CN102751096B - 一种双面透光染料敏化太阳能电池光阳极 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种双面透光染料敏化太阳能电池光阳极及其制备方法。本发明所提供的光阳极为表面沉积氧化锌纳米线阵列或铝掺杂氧化锌纳米线阵列的不锈钢丝网或纯金属丝网。本发明提供的柔性双面透光染料敏化太阳能电池光阳极，制备方法简便，采用自然界富集的锌粉作为原材料，在不锈钢丝网或纯金属丝网沉积氧化锌纳米线阵列，大大降低了制作成本。应用广泛，如采用透明柔性衬底进行封装，即可实现真正的柔性功能，在弯折情况下光伏性能没有明显下降。也可以使用玻璃进行常规封装，实现双面进光太阳能电池。由于独特的制备工艺，极易实现卷对卷的大规模工业化生产，应用前景十分广阔。

Description

一种双面透光染料敏化太阳能电池光阳极
技术领域
本发明涉及一种双面透光染料敏化太阳能电池光阳极。
背景技术
为了解决能源问题，低廉、易应用、高性能的新型太阳能电池的开发一直在持续进行着。染料太阳能电池由于其低廉的制造成本、较高的转换效率以及所依赖的材料在地壳中丰度较高等优点在全世界科研与实际应用中得到了极大的发展。近年来，柔性衬底的染料敏化太阳能电池由于其较好的可弯折性和便于大面积生产而受到越来越多的关注。大多数的柔性染料敏化太阳能电池采用金属箔或者塑料薄膜作为衬底。不锈钢丝网由于具有更高的表面积质量比和多孔结构利于电解液循环等优势近年来受到了国际科研领域的关注。
2009年日本KyushuInstituteofTechnology的YoshihiroYamaguchi等人用溅射氧化的方法在不锈钢丝网上制作氧化钛的薄膜制备染料敏和太阳能电池的光阳极。(Y.Yoshida；S.S.Pandey；K.Uzaki；S.Hayase；M.Kono；Y.Yamaguchi.AppliedPhysicsLetters2009，94(9).)由于该电池采用的氧化物光阳极是平面化的薄膜结构，不利于表面积的扩大与光子的吸收，限制了电池效率的提高。另一种方法是采用二氧化钛的纳米丝网与二氧化钛纳米颗粒浆料作为光阳极。其杂乱的纳米结构导致载流子传输混乱，宏观表现在电池的短路电流密度较低。并且该结构工艺的复杂性导致实际应用困难，不利于大规模生产。(XianweiHuang；PingShen；BinZhao；XiaomingFeng；ShenghuiJiang；HuajieChen；HuiLi；SongtingTan.SolarEnergyMaterialsandSolarCells2010，94(6)，1005-1010.)
发明内容
本发明的目的是提供一种染料敏化太阳能电池的光阳极及其制备方法。
本发明所提供的染料敏化太阳能电池的光阳极，其为表面沉积氧化锌纳米线阵列或铝掺杂氧化锌纳米线阵列的不锈钢丝网或纯金属丝网。
其中，所述纯金属丝网具体可由下述任意一种金属制成：金、银、铜、铁、钨和铝。
所述不锈钢丝网或纯金属丝网的规格可为100目到635目。
制备上述染料敏化太阳能电池的光阳极的方法，包括下述步骤：
1)对不锈钢丝网或纯金属丝网进行表面钝化处理，得到表面钝化的不锈钢丝网或纯金属丝网；
2)采用化学气相沉积法在所述表面钝化的不锈钢丝网或纯金属丝网表面沉积氧化锌纳米线阵列或铝掺杂氧化锌纳米线阵列，得到所述染料敏化太阳能电池的光阳极。
上述步骤1)中对不锈钢丝网或纯金属丝网进行表面钝化处理的方法如下：将不锈钢丝网或纯金属丝网放入浓硫酸和双氧水的混合溶液中于7095℃浸泡1060分钟即得；所述浓硫酸为质量分数98％的硫酸溶液，所述混合液中浓硫酸和双氧水的体积比为4∶1-6∶1。
上述步骤2)中在不锈钢丝网或纯金属丝网表面沉积铝掺杂氧化锌纳米线阵列的具体方法如下：将锌粉与三氯化铝的混合粉末按照质量比3∶1的比例放入管式炉中加热到600-800℃，通入100sccm的氩气作为载气、2-8sccm的氧气为反应气体，不锈钢丝网或纯金属丝网置于气体下游，沉积4-10分钟即得。
