一种染料敏化太阳能电池光阳极的制作方法
【专利摘要】本实用新型公开了一种染料敏化太阳能电池光阳极，为5层叠层结构，依次为导电基体、第一致密层、传输层、第二致密层、散射层。本实用新型料敏化太阳能电池光阳极采用了五层层叠结构，在导电基体和传输层间设有致密层，有效的抑制了导电基体上产生的电子与电解液之间所形成的暗电流，进而达到提高DSSC电池的光电转换效率的目的。本实用新型还在多孔膜外设置了一层散射层，通过大颗粒的光散射作用增加光程和对太阳光可以二次吸收，从而增加光的再次利用效率，提高DSSC的光电转换效率约20%左右。
【专利说明】—种染料敏化太阳能电池光阳极
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及一种染料敏化太阳能电池的光阳极及其制备方法，属于太阳能电池【技术领域】。
【背景技术】
[0002]太阳能作为一种新的可持续发展的清洁能源，且在目前不断出现雾霾天气的环境下，越来越受到人们的关注。在各种薄膜太阳能电池中，染料敏化太阳能电池以其制作工艺简单、便于大规模生产、成本低廉等优点愈来愈受到广泛重视。
[0003]染料敏化纳米薄膜太阳能电池主要由以下几个部分依次组成:导电玻璃(FT0)、纳米TiO2多孔膜、染料敏化层、电解质和对电极。在染料敏化太阳能电池中，多孔光阳极的性能对电池的性能的影响尤为重要，因此多年来关于光阳极的研究也越来越多。为实现尽可能多的吸附染料，同时实现与导电基底的牢固接触，并实现电子从染料激发态到导电衬底的传输以及电解质中氧化还原电对的有效传输，多孔光阳极的制备技术方面的研究报道较多。
[0004]目前多孔光阳极基本为叠层结构，吸收层为粒径较小的纳米TiO2，其对太阳光的利用率不是很高。
[0005]现有技术一:
[0006]专利申请号=2OO8IOl5O968.7
[0007]该专利阐述了一种染料敏化太阳能电池光阳极及其制备方法，采用DSSC光阳极的化学修饰法，提高染料对光阳极的敏化效果，进而提高电池转换效率，具体方法采用纳米Si02对光阳极纳米晶进行表面修饰，官能团化，增加染料的吸附量。
[0008]该制备技术的缺点:1、纳米多孔膜的制备工艺复杂；2、通过表面修饰后，影响电池中电子的传输，使电池效率得不到提高，反而降低了效率；3、纳米多孔膜中的颗粒粒径较大，不能使颗粒间更加紧密的结合，且制备单层50 μ m的多孔膜很容易龟裂。
[0009]现有技术二:
[0010]专利申请号:200510011523.7
[0011]该专利阐述了一种二氧化钛纳米晶光散射薄膜电极的制备方法。采用造孔剂与TiO2小颗粒胶体混合的方法制备TiO2浆料，并将TiO2浆料涂敷在导电基底上，热处理后即可制的TiO2纳米晶散射薄膜电极。该种纳米晶散射薄膜具有随机镶嵌分布在薄膜材料中的几百纳米空气大孔结构作为散射中心。
[0012]该制备技术的缺点:该技术只考虑了大颗粒多光的散射问题，忽略了 DSSC光阳极上半导体纳米多孔膜的主要作用是电子传输，以及染料吸附的作为，而不单单是一个对光的散射作用，因此该技术制备的电池效率很低，加入的有机高分子大颗粒物质将影响电子的传输性，以及光阳极对染料的吸附性。
实用新型内容[0013]本实用新型要解决的技术问题是克服现有的缺陷，提供了一种DSSC的光电转换效率高的染料敏化太阳能电池光阳极；
[0014]本实用新型的另一目的是提供上述染料敏化太阳能电池光阳极的制备方法；
[0015]本实用新型的又一目的是提供上述用于制备染料敏化太阳能电池光阳极的两种浆料及其制备方法。
[0016]本实用新型的目的通过以下技术方案来具体实现:
[0017]一种染料敏化太阳能电池光阳极，为5层叠层结构，依次为导电基体、第一致密层、传输层、第二致密层、散射层。
[0018]优选的，所述导电基体为FTO玻璃。
