專利名稱：一種染料敏化太陽能電池的制備方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種染料敏化太陽能電池的制備方法，屬于紡織新材料應用領域。
背景技術：
隨著世界各國工業(yè)的發(fā)展，人類對資源的環(huán)境需求越來越大，資源短缺正日益制 約著人類的發(fā)展。太陽能資源是一種取之不盡用之不竭的寶貴資源。人類一直在致力于對 太陽能的利用。太陽能電池的出現(xiàn)，為人類的發(fā)展提供了巨大動力。染料敏化太陽能電池 (dye-sensitized solar cell, DSSC)也稱 “Gratzel cell”，因為低成本、高效率、長壽命等 突出優(yōu)勢，受到科技工作者的普遍重視，越來越顯示出強勁的競爭力。普通的染料敏化太陽能電池是采用致密的二氧化鈦半導體膜、二氧化鈦納米顆粒 或二氧化鈦納米棒作為染料的吸附載體。采用二氧化鈦半導體膜作為染料的吸附載體的染 料敏化太陽能電池由于只能從膜表面上吸附單層染料，而單層的染料只能吸收小于的 太陽光，多層染料又阻礙了電子的傳輸，具有光電轉(zhuǎn)化率低的缺點。采用二氧化鈦納米顆粒 或二氧化鈦納米棒作為染料的吸附載體的染料敏化太陽能電池，連續(xù)性較差，在使用過程 中，易導致染料泄露。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種工藝簡單且具有較高光電轉(zhuǎn)化率的染料敏化太陽能電 池的制備方法。為了達到上述目的，本發(fā)明的技術方案是提供一種染料敏化太陽能電池的制備方 法，其特征在于，具體步驟為第一步、將導電玻璃浸入含鈦溶液中，干燥得到導電透明基底；第二步、將疏水性聚合物溶解于溶劑中，添加二氧化鈦納米顆?；蚩伤獾拟侞}， 將所得溶液進行靜電紡絲，將所紡制的纖維直接沉積到第一步得到的導電透明基底上形成 纖維膜；第三步、將第二步得到的纖維膜連同導電透明基底一起在I-IOMPa壓力、 90-120°C下，經(jīng)過15-60分鐘熱壓處理，隨后進行400-500°C煅燒，以除去纖維膜中的有機 成分；第四步、將第三步得到的纖維膜連同導電透明基底一起浸入敏化染料溶液中，干 燥；第五步、在纖維膜中注入電解質(zhì)溶液，采用被覆聚酰亞胺膜或聚對苯二甲酸乙二 醇酯膜的鉬電極為反電極，封裝太陽能電池。所述第一步中的導電玻璃為氟摻雜二氧化錫導電玻璃、銻摻雜二氧化錫導電玻璃 或氧化銦錫導電玻璃。所述第一步中的含鈦溶液為四氟化鈦溶液。所述第二步中的疏水性聚合物為乙基纖維素、醋酸纖維素酯、聚丙烯腈、聚苯乙烯、玉米蛋白、聚甲基丙烯酸甲酯、聚碳酸酯、聚醋酸乙烯酯、聚乳酸、聚氯乙烯、聚己內(nèi)脂、 聚丁二酸丁二醇酯、聚丁二酸丁二醇-共-對苯二甲酸丁二醇酯、聚羥基戊酸酯或聚酰胺。所述第二步中的溶劑為N，N-二甲基甲酰胺，N, N-二甲基乙酰胺，四氫呋喃，二氯 甲烷，二氯乙烷，三氯甲烷，一氯甲烷，丙酮，甲酸，甲苯以及環(huán)己烷的一種或兩種混合物。所述可水解的鈦鹽為四異丙氧基鈦。所述第三步煅燒后的纖維膜的厚度為1-20微米。所述第四步中的敏化染料為聯(lián)吡啶釕系列、羧酸多吡啶酞菁系列、有機小分子染 料或高分子染料。