所述不锈钢丝网或纯金属丝网在钝化处理前，还需用有机溶剂(如丙酮)浸泡并通过超声清洗，以去除表面有机物。
将上述制备的光阳极在染料分子溶液中浸泡，使氧化锌纳米线阵列或铝掺杂的氧化锌纳米线阵列充分吸收染料分子，即得到染料敏化的光阳极。
本发明提供的柔性双面透光染料敏化太阳能电池光阳极，制备方法简便，采用自然界富集的锌粉作为原材料，在不锈钢丝网或纯金属丝网沉积氧化锌纳米线阵列，大大降低了制作成本。应用广泛，如采用透明柔性衬底进行封装，即可实现真正的柔性功能，在弯折情况下光伏性能没有明显下降。也可以使用玻璃进行常规封装，实现双面进光太阳能电池。由于独特的制备工艺，极易实现卷对卷的大规模工业化生产，应用前景十分广阔。
本发明提供的柔性双面透光染料敏化太阳能电池光阳极，与现有基于塑料或金属箔的柔性太阳能电池光阳极相比，具有以下突出优点：
1)本发明采用不锈钢丝网或金属丝网作为光阳极的基底，具有质量轻、表面积大的优点。不锈钢丝网或金属丝网具有可作为电解液传输的通道，便于设计全新的染料敏化电池结构。
2)本发明利用在不锈钢丝网或金属丝网上沉积的氧化锌纳米线阵列作为染料敏化电池的光阳极，极大的扩展了光阳极的比表面积。由于纳米线阵列排列规整，在极宽的光谱范围内表现出极低的反射率。氧化锌与目前广泛采用的二氧化钛光阳极相比，拥有更高的电子迁移率和低复合率，并且容易在各种金属网状衬底上生长制备，得到晶体质量很好的纳米线阵列，适用性更广，更易实现。不同于目前常用的二氧化钛浆料或纳米管作为光阳极，且目前尚无文献报道。
3)本发明提供的光阳极可以与不同的对电极配合使用，制作不同应用的染料敏和太阳能电池。将此光阳极封装入透明柔性的衬底中，即可实现了柔性染料敏化电池。更加有利于在建筑上使用，实现白天吸收室外光能，夜间吸收室内光能。
4)本发明沉积氧化锌纳米线阵列的速度快，并且由于沉积的载体是不锈钢丝网或金属丝网，有利于使用卷对卷工艺进行快速大量生产。
5)本发明柔性染料敏化太阳能电池具有非常薄的厚度，可以作为玻璃贴膜方便的使用，可以作为建筑或汽车贴膜，便于普及太阳能电池在旧民居中的应用。
6)本发明方法简单，成本低，重复性很好。
附图说明
图1为基于不锈钢网上ZnO纳米线阵列的柔性染料敏化电池器件示意图。
图2为大面积不锈钢丝网筛(a)、表面沉积完氧化锌纳米线阵列的不锈钢丝网筛、以及(c)放大的氧化锌纳米线阵列(c)的扫描电子显微镜照片。
图3为对氧化锌纳米线阵列进行染料敏化后，取出的单根氧化锌纳米线的透射电子显微镜照片，其中上为低倍照片，下为高倍照片。
图4为基于不锈钢网上ZnO纳米线阵列的柔性染料敏化电池器件光伏性能图。
具体实施方式
下面通过具体实施例对本发明进行说明，但本发明并不局限于此。
下述实施例中所述实验方法，如无特殊说明，均为常规方法；所述试剂和材料，如无特殊说明，均可从商业途径获得。
实施例1、制备染料敏化太阳能电池的光阳极
1)将不锈钢丝网(规格：635目)泡入丙酮溶液中，超声清洗30分钟，去除表面有机物；然后再将清洗后的不锈钢丝网放入浓硫酸(质量份数98％)与双氧水体积比为4∶1的混合溶液中于95℃浸泡30分钟，再用去离子水冲洗三次，得到表面钝化的不锈钢丝网。
2)在表面钝化的不锈钢丝网表面采用化学气相沉积的方法沉积铝掺杂的氧化锌纳米线阵列；具体方法为：将锌粉与三氯化铝的混合粉末(质量比3∶1)放入管式炉中加热到700℃通入100sccm的氩气作为载气，8sccm的氧气为反应气体，不锈钢丝网在气体下游，沉积时间为5分钟，即得光阳极。
将上述制备的光阳极在N719乙醇溶液(0.5mM)中50℃条件下浸泡10分钟，使铝掺杂氧化锌纳米线阵列充分吸收染料分子，得到染料敏化后的光阳极。
上述步骤2)得到的不锈钢丝网表面沉积铝掺杂的氧化锌纳米线阵列的扫描电子显微镜照片如图2所示。由图2可知，铝掺杂氧化锌纳米线阵列在不锈钢丝网表面实现了完美的全覆盖，铝掺杂氧化锌纳米线的长度为1.3μm，铝掺杂氧化锌缓冲层为1μm。
