成的薄膜，在浸染敏化染料后都具有光电转化功能。
由这种太阳能电池的的结构可知，光必须依次通过玻璃、导电层再到吸附在TiO2粒子表面的敏化染料上，光能才能转化成电能。玻璃基材只是起透光和承载导电层及其上的TiO2膜的作用。国内专利CN1564326A所公开的用透光的镀有导电层的聚脂膜来替代导电玻璃基材，目的在于制备柔性化的太阳能电池。柔性的光电池便于加工，可以按人们的要求可将这种光电池做成各种形状，因而使其被使用的场所增加，特别是在建筑物外表面上有将更多的应用。同时这种光电池不怕捽，因而更易于被运输。要想制造柔性的染料敏化太阳能电池，首先要制备柔性的光阳极，然后再配合相应的柔性对电极就能制成柔性的染料敏化太阳能光电池。相对来说对电极易实现柔性化，一般的方法是在以聚脂膜为基材的导电膜上用电镀或真空镀膜的方法镀2μm厚的铂层。因而光阳极的柔性化是实现染料敏化太阳能光电池的关键。但由于聚脂材料PET的玻璃化温度为238℃-240℃，因而无法用烧结的方法在其表面上制备TiO2膜。
目前采用不耐高温的聚脂膜来做光阳极的基材存在如下主要的缺点(1)由于基材不耐高于240℃高温，所以不能将配制TiO2溶胶时加入的的有机物采用高温分解的方法去除。没有添加机溶剂的TiO2溶胶不利于TiO2纳米粒子的充分分散和TiO2溶胶在基材表面的铺展，因而成膜性不好。(2)由于不能采用高温烧结，所以TiO2膜表身的强度及其与基材间的结合力都很低。甚至在用敏化染料溶液进行染色时，由于液体的溶胀作用都会使TiO2膜从聚脂膜基材表面脱落。
发明内容
针对上述存在问题，本发明的目的是提供一种太阳能电池柔性光阳极组件及其制备方法。其技术解决方案为一种太阳能电池柔性光阳极组件，光阳极组件是由用金属纤维长丝构成的织物为导电基体，金属长纤维的外表面上镀有导电并耐碘氧化的防护层，在防护层的外表面上覆有由无机氧化物纳米粒子构成的薄膜。
太阳能电池柔性光阳极组件加工的具体步骤为(A)采用磁控溅射镀膜机在金属长纤维表面镀一层厚度小于500nm的铟锡氧化物层。
(B)将无机氧化物纳米粒子溶于去离子水中，并加入乙酰丙酮和曲拉通。胶体溶液中无机氧化物与水的质量比为2.5∶4～3∶4。乙酰丙酮和曲拉通的含量分别为1％和0.5％。
(C)将经过步骤(A)处理的金属长纤维放入由步骤(B)配制成的溶胶中提拉成膜，并将湿膜在100℃干燥5min。
(D)将经过步骤(C)处理的金属长纤维放入高温电炉中，以5℃/min的升温速率加热到500℃，保温1h，自然冷却。
(E)采用针织或机织的方法，将经过步骤(D)处理的金属纤维长纤维编织成的金属织物。
(F)将经步骤(E)制成的金属织物放入配置好的敏化染料溶液中，浸染24h后取出，再用无水乙醇洗去金属织物上的浮色，制成柔性的染料敏化太阳能电池光阳极。
由于采用了以上技术方案，本发明制备的太阳能电池柔性光阳极组件一方面利用金属纤维织物的可挠性实现了光阳极的柔性化，另一方面利用金属材料的耐高温性，可以通高温烧结的途径来制备具有TiO2膜，TiO2膜本身强度及其与基材结合力都得到的增加。此种方案解决在使光阳极柔性化时，因采用有机高分子膜为基材造成无机金属氧化物膜与基材之间结合力差的问题，用这种光阳极制成的敏化柔性太阳能电池在弯曲变形时仍能保持稳定的工作状态。
图1是染料敏化太阳能电池的光阳极的截面结构图。
图2是图1的平面图，织物组织为平纹。
具体实施例方式