[0019]优选的，所述第一致密层和第二致密层均为一层致密TiO2膜。
[0020]优选的，所述传输层为纳米TiO2多孔膜。
[0021]优 选的，所述散射层为含有纳米级和微米级TiO2颗粒的散射膜。
[0022]进一步优选的，所述传输层的膜厚为6~15 μ m ;所述散射层的膜厚为6~12 μ m。
[0023]上述的染料敏化太阳能电池光阳极的制备方法，包括如下步骤:
[0024]I)导电基底的前处理
[0025]先用玻璃清洗剂清洗，再用丙酮超声清洗，乙醇超声清洗，最后将导电基体用去离子水冲洗干净，60°C烘干；
[0026]2)第一致密层的形成
[0027]将清洗过的导电基体置于40mmol/L的TiCl4水溶液中，70°C水浴处理l(T30min，降至室温，取出，用去离子水冲洗，烘干，即可在导电基体上形成一层致密的TiO2薄膜；
[0028]3)传输层的制备
[0029]在步骤2 )中得到的覆有致密层的导电基底上，采用70疒200T网目的丝网印刷权利要求4所述的传输层浆料，再投入马弗炉中进行高温烧结，烧结曲线为:125°C— 350°C^ 400°C^ 450°C，在 450°C下保温 l(T30min，即可；
[0030]4)第二致密层的制备
[0031]将步骤3)中已制备好传输层的光阳极再次进行TiCl4的70°C水浴处理l(T30min，降至室温，取出，用去离子水冲洗，烘干，即可在传输层外覆上致密的TiO2薄膜；
[0032]5)散射层的制备
[0033]在步骤4)处理过的光阳极上，采用4(Χ 120Τ网目的丝网印刷权利要求6所述的散射层浆料，再投入马弗炉中进行高温烧结，烧结曲线为:125°C — 350°C — 450°C — 500°C，在500°C下保温l(T30min，即可。
[0034]上述传输层浆料可从市面上购得，即商用的传输层浆料Dyesol的18NR-T。也可以选用本申请自制的传输层浆料。优选本申请自制的传输层浆料。
[0035]本申请专用的传输层浆料，包括TiO2、松油醇、乙基纤维素，且TiO2:松油醇:乙基纤维素的质量比为1:3~8:0.3^0.8，最佳质量比为1:6:0.4。
[0036]所述传输层按如下方法制得:
[0037]将20nm的锐钛矿结构的TiO2纳米颗粒分散于乙醇中，再按照上述的质量比向TiO2的乙醇中添加松油醇和12wt%的乙基纤维素乙醇溶液，通过旋蒸即得。
[0038]上述散射层浆料可从市面上购得，即商用的Dyesol生产的18NR-A0，也可以选用本申请自制的专用的传输层浆料。优选本申请自制的专用的传输层浆料。
[0039]本申请专用的散射层浆料包括TiO2、松油醇、乙基纤维素，且TiO2:乙基纤维素:松油醇的质量比为1:0.2^0.5:2~8，最佳质量比为1:0.4:4。
[0040]进一步的，所述散射层中的TiO2为l(T30nm的锐钛矿TiO2颗粒与0.2~0.4nm的锐钛矿TiO2颗粒按3飞:5^7的质量比的混合，优选l(T30nm的锐钛矿TiO2颗粒与0.4 μ m的锐钛矿TiO2颗粒按照1:3的质量比的混合。
[0041 ] 所述散射层按如下方法制得:
[0042]将TiO2颗粒与松油醇、乙基纤维素的乙醇溶液按上述的比例混合配制成乳胶状溶液，再通过旋蒸而得到粘度为2X IO5 mPa.s~3X IO5 mPa.s的TiO2散射层浆料。
[0043]其中，制备散射层浆料中所用的乙基纤维素的乙醇溶液的配制方法为:选用粘度为30~50 mPa.s (购置Sigma)的乙基纤维素配制成8wt%~15wt%的乙醇溶液,或者选用粘度为8~10 mPa.s (m9沪试)与40~100 mPa.s (m70沪试)乙基纤维素按照1:1的质量比混合配制成8wt9Tl5wt%的乙基纤维素乙醇溶液。
[0044]一种染料敏化太阳能电池，其光阳极采用上述的染料敏化太阳能电池光阳极。
