專利名稱：一種太陽能電池柔性光陽極組件及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種太陽能電池柔性光陽極組件及其制備方法，屬于太陽能電池
背景技術(shù)：
太陽能是一種取之不盡的環(huán)保、清潔能源，因而各國都在積極開發(fā)利用這種能源。1991年瑞士洛桑工學(xué)院Gratzel教授領(lǐng)導(dǎo)的太陽能研究小組開發(fā)研制成功了染料敏化太陽能電池，簡稱為DSSC。在Gratzel等人對該種光電池的不斷改進(jìn)下，這種電池的光電轉(zhuǎn)化率達(dá)到了10％。與現(xiàn)在普遍采用的硅太陽能電池相比，這種電池制造成本非常低，只有硅太陽能電池的1/10。由于成本上的優(yōu)勢，使這種電陽能電池的前景非常看好。
光陽電極是這種太陽能光電池的核心部件，它是由在導(dǎo)電玻璃的導(dǎo)電層上燒結(jié)形成一層TiO2薄膜，并經(jīng)特殊的光無機(jī)氧化物敏化劑染料進(jìn)行染色，從而構(gòu)成光陽電極。研究表明除了TiO2外，由ZnO、SnO2、WO3等無機(jī)金屬氧化物的納米粒子制成的薄膜，在浸染敏化染料后都具有光電轉(zhuǎn)化功能。
由這種太陽能電池的的結(jié)構(gòu)可知，光必須依次通過玻璃、導(dǎo)電層再到吸附在TiO2粒子表面的敏化染料上，光能才能轉(zhuǎn)化成電能。玻璃基材只是起透光和承載導(dǎo)電層及其上的TiO2膜的作用。國內(nèi)專利CN1564326A所公開的用透光的鍍有導(dǎo)電層的聚脂膜來替代導(dǎo)電玻璃基材，目的在于制備柔性化的太陽能電池。柔性的光電池便于加工，可以按人們的要求可將這種光電池做成各種形狀，因而使其被使用的場所增加，特別是在建筑物外表面上有將更多的應(yīng)用。同時(shí)這種光電池不怕捽，因而更易于被運(yùn)輸。要想制造柔性的染料敏化太陽能電池，首先要制備柔性的光陽極，然后再配合相應(yīng)的柔性對電極就能制成柔性的染料敏化太陽能光電池。相對來說對電極易實(shí)現(xiàn)柔性化，一般的方法是在以聚脂膜為基材的導(dǎo)電膜上用電鍍或真空鍍膜的方法鍍2μm厚的鉑層。因而光陽極的柔性化是實(shí)現(xiàn)染料敏化太陽能光電池的關(guān)鍵。但由于聚脂材料PET的玻璃化溫度為238℃-240℃，因而無法用燒結(jié)的方法在其表面上制備TiO2膜。
目前采用不耐高溫的聚脂膜來做光陽極的基材存在如下主要的缺點(diǎn)(1)由于基材不耐高于240℃高溫，所以不能將配制TiO2溶膠時(shí)加入的的有機(jī)物采用高溫分解的方法去除。沒有添加機(jī)溶劑的TiO2溶膠不利于TiO2納米粒子的充分分散和TiO2溶膠在基材表面的鋪展，因而成膜性不好。(2)由于不能采用高溫?zé)Y(jié)，所以TiO2膜表身的強(qiáng)度及其與基材間的結(jié)合力都很低。甚至在用敏化染料溶液進(jìn)行染色時(shí)，由于液體的溶脹作用都會使TiO2膜從聚脂膜基材表面脫落。

發(fā)明內(nèi)容
