CN102074373A - 一种染料敏化太阳能电池光阳极及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种染料敏化太阳能电池光阳极及其制备方法，光阳极依次包括与透明导电玻璃紧密接触的混合散射层、与混合散射层接触的吸收层，混合散射层是由大颗粒TiO2微粒与小颗粒TiO2微粒混合组成，厚度为4~6μm，吸收层是由小颗粒TiO2微粒组成，厚度为10~12μm。制备方法：a.制备吸收层浆料；b.制备混合散射层浆料；c.将b制备的浆料丝印在导电玻璃上制得混合散射层；d.将a制备的浆料丝印在混合散射层上制得吸收层；e.将经步骤c和步骤d的透明导电玻璃置入气氛炉中，通入氧气进行单一气氛烧结，烧结时间为15~45分钟。本发明适用于制备染料敏化太阳能电池的光阳极。

Description

一种染料敏化太阳能电池光阳极及其制备方法
技术领域
本发明涉及染料敏化太阳能电池材料领域，尤其涉及一种能有效提高光电转换效率的染料敏化太阳能电池光阳极及其制备方法。 
背景技术
由于传统能源日益枯竭，能源危机日益严重，新能源取代传统能源已经成为必然的趋势，太阳能是新能源中的佼佼者。目前太阳能之所以无法取代传统能源，主要原因在于太阳能电池成本过高，如何大规模生产价格低廉的太阳能电池是如今太阳能行业的研究热点。
近年来，染料敏化太阳能电池因为其成本低廉、无污染、工艺简单，易于大规模生产等原因，受到了广泛的关注，得到了迅猛的发展。染料敏化太阳能电池主要由光阳极1、电解质溶液4和对电极5三部分组成，其中，光阳极的吸光能力是影响这类太阳能电池光电转换效率的重要因素，而光阳极中的二氧化钛薄膜对入射光的吸收利用率是限制其光电转换效率的主要原因。现有技术中光阳极为在透明导电玻璃上依次涂覆TiO2光吸收层6及大颗粒TiO2散射层7构成（参见图1），大颗粒TiO2散射层7对入射光的散射不能充分被TiO2光吸收层6所吸收，入射光吸收利用率较低。
因此，如何制备光阳极中高品质的二氧化钛薄膜是如今染料敏化太阳能电池产业化进程中的一个主要课题。专利号ZL 200610037574.1，授权公告号CN 100492678C，发明专利名称为染料敏化太阳能电池用纳米晶二氧化钛膜的制备方法，通过有机钛醇盐与高分子模板在有机溶剂中组装，经添加添加剂制备涂覆二氧化钛膜用胶体，后经丝网印刷及高温烧结后制备的纳晶二氧化钛膜具有高的比表面积和高的透光性，但需有机钛醇盐和高分子模板剂完全反应，其制备方法较为复杂。 
发明内容
针对现有染料敏化太阳能电池光阳极光吸收利用率低，且其制备方法又较为复杂的问题，本发明的目的是提供一种染料敏化太阳能电池光阳极及其制备方法。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：本发明的染料敏化电池光阳极依次包括与透明导电玻璃紧密接触的混合散射层、与混合散射层接触的吸收层，混合散射层是由大颗粒 TiO2微粒与小颗粒TiO2微粒混合组成，厚度为4~6μm，吸收层是由小颗粒 TiO2微粒组成，厚度为10~12μm。
进一步地，所述大颗粒 TiO2微粒粒径为150~300nm，所述小颗粒TiO2微粒粒径为15~30nm。
进一步地，所述大颗粒 TiO2微粒粒径为200nm，所述小颗粒TiO2微粒粒径为20nm。
另外，本发明还提供了一种制备上述光阳极的方法，其步骤包括：
a. 制备吸收层浆料：将小颗粒TiO2粉体和乙基纤维素混合，并加入松油醇和无水乙醇，搅拌制得吸收层浆料；
b. 制备混合散射层浆料：将大颗粒TiO2粉体与小颗粒TiO2粉体混合，再将混合粉体和乙基纤维素混合，并加入松油醇和无水乙醇，搅拌制得混合散射层浆料；
c. 印制混合散射层：将经步骤b制得的混合散射层浆料丝网印刷在处理后的透明导电玻璃上，每印刷一次静置3~5分钟并烘干，反复印刷使混合散射层薄膜厚度为4~6μm；
d. 印制吸收层：将经步骤a制备的吸收层浆料丝网印刷在经步骤c制得的混合散射层上，每印刷一次静置3~5分钟并烘干，烘干温度为110℃~130℃，反复印刷使吸收层薄膜厚度为10~12μm；
e. 将经步骤c和步骤d印刷有混合散射层和吸收层的透明导电玻璃置入气氛炉中，通入氧气进行单一气氛烧结，烧结时间为15~45分钟，制得染料敏化太阳能电池的光阳极。