優(yōu)選順_ 二硫氰根-雙(2，2’_聯(lián)吡啶-4，4’_ 二羧酸)合釕(II)、順-二 氯-雙(2，2’_聯(lián)吡啶-4，4’_ 二羧酸)合釕(II)、順-二溴-雙(2，2’_聯(lián)吡啶-4，4’_ 二 羧酸)合釕(II)、順-二碘-雙(2，2，-聯(lián)吡啶-4，4，-二羧酸)合釕(II) (cis-X2bis(2, 2，-bipyridyl-4,4' -dicarboxylate)ruthenium(II)，其中 X = Cr，Br Γ 或 NCS，、卟啉、 酞菁、氧化蒽或聚酞菁。本發(fā)明與常規(guī)的光電化學太陽能電池相比，在半導體電極與染料上有很大的改 進。無機納米多孔二氧化鈦纖維染料敏化太陽能電池中的納米多孔二氧化鈦纖維就像一個 海綿似的，具有超高比表面積，能夠吸收更多的染料單分子層，這樣即克服了原來電池中只 能吸附單分子層而吸收少量太陽光的缺點，又可使太陽光在納米多孔二氧化鈦纖維內(nèi)多次 反射，使太陽光反復吸收，可產(chǎn)生更大的光電流，從而大大提高光電轉(zhuǎn)化率。本發(fā)明利用了 無機納米多孔二氧化鈦纖維連續(xù)性好、比表面積高，從而吸附染料量大大提高而且電子沿 纖維方向傳輸連續(xù)性好，從而獲得了具有較高光電轉(zhuǎn)化率的無機納米多孔二氧化鈦纖維染 料敏化太陽能電池。
具體實施例方式下面結合實施例來具體說明本發(fā)明。實施例1第一步，將氟參雜的二氧化錫導電玻璃浸入四氟化鈦溶液(0.04M)中，在60°C下 處理12個小時，作為染料敏化太陽能電池的透明導電基底材料。第二步，將聚醋酸乙烯酯(Mn 500000)溶解于二甲基甲酰胺溶液中，配制成濃度 為11. 5%的溶液(以質(zhì)量百分數(shù)計算)；然后將1克四異丙氧基鈦和0. 5克乙酸添加到5 克預先配制好的聚醋酸乙烯酯溶液中，攪拌形成均一溶液。將制備好的溶液在室溫下進行 靜電紡絲，所采用的紡絲條件為電壓為17千伏，纖維接收距離為16厘米，溶液注射速度為 1. 5毫升/小時，靜電紡絲所制備的纖維直接沉積到第一步預先準備好的導電透明基底上 形成纖維膜。第三步，將第二步得到的纖維膜連同導電透明基底一起加熱到90°C，并保持60分 鐘，然后施加IMPa的壓力；然后將制備好的纖維膜在400°C下煅燒一個小時，煅燒后纖維膜 的厚度為1微米。第四步，將第三步得到的纖維膜連同導電透明基底一起浸入到0. 3mM的順-二硫 氰根-雙(2，2’_聯(lián)吡啶-4，4’_ 二羧酸)合釕(II)無水乙醇溶液中，室溫下保持20小時， 然后再浸入到無水乙醇中，隨后取出干燥。第五步，封裝電池過程中在無機納米多孔二氧化鈦纖維膜中注入電解質(zhì)液，反電
4極采用鉬電極被覆聚酰亞胺膜，所用的電解質(zhì)液是含有1-丙基2，3- 二甲基咪唑碘化物 (0. 6M)，四丁基吡啶(0. 5M)，碘化鋰(0. 1M)和碘的乙腈溶液(0. 05M)。經(jīng)過測試所制備的 無機納米多孔二氧化鈦纖維染料敏化太陽能電池轉(zhuǎn)化率可以到達10%。實施例2第一步，將銻摻雜二氧化錫導電玻璃浸入四氟化鈦溶液(0. 04M)中，在60°C下處 理12個小時，作為染料敏化太陽能電池的透明導電基底材料。第二步，將聚丙烯腈(Mn 80000)溶解于二甲基甲酰胺溶液中，配制成濃度為15% 的溶液(以質(zhì)量百分數(shù)計算)；然后將1克四異丙氧基鈦和0. 5克乙酸添加到5克預先配 制好的聚丙烯腈溶液中，攪拌形成均一溶液。將制備好的溶液在室溫下進行靜電紡絲，所采 用的紡絲條件為電壓為20千伏，纖維接收距離為15厘米，溶液注射速度為1毫升/小時， 靜電紡絲所制備的纖維直接沉積到第一步預先準備好的導電透明基底上形成纖維膜。