針對上述存在問題，本發(fā)明的目的是提供一種太陽能電池柔性光陽極組件及其制備方法。其技術(shù)解決方案為一種太陽能電池柔性光陽極組件，光陽極組件是由用金屬纖維長絲構(gòu)成的織物為導(dǎo)電基體，金屬長纖維的外表面上鍍有導(dǎo)電并耐碘氧化的防護(hù)層，在防護(hù)層的外表面上覆有由無機(jī)氧化物納米粒子構(gòu)成的薄膜。
太陽能電池柔性光陽極組件加工的具體步驟為(A)采用磁控濺射鍍膜機(jī)在金屬長纖維表面鍍一層厚度小于500nm的銦錫氧化物層。
(B)將無機(jī)氧化物納米粒子溶于去離子水中，并加入乙酰丙酮和曲拉通。膠體溶液中無機(jī)氧化物與水的質(zhì)量比為2.5∶4～3∶4。乙酰丙酮和曲拉通的含量分別為1％和0.5％。
(C)將經(jīng)過步驟(A)處理的金屬長纖維放入由步驟(B)配制成的溶膠中提拉成膜，并將濕膜在100℃干燥5min。
(D)將經(jīng)過步驟(C)處理的金屬長纖維放入高溫電爐中，以5℃/min的升溫速率加熱到500℃，保溫1h，自然冷卻。
(E)采用針織或機(jī)織的方法，將經(jīng)過步驟(D)處理的金屬纖維長纖維編織成的金屬織物。
(F)將經(jīng)步驟(E)制成的金屬織物放入配置好的敏化染料溶液中，浸染24h后取出，再用無水乙醇洗去金屬織物上的浮色，制成柔性的染料敏化太陽能電池光陽極。
由于采用了以上技術(shù)方案，本發(fā)明制備的太陽能電池柔性光陽極組件一方面利用金屬纖維織物的可撓性實(shí)現(xiàn)了光陽極的柔性化，另一方面利用金屬材料的耐高溫性，可以通高溫?zé)Y(jié)的途徑來制備具有TiO2膜，TiO2膜本身強(qiáng)度及其與基材結(jié)合力都得到的增加。此種方案解決在使光陽極柔性化時(shí)，因采用有機(jī)高分子膜為基材造成無機(jī)金屬氧化物膜與基材之間結(jié)合力差的問題，用這種光陽極制成的敏化柔性太陽能電池在彎曲變形時(shí)仍能保持穩(wěn)定的工作狀態(tài)。


圖1是染料敏化太陽能電池的光陽極的截面結(jié)構(gòu)圖。
圖2是圖1的平面圖，織物組織為平紋。
具體實(shí)施例方式
一種太陽能電池柔性光陽極組件，光陽極組件是由用金屬纖維長絲1，2構(gòu)成的織物為導(dǎo)電基體，金屬長纖維1，2的外表面上鍍有導(dǎo)電并耐碘氧化的防護(hù)層3，在防護(hù)層3的外表面上覆有由無機(jī)氧化物納米粒子構(gòu)成的薄膜4。金屬纖維長纖維1、2可以是包括鎳、鉻、鉭、鉑等在內(nèi)的，熔點(diǎn)在1000℃以上，耐氧化性能強(qiáng)金屬材料。金屬長纖維1、2的直徑在20μm-100μm。防護(hù)層3是三氧化二銦與二氧化錫的混合物，三氧化二銦與二氧化錫的質(zhì)量百分比為90∶10～95∶5。無機(jī)氧化物層4可以是二氧化鈦、氧化鋅、二氧化錫等材料，納米粒子的直徑為10nm-600nm。
一種制備染料敏化太陽能電池的柔性光陽極的制備方法，其加工制備方法如下(A)采用磁控濺射鍍膜機(jī)在直徑在20μm-100μm金屬長纖維表面鍍一層厚度小于500nm的銦錫氧化物層。金屬纖維長纖維1，2可以是包括鎳、鉻、鉭、鉑等在內(nèi)的，熔化溫度在1000℃以上，耐氧化性能強(qiáng)金屬材料。另可采用溶膠-凝膠法在金屬長纖維表面鍍銦錫氧化物層。將硝酸銦晶體溶入乙酰丙酮中得棕黃色乙酰丙酮銦溶膠，將氯化錫溶入乙醇中，再將此溶液按一定的配比加入到乙酰丙酮銦溶膠中，使其混合均勻，最后得到摻有Sn元素的穩(wěn)定溶膠。將金屬長纖維放入溶膠提拉掛膜，等膜干燥后放入高溫電爐中，500℃熱處理10min，降溫。兩種處理鍍膜方法要保證三氧化二銦與二氧化錫的混合物，三氧化二銦與二氧化錫的質(zhì)量百分比為90∶10～95∶5。