进一步地，所述步骤a中小颗粒TiO2粉体和乙基纤维素按照质量比3:1~5:1的比例混合。
进一步地，所述步骤b中大颗粒TiO2粉体与小颗粒TiO2粉体按照质量比2:3的比例混合。
进一步地，所述步骤b中制得的混合粉体和乙基纤维素按照质量比3:1~5:1的比例混合。
进一步地，所述步骤c和步骤d中烘干温度为120℃。
进一步地，所述步骤e中气氛炉内温度为450℃~500℃，且升温速度为10℃/min，烧结时间为20~30分钟。
进一步地，所述步骤c中的透明导电玻璃经丙酮、酒精、去离子水三次超声清洗并烘干，将其浸泡于40 mmol/L的TiCl4溶液中，并于70℃下处理30分钟后烘干，将经上述处理后的透明导电玻璃置于气氛炉内在320℃~330℃下保温5~10分钟后升至370℃~380℃保温5~10分钟，再升温到445℃~455℃保温10~-15分钟，最后将温度升至500℃~510℃并保温10~15分钟。
本专利的效果在于：本发明的染料敏化太阳能电池光阳极，引进了混合散射层并改变其在TiO2薄膜中的位置，既明显提高了大颗粒TiO2对入射光的散射作用，又不会降低TiO2薄膜的吸附量，提高了TiO2薄膜对入射光的吸收利用率；其制备方法无复杂的化学反应参与，操作简单，静置工艺有利于浆料的流平，提高了大面积薄膜表面的平整性，有利于吸收层和散射层的连结，减少了薄膜表面及内部的缺陷。按照本发明所提供的方法制备的大面积光阳极染料敏化电池，与传统印刷方法制备出的同等面积的光阳极电池相比，短路电流可以提高70%~100%。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明；
图1为由传统工艺制备的光阳极组成的染料敏化太阳能电池的结构示意图；
图2为本发明制备的光阳极组成的染料敏化太阳能电池的结构示意图；
图3为两种染料敏化太阳能电池电流的数据对比图，曲线A表示本发明光阳极组成的电池产生的电流，曲线B表示传统工艺制备的光阳极组成的电池产生的电流，纵坐标表示电流，横坐标表示电压。
图中标号说明：
1-透明导电玻璃    2-混合散射层    3-吸收层    4-电解质     
5-对电极    6- TiO2光吸收层    7-大颗粒TiO2散射层
具体实施方式
实施例一：
a. 将4g 粒径20nm的TiO2粉体、1g 乙基纤维素、20ml松油醇及15ml无水乙醇混合，充分搅拌24h，制备吸收层浆料；
b. 将2g粒径200nm的TiO2粉体、3g粒径20nm的TiO2粉体、1g 乙基纤维素、10ml松油醇及8ml无水乙醇混合，充分搅拌24h，制备混合散射层浆料；
c. 将经步骤b 制备的混合散射层浆料丝网印刷在经过处理的透明导电玻璃上，每印刷一层，即静置5分钟，并在120℃下烘干，反复印刷3次；d. 将经步骤a制备的吸收层浆料丝网印刷在经步骤c制得的混合散射层上，每印刷一层，即静置5分钟，并在120℃下烘干，反复印刷5次；
e. 将印刷有混合散射层和吸收层的透明导电玻璃置入气氛炉内，并通入氧气，使气氛炉内部为氧气单一气氛，气压为1~2个大气压，以10℃/min的速度升温至450℃，并保持30分钟。
实施例二：
按照实施例一中的方法，除以下步骤有改动外，其他步骤完全相同。
a. 将5g 粒径20nm的TiO2粉体、1g 乙基纤维素、20ml松油醇及15ml无水乙醇混合，充分搅拌24h，制备吸收层浆料。
实施例三：
按照实施例一中的方法，除以下步骤有改动外，其他步骤完全相同。
a. 将3g 粒径20nm的TiO2粉体、1g 乙基纤维素、20ml松油醇及15ml无水乙醇混合，充分搅拌24h，制备吸收层浆料。
实施例四：
按照实施例一中的方法，除以下步骤有改动外，其他步骤完全相同。
b. 将2.4g粒径200nm的TiO2粉体、3.6g粒径20nm的TiO2粉体、1.5g 乙基纤维素、10ml松油醇及8ml无水乙醇混合，充分搅拌24h，制备混合散射层浆料。
实施例五：
按照实施例一中的方法，除以下步骤有改动外，其他步骤完全相同。
e. 将印刷有混合散射层和吸收层的透明导电玻璃置入气氛炉内，并通入氧气，使气氛炉内部为氧气单一气氛，气压为1~2个大气压，以10℃/min的速度升温至500℃，并保持20分钟。