第三步，將第二步得到的纖維膜連同導電透明基底一起加熱到120°C，并保持15 分鐘，然后施加IOMPa的壓力；然后將制備好的纖維膜在500°C下煅燒一個小時，煅燒后纖 維膜的厚度為20微米。第四步，將第三步得到的纖維膜連同導電透明基底一起浸入到0. 3mM的順-二硫 氰根-雙(2，2’_聯(lián)吡啶-4，4’_ 二羧酸)合釕(II)無水乙醇溶液中，室溫下保持20小時， 然后再浸入到無水乙醇中，隨后取出干燥。第五步，封裝電池。封裝電池過程中在無機納米多孔二氧化鈦纖維膜中注入電解 質(zhì)液，反電極采用鉬電極被覆聚酰亞胺膜，所用的電解質(zhì)液是含有1-丙基2，3-二甲基咪唑 碘化物(0. 6M)，四丁基吡啶(0. 5M)，碘化鋰(0. 1M)和碘的乙腈溶液(0. 05M)。經(jīng)過測試所 制備的無機納米多孔二氧化鈦纖維染料敏化太陽能電池轉(zhuǎn)化率可以到達9%。實施例3第一步，將氧化銦錫導電玻璃浸入四氟化鈦溶液(0. 04M)中，在60°C下處理12個 小時，作為染料敏化太陽能電池的透明導電基底材料。第二步，將聚丁二酸丁二醇酯(Mn 20000)解于二氯甲烷/三氯甲烷(重量比3/1) 溶液中，配制成濃度為13%的溶液(以質(zhì)量百分數(shù)計算)；然后將4克二氧化鈦納米顆粒 (阿拉丁網(wǎng)商品形式購買，粒徑10-100納米)添加到20克預先配制好的聚丁酸丁二醇酯溶 液中，攪拌形成均一溶液。將制備好的溶液在室溫下進行靜電紡絲，所采用的紡絲條件為電 壓為20千伏，纖維接收距離為15厘米，溶液注射速度為1毫升/小時，靜電紡絲所制備的 纖維直接沉積到第一步預先準備好的導電透明基底上。第三步，將第二步得到的纖維膜連同導電透明基底一起加熱到120°C，并保持15 分鐘，然后施加IOMPa的壓力；然后將制備好的纖維膜在500°C下煅燒一個小時，煅燒后纖 維膜的厚度為10微米。第四步，將第三步得到的纖維膜連同導電透明基底一起浸入到0. 3mM的順-二硫 氰根-雙(2，2’_聯(lián)吡啶-4，4’_ 二羧酸)合釕(II)無水乙醇溶液中，室溫下保持20小時， 然后再浸入到無水乙醇中，隨后取出干燥。第五步，封裝電池過程中在無機納米多孔二氧化鈦纖維膜中注入電解質(zhì)液，反電 極采用鉬電極被覆聚酰亞胺膜，所用的電解質(zhì)液是含有1-丙基2，3- 二甲基咪唑碘化物 (0. 6M)，四丁基吡啶(0. 5M)，碘化鋰(0. 1M)和碘的乙腈溶液(0. 05M)。經(jīng)過測試所制備的
5無機納米多孔二氧化鈦纖維染料敏化太陽能電池轉(zhuǎn)化率可以到達8. 5%。其它實施例，不同在于制備無機納米多孔二氧化鈦纖維膜中所使用聚合物不同以 及吸附的染料不同。實施例4第一步，將氧化銦錫導電玻璃浸入四氟化鈦溶液(0. 04M)中，在60°C下處理12個 小時，作為染料敏化太陽能電池的透明導電基底材料。第二步，將聚己內(nèi)脂(113kDa)解于三氯甲烷溶液中，配制成濃度為13%的溶 液(以質(zhì)量百分數(shù)計算)；然后將4克二氧化鈦納米顆粒(阿拉丁網(wǎng)商品形式購買，粒徑 10-100納米)添加到20克預先配制好的聚己內(nèi)脂溶液中，攪拌形成均一溶液。將制備好 的溶液在室溫下進行靜電紡絲，所采用的紡絲條件為電壓為15千伏，纖維接收距離為10厘 米，溶液注射速度為1毫升/小時，靜電紡絲所制備的纖維直接沉積到第一步預先準備好的 導電透明基底上。