一种光能高效利用的染料敏化太阳能电池和系统的制作方法

本发明涉及太阳能电池的领域，具体是一种光能高效利用的敏化太阳能电池和系统。

背景技术：

能源是一个国家国民经济的命脉，随着我国近年来经济的迅猛发展，能源与环境问题的矛盾也日益突出。如何利用太阳能和生物质能源成为了新能源开发和利用的重点。天然染料敏化太阳能电池的开发就符合太阳能和生物质能源的综合利用。相关的技术中，染料敏化太阳能电池采用覆盖透明导电氧化物层氧化铟锡(ito)或氧化氟锡(fto)的导电玻璃为衬底电极，然后依次设置有光阳极层、电解质层和对电极层，从而构成一个“三明治”结构，以实现将太阳能转化为电能的效果。但是，目前所采用的衬底电极质地坚硬、易碎、质量重并且对生产工艺要求高、材料价格昂贵；另外，由于该种导电玻璃衬底结构的设置对太阳光的反射率较高，光程较短，导致了染料敏化太阳能电池对光能的利用率不高、光捕获效率低，并且会产生光污染现象。

技术实现要素：

针对现有技术的不足，本发明实施例的目的在于提供一种光能高效利用的染料敏化太阳能电池和系统，以实现对太阳光的高效利用，将太阳能转化为电能，提高太阳能的转化率，增加光捕获效率，并降低光污染现象。

为了解决上述问题，本发明采用的技术方案是：

第一方面，本发明实施例提供了一种光能高效利用的染料敏化太阳能电池，包括：垂直于太阳光入射方向上依次层叠设置的柔性导电衬底层、光阳极层、电解质层和对电极层，所述柔性导电衬底层包括柔性衬底层和导电层，所述柔性衬底层接触导电层一侧表面为粗化面。

结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第一种可能的实施方式，其中，所述粗化面包括金字塔形状的粗化颗粒。

结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第二种可能的实施方式，其中，所述光阳极层包括氧化物多孔膜层和设置在所述氧化物多孔膜层中垂直于太阳光入射方向表面的染料层，所述染料层、所述氧化物多孔膜层和所述导电层在垂直于太阳光入射方向上依次层叠。

结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第三种可能的实施方式，其中，所述氧化物多孔膜层为二氧化钛多孔薄膜层。

结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第四种可能的实施方式，其中，所述氧化物多孔膜层的厚度为5-30微米。

结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第五种可能的实施方式，其中所述染料层包括叶绿素衍生物天然染料。

结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第六种可能的实施方式，其中，所述对电极层包括石墨烯纳米片并与所述电解质层连接。

结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第七种可能的实施方式，其中，所述柔性衬底层为丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物(acrylonitrile-butadiene-styrenecopolymer，abs)塑料。

第二方面，本发明实施例提供了一种光能高效利用的染料敏化太阳能电池系统，所述光能高效利用的染料敏化太阳能电池系统包括：第一方面任一项所述的光能高效利用的染料敏化太阳能电池、控制器和逆变器，所述控制器分别与所述光能高效利用的染料敏化太阳能电池和逆变器连接。

结合第二方面，本发明实施例提供了第二方面的第一种可能的实施方式，其中，所述控制器包括稳压器和功率监控器，所述稳压器分别与所述控制器和所述功率监控器，所述功率监控器还与所述逆变器连接。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明提供的一种光能高效利用的染料敏化太阳能电池和系统，通过将柔性衬底层接触导电层一侧表面设置为粗化面，与现有技术中采用导电玻璃作为衬底相比，该粗化面的设置改变了太阳光在染料敏化太阳能电池中光路传输的方式，增加了太阳光在染料敏化太阳能电池中光路的光程，有利于染料敏化太阳能电池对太阳光的利用，提高了染料敏化太阳能电池对光能的利用率，增加了光捕获效率，从而可以产生更多的电能，并且降低了光污染现象。

附图说明

下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例所提供的一种光能高效利用的染料敏化太阳能电池的结构示意图；

图2为本发明实施例所提供的柔性导电衬底层的结构示意图；

图3为本发明实施例所提供的一种光能高效利用的染料敏化太阳能电池系统的结构框图；

图4为本发明实施例所提供的控制器的结构示意图；

图中：1柔性衬底层、2导电层、3氧化物多孔膜层、4染料层、5电解质层、6对电极层、7粗化颗粒、8光能高效利用的染料敏化太阳能电池、9控制器、10逆变器、11稳压器、12功率监控器。

具体实施方式

结合本发明实施例中附图，对本发明实施例中的技术方案进行描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述，仅仅表示本发明的选定实施例，并非是限制本发明的保护范围。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明的简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。其中，术语“第一位置”和“第二位置”为两个不同的位置。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