(B)將無機(jī)氧化物納米粒子溶于去離子水中，并加入乙酰丙酮和曲拉通。膠體溶液中無機(jī)氧化物與水的質(zhì)量比為2.5∶4～3∶4。乙酰丙酮和曲拉通的含量分別為1％和0.5％。無機(jī)氧化物層可以是二氧化鈦、氧化鋅、二氧化錫等材料，納米粒子的直徑為10nm-600nm。無機(jī)氧化物納米粒子構(gòu)成的薄膜的厚度在5μm-30μm之間。
(C)將經(jīng)過步驟(A)處理的金屬長纖維放入由步驟(B)配制成的溶膠中提拉成膜，并將濕膜在100℃干燥5min。
(D)將經(jīng)過步驟(C)處理的金屬長纖維放入高溫電爐中，以5℃/min的升溫速率加熱到500℃，保溫1h，自然冷卻。
(E)采用針織或機(jī)織的方法，將經(jīng)過步驟(D)處理后的金屬纖維長纖維編織成金屬織物。金屬織物的總緊度大于60％，而小于100％。金屬織物的組織可采用機(jī)織方法用的平紋，斜紋，緞紋及變化組織，或針織編織時(shí)采用的經(jīng)編或緯編的各種組織。
(F)將經(jīng)步驟(E)制成的金屬織物放入配置好的敏化染料溶液中，浸染24h后取出，再用無水乙醇洗去金屬織物上的浮色，制成柔性的染料敏化太陽能電池光陽極。
通過下面實(shí)施例有助于進(jìn)一步理解本發(fā)明。
實(shí)施例1基材采用鎳金屬長纖維，其直徑80μm，按上所述的制備方法在鎳金屬長纖維表面鍍一層厚度為300nm銦錫氧化物層，三氧化二銦與二氧化錫的質(zhì)量百分比為90∶8。將12克直徑為25nm的TiO2納米粒子加入到20克去離子水中并不斷攪拌配制成溶膠。并在該溶液加入1克乙酰丙酮和2克的曲拉通做為乳化劑。將鍍有銦錫氧化物層的金屬長纖維放入已配好的二氧化鈦溶膠中提拉成膜。將干燥后的掛有TiO2納米粒子的金屬織物放在高溫電爐中，以5℃/min的升溫速率加熱到500℃，保溫1h，自然冷卻至。TiO2納米粒子膜的厚度為6μm。將經(jīng)過上述過程處理的經(jīng)屬長纖維用小樣織機(jī)織成織物?？椢锝M織采用平紋，得到截面結(jié)構(gòu)如圖1所示的織物。將織好的織物放入含有敏化染料的溶液中浸染24h后取出，用無水乙醇將表面的浮色洗去，制成光陽極。
實(shí)施例2基材采用鉻金屬長纖維，其直徑50μm，按實(shí)施例1相同的制備方法對鉻金屬長纖維進(jìn)行加工處理。但織物的編織組織采用緞紋。由于經(jīng)紗與緯紗的交織點(diǎn)減小，所以紗線在織物中的曲屈度下降，紗線表面的TiO2膜所受內(nèi)應(yīng)力下降。因而實(shí)施例2要比實(shí)施例1效果好。
權(quán)利要求
1.一種太陽能電池柔性光陽極組件，其特征在于光陽極組件是由用金屬長纖維(1)、(2)構(gòu)成的織物為導(dǎo)電基體，金屬長纖維(1)、(2)的外表面上鍍有導(dǎo)電并耐碘氧化的防護(hù)層(3)，在防護(hù)層(3)的外表面上覆有由無機(jī)金屬氧化物納米粒子構(gòu)成的薄膜(4)。