对铝掺杂的氧化锌纳米线阵列进行染料敏化后，取出的单根铝掺杂氧化锌纳米线的透射电子显微镜照片如图3所示。由图3可知，氧化锌纳米线具有完美的单晶性，并且染料分子在氧化锌纳米线表面分布均匀，厚度为1-2nm。
3)采用在商业购买的PETITO塑料膜(北京富华泛亚科技有限公司，厚度188微米)上利用电子束蒸发镀膜蒸镀上一层(3100nm)的Pt铂作为对电极。利用3M胶带将一层PET薄膜(日本日立)和PETITOPt将不锈钢网夹在中间构成三明治结构实现器件封装(器件的结构示意图见图1)，之后将电解液(0.5M碘化锂、0.5M碘、0.05M高氯酸锂与0.5M四叔丁基吡啶的乙腈溶液)导入其中，实现了柔性染料敏化电池器件的组装与封接。
对所制备的柔性染料敏化太阳能电池的光电性能进行测试，图4为染料敏化太阳能电池在1.5AM光照下电流电压响应曲线，由图4可知染料敏化太阳能电池在1.5AM光照下开路电压为0.2V，短路电流密度5.1mA/cm2。

Claims (8)

1.一种染料敏化太阳能电池的光阳极，其特征在于：所述光阳极为表面沉积铝掺杂氧化锌纳米线阵列的不锈钢丝网或纯金属丝网；
制备所述染料敏化太阳能电池的光阳极的方法，包括下述步骤：
1)对不锈钢丝网或纯金属丝网进行表面钝化处理，得到表面钝化的不锈钢丝网或纯金属丝网；
2)采用化学气相沉积法在不锈钢丝网或纯金属丝网表面沉积铝掺杂氧化锌纳米线阵列，得到所述染料敏化太阳能电池的光阳极；
步骤1)中对不锈钢丝网或纯金属丝网进行表面钝化处理的方法如下：将不锈钢丝网或纯金属丝网放入浓硫酸和双氧水的混合溶液中于70-95℃浸泡10-60分钟即得；所述浓硫酸为质量分数98％的硫酸溶液，所述混合液中浓硫酸和双氧水的体积比为4：1-6：1；
步骤2)中在表面钝化的不锈钢丝网或纯金属丝网上沉积铝掺杂氧化锌纳米线阵列的方法如下：将锌粉与三氯化铝的混合粉末按照质量比3：1的比例放入管式炉中加热到600-800℃，通入100sccm的氩气作为载气、2-8sccm的氧气为反应气体，不锈钢丝网或纯金属丝网置于气体下游，沉积4-10分钟即得。
2.根据权利要求1所述的光阳极，其特征在于：所述不锈钢丝网或纯金属丝网的规格为100目到635目。
3.根据权利要求1或2所述的光阳极，其特征在于：所述纯金属丝网由下述任意一种金属制成：金、银、铜、铁、钨和铝。
4.制备权利要求1-3中任一项所述的染料敏化太阳能电池的光阳极的方法，包括下述步骤：
1)对不锈钢丝网或纯金属丝网进行表面钝化处理，得到表面钝化的不锈钢丝网或纯金属丝网；
2)采用化学气相沉积法在不锈钢丝网或纯金属丝网表面沉积铝掺杂氧化锌纳米线阵列，得到所述染料敏化太阳能电池的光阳极；
步骤1)中对不锈钢丝网或纯金属丝网进行表面钝化处理的方法如下：将不锈钢丝网或纯金属丝网放入浓硫酸和双氧水的混合溶液中于70-95℃浸泡10-60分钟即得；所述浓硫酸为质量分数98％的硫酸溶液，所述混合液中浓硫酸和双氧水的体积比为4：1-6：1；
步骤2)中在表面钝化的不锈钢丝网或纯金属丝网上沉积铝掺杂氧化锌纳米线阵列的方法如下：将锌粉与三氯化铝的混合粉末按照质量比3：1的比例放入管式炉中加热到600-800℃，通入100sccm的氩气作为载气、2-8sccm的氧气为反应气体，不锈钢丝网或纯金属丝网置于气体下游，沉积4-10分钟即得。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于：所述方法还包括：对所述不锈钢丝网或纯金属丝网进行钝化处理前，先用有机溶剂浸泡并通过超声清洗除去所述不锈钢丝网或纯金属丝网表面有机物的步骤。
6.一种制备染料敏化光阳极的方法，包括下述步骤：将权利要求1-3中任一项所述的光阳极置于染料分子溶液中浸泡，使光阳极中的氧化锌纳米线阵列或铝掺杂氧化锌纳米线阵列充分吸收染料分子，即得到染料敏化光阳极。
7.权利要求6所述方法制备得到的染料敏化光阳极。
8.权利要求7所述的染料敏化光阳极在制备染料敏化太阳能电池中的应用。
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