一种太阳能电池柔性光阳极组件，光阳极组件是由用金属纤维长丝1，2构成的织物为导电基体，金属长纤维1，2的外表面上镀有导电并耐碘氧化的防护层3，在防护层3的外表面上覆有由无机氧化物纳米粒子构成的薄膜4。金属纤维长纤维1、2可以是包括镍、铬、钽、铂等在内的，熔点在1000℃以上，耐氧化性能强金属材料。金属长纤维1、2的直径在20μm-100μm。防护层3是三氧化二铟与二氧化锡的混合物，三氧化二铟与二氧化锡的质量百分比为90∶10～95∶5。无机氧化物层4可以是二氧化钛、氧化锌、二氧化锡等材料，纳米粒子的直径为10nm-600nm。
一种制备染料敏化太阳能电池的柔性光阳极的制备方法，其加工制备方法如下(A)采用磁控溅射镀膜机在直径在20μm-100μm金属长纤维表面镀一层厚度小于500nm的铟锡氧化物层。金属纤维长纤维1，2可以是包括镍、铬、钽、铂等在内的，熔化温度在1000℃以上，耐氧化性能强金属材料。另可采用溶胶-凝胶法在金属长纤维表面镀铟锡氧化物层。将硝酸铟晶体溶入乙酰丙酮中得棕黄色乙酰丙酮铟溶胶，将氯化锡溶入乙醇中，再将此溶液按一定的配比加入到乙酰丙酮铟溶胶中，使其混合均匀，最后得到掺有Sn元素的稳定溶胶。将金属长纤维放入溶胶提拉挂膜，等膜干燥后放入高温电炉中，500℃热处理10min，降温。两种处理镀膜方法要保证三氧化二铟与二氧化锡的混合物，三氧化二铟与二氧化锡的质量百分比为90∶10～95∶5。
(B)将无机氧化物纳米粒子溶于去离子水中，并加入乙酰丙酮和曲拉通。胶体溶液中无机氧化物与水的质量比为2.5∶4～3∶4。乙酰丙酮和曲拉通的含量分别为1％和0.5％。无机氧化物层可以是二氧化钛、氧化锌、二氧化锡等材料，纳米粒子的直径为10nm-600nm。无机氧化物纳米粒子构成的薄膜的厚度在5μm-30μm之间。
(C)将经过步骤(A)处理的金属长纤维放入由步骤(B)配制成的溶胶中提拉成膜，并将湿膜在100℃干燥5min。
(D)将经过步骤(C)处理的金属长纤维放入高温电炉中，以5℃/min的升温速率加热到500℃，保温1h，自然冷却。
(E)采用针织或机织的方法，将经过步骤(D)处理后的金属纤维长纤维编织成金属织物。金属织物的总紧度大于60％，而小于100％。金属织物的组织可采用机织方法用的平纹，斜纹，缎纹及变化组织，或针织编织时采用的经编或纬编的各种组织。
(F)将经步骤(E)制成的金属织物放入配置好的敏化染料溶液中，浸染24h后取出，再用无水乙醇洗去金属织物上的浮色，制成柔性的染料敏化太阳能电池光阳极。
通过下面实施例有助于进一步理解本发明。
实施例1基材采用镍金属长纤维，其直径80μm，按上所述的制备方法在镍金属长纤维表面镀一层厚度为300nm铟锡氧化物层，三氧化二铟与二氧化锡的质量百分比为90∶8。将12克直径为25nm的TiO2纳米粒子加入到20克去离子水中并不断搅拌配制成溶胶。并在该溶液加入1克乙酰丙酮和2克的曲拉通做为乳化剂。将镀有铟锡氧化物层的金属长纤维放入已配好的二氧化钛溶胶中提拉成膜。将干燥后的挂有TiO2纳米粒子的金属织物放在高温电炉中，以5℃/min的升温速率加热到500℃，保温1h，自然冷却至。TiO2纳米粒子膜的厚度为6μm。将经过上述过程处理的经属长纤维用小样织机织成织物。织物组织采用平纹，得到截面结构如图1所示的织物。将织好的织物放入含有敏化染料的溶液中浸染24h后取出，用无水乙醇将表面的浮色洗去，制成光阳极。