考虑到相关的技术中，染料敏化电池采用覆盖透明导电氧化物层氧化铟锡(ito)或氧化氟锡(fto)的导电玻璃为衬底电极，然后依次设置有光阳极层、电解质层和对电极层，以实现将太阳能转化为电能。但是，目前所采用的衬底电极质地坚硬、易碎、质量重和对生产工艺要求高，由于该种导电玻璃衬底结构的设置对太阳光的反射率较高，光程较短，导致对太阳能的利用率不高，并且会产生光污染现象。基于此，本发明实施例提供了一种光能高效利用的染料敏化太阳能电池和系统，下面通过实施例进行描述。

实施例1

如图1、图2所示，本发明实施例1提供了一种光能高效利用的染料敏化太阳能电池，包括：垂直于太阳光入射方向上依次层叠设置的柔性导电衬底层(图2)、光阳极层、电解质层5和对电极层6，柔性导电衬底层包括柔性衬底层1和导电层2，柔性衬底层1接触导电层2一侧表面为粗化面。

通过本发明实施例1可以看出，柔性衬底层1的一侧为粗化面，粗化面的设置形成一种光陷结构，其中光陷结构是通过光的反射、折射和散射将比较单一的小入射角度的光线分散到各个方向上，从而增加光在染料敏化电池中的光程，使光吸收得到增加。所以太阳能电池中任何一个适当角度的不平整表面都可能起到陷光的作用。导电层2为设置在柔性衬底层1上的导电良好的金属层，可以优选铂、纳米银等导电性量化的金属；电解质层5包括具有导电性能的电解质溶液。

本发明实施例1选择在柔性衬底层1上设置包括金字塔形状的粗化颗粒7的粗化面，其中，金字塔形状的多面结构可以将入射光通过反射、折射和散射向不同方向，增加了太阳光在染料敏化太阳能电池中的光程，从而增加染料敏化太阳能电池对光能的吸收。

为了能够有效的吸收太阳光，将光能转化为电能，本实施例1提供了一种光能高效利用的染料敏化太阳能电池，其中，光阳极层包括：氧化物多孔膜层3和设置在氧化物多孔膜层3中垂直于太阳光入射方向表面的染料层4，染料层4、氧化物多孔膜层3和导电层2在垂直于太阳光入射方向上依次层叠。其中，氧化物多孔膜层3为二氧化钛多孔薄膜层，厚度为5-30微米。

通过本发明实施例1可以看出，氧化物多孔膜层3由导电氧化物浆料制得，导电氧化物浆料中使用的氧化物可以是氧化钛、氧化锌或者氧化锡，染料层4由染料溶液组成。

其中，染料优选为叶绿素衍生物天然染料，并引入多种植物天然染料叶黄素、花青素进行组合，叶绿素镁钠盐衍生物与叶黄素、花青素多种色素混合协同敏化，可以实现对太阳光的宽谱吸收，并且天然染料材料来源广、制备工艺简单、循环可再生、成本价格低、绿色无污染。

本发明实施例1中，光阳极的制备方法：采用水热法制备二氧化钛浆料：量取钛酸四正丁酯20ml，无水乙醇30ml和去离子水50ml放入锥形瓶中，用恒温磁力搅拌器搅拌使钛酸四正丁酯充分水解。在水解后的浆料中加入适量冰醋酸将ph值调至2，再加入2gp25的二氧化钛粉末，在50℃下搅拌4h，然后将浆料移至带聚四氟乙烯衬底的高压反应釜中，在220℃水热反应4h。待浆料自然冷却后倒掉上层清液，再加入聚乙二醇(4000)0.2g、乙酰丙酮0.1ml，充分搅拌待用。用中间带孔的胶带将已清洗过的导电玻璃四周固定，用刮涂法将浆料涂在中间的圆孔上，自然晾干后放入马弗炉中在450℃烧结30min，待炉温降至80℃后立即取出电极并浸入到天然染料中，室温浸泡24h，即制成染料敏化的tio2光电极，电极的面积为0.25cm²。

本发明实施例1中，光敏染料的制备方法：用超声波萃取法从玫瑰茄、茜草、抹茶、勿忘我和紫薯五种天然植物中提取染料。先将材料洗净后放入烘箱中在50℃烘干，再将天然植物用粉碎机研磨成粉末，用筛网过筛后作为染料提取物，分别称取2g提取物置于棕色试剂瓶中并加入0.2g的caco3粉末，防止叶绿素分解。再将其加入无水乙醇与无水丙酮混合液即为萃取液，两者体积比为1∶2，料液质量比为1∶15(萃取液混合比例可根据萃取对象不同进行调整)。将密封好的试剂瓶用超声波振荡器震荡5h，并设置功率为150w，振荡频率为28khz，温度为50℃。然后将试剂瓶置于暗室中静置48h。然后使用定性滤纸过滤所配制的悬浊液，取澄清溶液作为染料敏化剂待用。协同敏化的染料是指多种染料溶液按照一定的体积比混合而成。