实验结果：采用太阳光模拟器，在AM1.5，辐照光频率为1000W/m2下，将利用本发明所述方法制备的光阳极的染料敏化太阳能电池与面积大小相等的传统染料敏化太阳能电池进行测试，所得结果为附图1所示。
从测试结果可以得知，在同样面积的前提下，利用本发明所述方法制备的光阳极的染料敏化太阳能电池的短路电流提高了80%左右，光电转换效率得到了极大的提升。
本领域技术人员应该认识到，上述的具体实施方式只是示例性的，是为了使本领域技术人员能够更好的理解本专利内容，不应理解为是对本专利保护范围的限制，只要是根据本专利所揭示精神所作的任何等同变更或修饰，均落入本专利保护范围。 

Claims (10)

1.一种染料敏化太阳能电池光阳极，其特征在于：所述光阳极依次包括与透明导电玻璃（1）紧密接触的混合散射层（2）、与所述混合散射层（2）接触的吸收层（3），所述混合散射层（2）是由大颗粒 TiO2微粒与小颗粒TiO2微粒混合组成，厚度为4~6μm，所述吸收层（3）是由小颗粒 TiO2微粒组成，厚度为10~12μm。
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：所述大颗粒 TiO2微粒粒径为150~300nm，所述小颗粒TiO2微粒粒径为15~30nm。
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：所述大颗粒 TiO2微粒粒径为200nm，所述小颗粒TiO2微粒粒径为20nm。
4.一种制备权利要求1、2或3任一权项所述的染料敏化太阳能电池光阳极的制备方法，其步骤包括：
a. 制备吸收层浆料：将小颗粒TiO2粉体和乙基纤维素混合，并加入松油醇和无水乙醇，搅拌制得吸收层浆料；
b. 制备混合散射层浆料：将大颗粒TiO2粉体与小颗粒TiO2粉体混合，再将混合粉体和乙基纤维素混合，并加入松油醇和无水乙醇，搅拌制得混合散射层浆料；
c. 印制混合散射层：将经步骤b制得的所述混合散射层浆料丝网印刷在处理后的透明导电玻璃（1）上，每印刷一次静置3~5分钟并烘干，反复印刷使所述混合散射层薄膜厚度为4~6μm；
d. 印制吸收层：将经步骤a制备的所述吸收层浆料丝网印刷在经步骤c制得的所述混合散射层（2）上，每印刷一次静置3~5分钟并烘干，烘干温度为110℃~130℃，反复印刷使所述吸收层薄膜厚度为10~12μm；
e. 将经步骤c和步骤d印刷有所述混合散射层（2）和所述吸收层（3）的透明导电玻璃（1）置入气氛炉中，通入氧气进行单一气氛烧结，烧结时间为15~45分钟，制得染料敏化太阳能电池的光阳极。
5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于：所述步骤a中小颗粒TiO2粉体和乙基纤维素按照质量比3:1~5:1的比例混合。
6.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于：所述步骤b中大颗粒TiO2粉体与小颗粒TiO2粉体按照质量比2:3的比例混合。
7.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于：所述步骤b中制得的混合粉体和乙基纤维素按照质量比3:1~5:1的比例混合。
8.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于：所述步骤c和步骤d中烘干温度为120℃。
9.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于：所述步骤e中气氛炉内温度为450℃~500℃，且升温速度为10℃/min，烧结时间为20~30分钟。
10.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于：所述步骤c中的透明导电玻璃经丙酮、酒精、去离子水三次超声清洗并烘干，将其浸泡于40 mmol/L的TiCl4溶液中，并于70℃下处理30分钟后烘干，将经上述处理后的透明导电玻璃置于气氛炉内在320℃~330℃下保温5~10分钟后升至370℃~380℃保温5~10分钟，再升温到445℃~455℃保温10~-15分钟，最后将温度升至500℃~510℃并保温10~15分钟。
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