[0045]本实用新型的有益效果: [0046]本实用新型料敏化太阳能电池光阳极采用了五层层叠结构，在导电基体和传输层间设有致密层，有效的抑制了导电基体上产生的电子与电解液之间所形成的暗电流，进而达到提高DSSC电池的光电转换效率的目的，第二致密层，起到链接传输层和散射层的作用，防止烧结后的产生薄膜的龟裂。本实用新型还在多孔膜外设置了一层散射层，未加入有机高分子物质，克服了现有技术中散射层的设置导致传输能力的下降缺陷，而该散射层中的大颗粒TiO2对光的散射层作用将提高电池的光电转换效率，原理是在吸收层上面再制备具有光再次利用的大颗粒的光散射层对太阳光的利用率明显提高，因此通过大颗粒的光散射作用增加光程和对太阳光可以二次吸收，从而增加光的再次利用效率，提高DSSC的光电转换效率约20%左右。
[0047]本实用新型制备方法是在导电玻璃FTO上制备一层致密TiO2膜，再丝网印刷小颗粒的TiO2多孔膜作为传输层，再在传输层上制备一层含有大颗粒的TiO2散射层浆料，经过高温烧结得到多孔的DSSC光阳极，通过在光阳极的传输层上丝网印刷散射层增加对太阳光的二次吸收，从而增加光的再次利用效率，提高DSSC的光电转换效率20%左右。可通过改善纳米多孔膜本身的颗粒尺寸和比表面积来提高染料的吸附，既简单又省事。
[0048]本实用新型的传输层浆料和散射层浆料中的TiO2均为锐钛矿结构，因为锐钛矿相TiO2较金红石相TiO2具有更好的染料吸附和电子传输的特性，因而更适合用于DSSC电池中。TiO2晶粒度对DSSC的光电转换效率也有很大的影响，一般认为，TiO2晶粒度为20nm左右时对提高DSSC的光电转换效率较为有利。散射层浆料中包括了纳米级Ti02颗粒与微米级TiO2颗粒，即起到了大颗粒的散射作用又避免了表面积的减小，避免了对染料的吸附和电子的传输性的影响。
[0049]与现有技术相比，本实用新型提供的光阳极制备的DSSC电池效率较高，光阳极在高温烧结后不易剥落，通过在传输层上制备大颗粒TiO2散射层可将电池效率提高20%，且不影响光阳极的染料吸附性和电解液的侵润性等。本技术可适用于大面积染料敏化电池的制备和生产，产业化前景广阔。[0050]经过上述处理过的FTO导电基体表面将产生一层致密的TiO2薄膜，该TiO2薄膜在电池中的作用是抑制由导电基体上产生的电子与电解液之间所形成的暗电流，进而达到提高DSSC电池的光电转换效率的目的。
【专利附图】
【附图说明】
[0051]附图用来提供对本实用新型的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本实用新型的实施例一起用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型的限制。在附图中:
[0052]图1是本实用新型染料敏化太阳能电池的光阳极结构示意图；
[0053]图2是本实用新型制备的带有散射层的光阳极制备的染料敏化太阳能电池与相同条件下未制备散射层的光阳极制备的电池的IV曲线图。
【具体实施方式】
[0054]以下结合附图对本实用新型的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。
[0055]实施例1:
[0056]一种染料敏化太阳能电池的光阳极，如图1，为5层叠层结构，依次为导电基体101、第一致密层102、传输层103、第二致密层104、散射层105。
[0057]所述导电基体101为FTO玻璃；所述第一致密层102和第二致密层104均为一层致密TiO2膜；
[0058]所述传输层103为纳米TiO2多孔膜；
[0059]所述散射层105为晶形TiO2散射膜。
[0060]所述传输层的膜厚为12 μ m ;所述散射层的膜厚为10 μ m。
[0061]其制备方法为:
[0062]I)清洗导电基底FTO玻璃；