为了提高染料敏化太阳能电池的光电性能，本发明实施例1提供了一种光能高效利用的染料敏化太阳能电池，对电极层6包括石墨烯纳米片与电解质层5连接，采用石墨烯纳米片作为对电极，其中，石墨烯纳米片具有高强度、高比表面积，能够提高光能高效利用的染料敏化太阳能电池的光电性能，且成本低且环保，适合于大面积电池生产，并且长时间在电解液中不易被腐蚀，稳定性强。

本发明实施例1中，石墨烯纳米片的制备方法：取氧化石墨烯0.5g，将氧化石墨在超纯水中超声分散30min后加入15ml水合肼并在80℃下反应24h，最后在80℃下干燥24h得到还原石墨烯纳米片。将石墨烯纳米片在含量为10wt％乙基纤维素(ec)的异丙醇溶液中超声分散均匀，再加入松油醇，超声分散10min，得到的石墨烯纳米片(gns)刮涂在fto上，在400℃下烧结15min得到石墨烯纳米片对电极。

本发明实施例1中，为了使染料敏化敏化太阳能电池能够方便弯曲折叠，应用广泛，柔性衬底层1为abs塑料。其中，abs塑料透明度高，电阻率低，增加了太阳能电池的透光率和导电率，且其抗冲击性、耐热性、耐低温性、耐化学药品性及电气性能优良，还具有易加工、制品尺寸稳定。

本发明实施例1中，电池的组装：用50μm热敷膜(surlyn1702)将染料敏化的tio2电极和镀铂的对电极隔开以控制电解液厚度，在两电极之间注入电解液并用夹子夹紧，即构成“三明治”结构的太阳电池；

本发明实施例1中，所用的电解质溶液为：0.6mol/ldmpii+0.1mol/lguscn+0.1mol/llii+0.05mol/li2，溶剂为乙腈，该电解质溶液高效稳定，工作时间长。

综上所述，本发明实施例1提供的一种光能高效利用的染料敏化太阳能电池，通过将柔性衬底层接触导电层一侧表面设置为粗化面，与现有技术中采用导电玻璃作为衬底相比，该粗化面的设置改变了太阳光在染料敏化太阳能电池中光路传输的方式，增加了太阳光在染料敏化太阳能电池中光路的光程，有利于染料敏化太阳能电池对太阳光的利用，提高了染料敏化太阳能电池对太阳能的利用率，从而可以产生更多的电能，并且降低了光污染现象。

实施例2

如图3、图4所示，本发明实施例2提供了一种光能高效利用的染料敏化太阳能电池8系统，包括：实施例1中描述的光能高效利用的染料敏化太阳能电池8、控制器9和逆变器10，控制器9分别与光能高效利用的染料敏化太阳能电池8和逆变器10连接。

通过本发明实施例2可以看出，逆变器10与用电器连接，逆变器10将光能高效利用的染料敏化太阳能电池8的输出电压转化为满足用电器要求的交流电压，并输送到用电器中，控制器9检测和控制电源模块功率输出。其中，控制器9包括稳压器11和功率监控器12，稳压器11分别与控制器9和功率监控器12，功率监控器12还与逆变器10连接。

稳压器11将光能高效利用的染料敏化太阳能电池8产生的电能进行处理，将电压稳定到用电器所需要的电压，将输出电压稳定于一定范围，功率监控器12用于监控光能高效利用的染料敏化太阳能电池8产生的电能，在系统发生故障不能发电时，功率监控电路可切断供电系统，停止输出电能。

综上所述，一种光能高效利用的染料敏化太阳能电池系统，通过将柔性衬底层接触导电层一侧表面设置为粗化面，与现有技术中采用导电玻璃作为衬底相比，该粗化面的设置改变了太阳光在染料敏化太阳能电池中光路传输的方式，增加了太阳光在染料敏化太阳能电池中光路的光程，有利于染料敏化太阳能电池对太阳光的利用，提高了染料敏化太阳能电池对太阳能的利用率，从而可以产生更多的电能；并且通过控制器和逆变器的设置，有效的对光能高效利用的染料敏化太阳能电池产生的电能进行监控和管理，保证了用电的安全。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。