2.如權(quán)利要求1所述的一種太陽能電池柔性光陽極組件，其特征在于金屬纖維長纖維(1)、(2)可以是包括鎳、鉻、鉭、鉑等在內(nèi)的，熔點(diǎn)在1000℃以上，耐氧化性能強(qiáng)金屬材料。
3.如權(quán)利要求1所述的一種太陽能電池柔性光陽極組件，其特征在于金屬長纖維(1)、(2)的直徑在20μm-100μm。
4.如權(quán)利要求1所述的一種太陽能電池柔性光陽極組件，其特征在于防護(hù)層(3)是三氧化二銦與二氧化錫的混合物，三氧化二銦與二氧化錫的質(zhì)量百分比為90∶10～95∶5。
5.如權(quán)利要求1所述的一種太陽能電池柔性光陽極組件，其特征在于無機(jī)氧化物層(4)可以是二氧化鈦、氧化鋅、二氧化錫等材料，納米粒子的直徑為10nm-600nm。
6.一種制備染料敏化太陽能電池的柔性光陽極的制備方法，其特征在于可采用以下步驟加工制備(A)在金屬長纖維表面鍍一層厚度小于500nm的銦錫氧化物層。(B)將無機(jī)氧化物納米粒子溶于去離子水中，并加入乙酰丙酮和曲拉通。膠體溶液中無機(jī)氧化物與水的質(zhì)量比為2.5∶4～3∶4。乙酰丙酮和曲拉通的含量分別為1％和0.5％。(C)將經(jīng)過步驟(A)處理的金屬長纖維放入由步驟(B)配制成的溶膠中提拉成膜，并將濕膜在100℃干燥5min。(D)將經(jīng)過步驟(C)處理的金屬長纖維放入高溫電爐中，以5℃/min的升溫速率加熱到500℃，保溫1h，自然冷卻。(E)采用針織或機(jī)織的方法，將經(jīng)過步驟(D)處理后的金屬纖維長纖維編織成金屬織物。(F)將經(jīng)步驟(E)制成的金屬織物放入配置好的敏化染料溶液中，浸染24h后取出，再用無水乙醇洗去金屬織物上的浮色，制成柔性的染料敏化太陽能電池光陽極。
7.如權(quán)利要求6所述制備方法，其特征在于金屬織物的總緊度大于60％，而小于100％。金屬織物的組織可采用機(jī)織方法用的平紋，斜紋，緞紋及變化組織，或針織編織時(shí)采用的經(jīng)編或緯編的各種組織。
8.如權(quán)利要求6所述制備方法，其特征在于無機(jī)氧化物納米粒子構(gòu)成的薄膜的厚度在5μm-30μm之間。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種太陽能電池柔性光陽極組件及其制備方法，屬于太陽能電池技術(shù)領(lǐng)域。光陽極組件的結(jié)構(gòu)是由用金屬長纖維構(gòu)成的織物為導(dǎo)電基體，金屬長纖維的外表面上鍍有導(dǎo)電并耐碘氧化的防護(hù)層、在防護(hù)層的外表面上覆有由無機(jī)金屬氧化物納米粒子構(gòu)成的薄膜。由這種金屬長纖維編織成織物，將其浸染敏化染料制成染料敏化太陽能電池的光陽極。本發(fā)明解決在使光陽極柔性化時(shí)，因采用有機(jī)高分子膜為基材造成無機(jī)金屬氧化物膜與基材之間結(jié)合力差的問題，用這種光陽極制成的敏化柔性太陽能電池在彎曲變形時(shí)仍能保持穩(wěn)定的工作狀態(tài)。
文檔編號H01L31/18GK1851933SQ20061001913
公開日2006年10月25日 申請日期2006年5月24日 優(yōu)先權(quán)日2006年5月24日
發(fā)明者徐衛(wèi)林, 沈小林, 楊紅軍, 崔衛(wèi)鋼 申請人:武漢科技學(xué)院