[0063]先用玻璃清洗剂清洗，再用丙酮超声清洗，乙醇超声清洗，最后将导电基体用去离子水冲洗干净，60°C烘干；
[0064]2)第一致密层的形成
[0065]导电基体的前处理方式为将清洗过的FTO玻璃置于40mmol/L的TiCl4水溶液中，70°C水浴处理l(T30min，降至室温，取出，用去离子水冲洗，烘干，即可在FTO导电玻璃上形成一层致密的TiO2薄膜；
[0066]3)传输层的制备:
[0067]在步骤2)形成致密的TiO2薄膜的FTO导电玻璃上，采用70t-200Τ网目的丝网印刷TiO2传输层浆料，再投入马弗炉中进行高温烧结，烧结曲线为:125°C— 3500C- 4000C- 450°C，在 450°C下保温 15min，烧结后的膜厚为 12 μ m，
[0068]其中，传输层浆料的制备:将水热合成的20nm的锐钛矿结构的TiO2纳米颗粒分散于乙醇中，再按照TiO2:松油醇:乙基纤维素=1:6:0.3~0.8的质量比向TiO2的乙醇中添加松油醇和12wt%的乙基纤维素乙醇溶液；
[0069]4)第二致密层制备:
[0070]将步骤3)中已制备好传输层的光阳极再次进行TiCl4的70°C水浴处理l(T30min，具体过程同步骤2);
[0071]5)散射层制备:
[0072]在步骤4)中TiCl4处理过的光阳极上，采用40T~120T网目的丝网印刷TiO2散射层浆料，再投入马弗炉中进行高温烧结，烧结曲线为:125°C— 3500C- 4500C- 500°C，在500°C下保温30min，烧结后散射层膜厚约10 μ m，带有散射层的染料敏化太阳能电池用光阳极制备完成，
[0073]散射层浆料的制备方式为:将TiO2颗粒与松油醇、乙基纤维素按照质量比TiO2:乙基纤维素:松油醇=1:0.2^0.5:4的比例与松油醇和乙基纤维素配制成乳胶状溶液，再通过旋蒸而得到粘度为2.5*105 mPa.s的TiO2散射层浆料。
[0074]TiO2颗粒均为商业粉，购自杭州万景材料，浆料中的TiO2颗粒由30%的l(T30nm的TiO2纳米颗粒与70%的0.4 μ m的锐钛矿TiO2颗粒组成。
[0075]乙基纤维素溶液的配制方式为:选用粘度为3(T50 mPa.s (购置Sigma)的乙基纤维素溶于乙醇中，配制成12wt%的乙基纤维素乙醇溶液。
[0076]表1是使用本实用新型制备的散射层浆料制备的光阳极电池的光电性能，与相同条件下未制备散射层的光阳极制备的电池的光电性能的数据对比情况表。
[0077]表1:
【权利要求】
1.一种染料敏化太阳能电池光阳极，其特征在于:为5层叠层结构，依次为导电基体、第一致密层、传输层、第二致密层、散射层。
2.根据权利要求1所述的染料敏化太阳能电池光阳极，其特征在于:所述导电基体为FTO玻璃。
3.根据权利要求1所述的染料敏化太阳能电池光阳极，其特征在于:所述第一致密层和第二致密层均为一层致密TiO2膜。
4.根据权利要求1所述的染料敏化太阳能电池光阳极，其特征在于:所述传输层为纳米TiO2多孔膜。
5.根据权利要求1所述的染料敏化太阳能电池光阳极，其特征在于:所述散射层为含有纳米级和微米级TiO2颗粒的散射膜。
6.根据权利要求2-5任一项所述的染料敏化太阳能电池光阳极，其特征在于:所述传输层的膜厚为6?15 μ m。
7.根据权利要求2-5任一项所述的染料敏化太阳能电池光阳极，其特征在于:所述散射层的膜厚为6?12μπι。
8.一种染料敏化太阳能电池，其特征在于:其光阳极采用权利要求1-7任一项所述的染料敏化太阳能电池光阳极。
【文档编号】H01G9/20GK203706890SQ201420073839
【公开日】2014年7月9日 申请日期:2014年2月21日 优先权日:2014年2月21日
【发明者】文贵华, 顾军, 邹志刚 申请人:南京大学昆山创新研究院