实施例2基材采用铬金属长纤维，其直径50μm，按实施例1相同的制备方法对铬金属长纤维进行加工处理。但织物的编织组织采用缎纹。由于经纱与纬纱的交织点减小，所以纱线在织物中的曲屈度下降，纱线表面的TiO2膜所受内应力下降。因而实施例2要比实施例1效果好。
权利要求
1.一种太阳能电池柔性光阳极组件，其特征在于光阳极组件是由用金属长纤维(1)、(2)构成的织物为导电基体，金属长纤维(1)、(2)的外表面上镀有导电并耐碘氧化的防护层(3)，在防护层(3)的外表面上覆有由无机金属氧化物纳米粒子构成的薄膜(4)。
2.如权利要求1所述的一种太阳能电池柔性光阳极组件，其特征在于金属纤维长纤维(1)、(2)可以是包括镍、铬、钽、铂等在内的，熔点在1000℃以上，耐氧化性能强金属材料。
3.如权利要求1所述的一种太阳能电池柔性光阳极组件，其特征在于金属长纤维(1)、(2)的直径在20μm-100μm。
4.如权利要求1所述的一种太阳能电池柔性光阳极组件，其特征在于防护层(3)是三氧化二铟与二氧化锡的混合物，三氧化二铟与二氧化锡的质量百分比为90∶10～95∶5。
5.如权利要求1所述的一种太阳能电池柔性光阳极组件，其特征在于无机氧化物层(4)可以是二氧化钛、氧化锌、二氧化锡等材料，纳米粒子的直径为10nm-600nm。
6.一种制备染料敏化太阳能电池的柔性光阳极的制备方法，其特征在于可采用以下步骤加工制备(A)在金属长纤维表面镀一层厚度小于500nm的铟锡氧化物层。(B)将无机氧化物纳米粒子溶于去离子水中，并加入乙酰丙酮和曲拉通。胶体溶液中无机氧化物与水的质量比为2.5∶4～3∶4。乙酰丙酮和曲拉通的含量分别为1％和0.5％。(C)将经过步骤(A)处理的金属长纤维放入由步骤(B)配制成的溶胶中提拉成膜，并将湿膜在100℃干燥5min。(D)将经过步骤(C)处理的金属长纤维放入高温电炉中，以5℃/min的升温速率加热到500℃，保温1h，自然冷却。(E)采用针织或机织的方法，将经过步骤(D)处理后的金属纤维长纤维编织成金属织物。(F)将经步骤(E)制成的金属织物放入配置好的敏化染料溶液中，浸染24h后取出，再用无水乙醇洗去金属织物上的浮色，制成柔性的染料敏化太阳能电池光阳极。
7.如权利要求6所述制备方法，其特征在于金属织物的总紧度大于60％，而小于100％。金属织物的组织可采用机织方法用的平纹，斜纹，缎纹及变化组织，或针织编织时采用的经编或纬编的各种组织。
8.如权利要求6所述制备方法，其特征在于无机氧化物纳米粒子构成的薄膜的厚度在5μm-30μm之间。
全文摘要
本发明涉及一种太阳能电池柔性光阳极组件及其制备方法，属于太阳能电池技术领域。光阳极组件的结构是由用金属长纤维构成的织物为导电基体，金属长纤维的外表面上镀有导电并耐碘氧化的防护层、在防护层的外表面上覆有由无机金属氧化物纳米粒子构成的薄膜。由这种金属长纤维编织成织物，将其浸染敏化染料制成染料敏化太阳能电池的光阳极。本发明解决在使光阳极柔性化时，因采用有机高分子膜为基材造成无机金属氧化物膜与基材之间结合力差的问题，用这种光阳极制成的敏化柔性太阳能电池在弯曲变形时仍能保持稳定的工作状态。
文档编号H01L31/18GK1851933SQ20061001913
公开日2006年10月25日 申请日期2006年5月24日 优先权日2006年5月24日
发明者徐卫林, 沈小林, 杨红军, 崔卫钢 申请人:武汉科技学院