第三步，將第二步得到的纖維膜連同導電透明基底一起加熱到150°C，并保持15 分鐘，然后施加IOMPa的壓力；然后將制備好的纖維膜在500°C下煅燒一個小時，煅燒后纖 維膜的厚度為10微米。第四步，將第三步得到的纖維膜連同導電透明基底一起浸入到0. 3mM的順-二硫 氰根-雙(2，2’_聯(lián)吡啶-4，4’_ 二羧酸)合釕(II)無水乙醇溶液中，室溫下保持20小時， 然后再浸入到無水乙醇中，隨后取出干燥。第五步，封裝電池過程中在無機納米多孔二氧化鈦纖維膜中注入電解質(zhì)液，反電 極采用鉬電極被覆聚酰亞胺膜，所用的電解質(zhì)液是含有1-丙基2，3- 二甲基咪唑碘化物 (0. 6M)，四丁基吡啶(0. 5M)，碘化鋰(0. 1M)和碘的乙腈溶液(0. 05M)。經(jīng)過測試所制備的 無機納米多孔二氧化鈦纖維染料敏化太陽能電池轉(zhuǎn)化率可以到達8.5%。其它實施例，不同在于制備無機納米多孔二氧化鈦纖維膜中所使用聚合物不同以 及吸附的染料不同。
權利要求
一種染料敏化太陽能電池的制備方法，其特征在于，具體步驟為第一步、將導電玻璃浸入含鈦溶液中，干燥得到導電透明基底；第二步、將疏水性聚合物溶解于溶劑中，添加二氧化鈦納米顆粒或可水解的鈦鹽，將所得溶液進行靜電紡絲，將所紡制的纖維直接沉積到第一步得到的導電透明基底上形成纖維膜；第三步、將第二步得到的纖維膜連同導電透明基底一起在1 10MPa壓力、90 120℃下，經(jīng)過15 60分鐘熱壓處理，隨后進行400 500℃煅燒，以除去纖維膜中的有機成分；第四步、將第三步得到的纖維膜連同導電透明基底一起浸入敏化染料溶液中，干燥；第五步、在纖維膜中注入電解質(zhì)溶液，采用被覆聚酰亞胺膜或聚對苯二甲酸乙二醇酯膜的鉑電極為反電極，封裝太陽能電池。
2.如權利要求1所述的染料敏化太陽能電池的制備方法，其特征在于，所述第一步中 的導電玻璃為氟摻雜二氧化錫導電玻璃、銻摻雜二氧化錫導電玻璃或氧化銦錫導電玻璃。
3.如權利要求1所述的染料敏化太陽能電池的制備方法，其特征在于，所述第一步中 的含鈦溶液為四氟化鈦溶液。
4.如權利要求1所述的染料敏化太陽能電池的制備方法，其特征在于，所述第二步中 的疏水性聚合物為乙基纖維素、醋酸纖維素酯、聚丙烯腈、聚苯乙烯、玉米蛋白、聚甲基丙烯 酸甲酯、聚碳酸酯、聚醋酸乙烯酯、聚乳酸、聚氯乙烯、聚己內(nèi)脂、聚丁二酸丁二醇酯、聚丁二 酸丁二醇-共-對苯二甲酸丁二醇酯、聚羥基戊酸酯或聚酰胺。
5.如權利要求1所述的染料敏化太陽能電池的制備方法，其特征在于，所述第二步中 的溶劑為N，N-二甲基甲酰胺，N，N-二甲基乙酰胺，四氫呋喃，二氯甲烷，二氯乙烷，三氯甲 烷，一氯甲烷，丙酮，甲酸，甲苯以及環(huán)己烷一種或兩種混合物。
6.如權利要求1所述的染料敏化太陽能電池的制備方法，其特征在于，所述可水解的 鈦鹽為四異丙氧基鈦。
7.如權利要求1所述的染料敏化太陽能電池的制備方法，其特征在于，所述第三步煅 燒后的纖維膜的厚度為1-20微米。
8.如權利要求1所述的染料敏化太陽能電池的制備方法，其特征在于，所述第四步中 的敏化染料為順-二硫氰根-雙(2，2’_聯(lián)吡啶-4，4’_ 二羧酸)合釕(II)、順-二氯-雙 (2,2'-聯(lián)吡啶-4，4’ - 二羧酸)合釕(II)、順-二溴-雙(2，2’ -聯(lián)吡啶-4，4’ - 二羧酸) 合釕(II)、順-二碘-雙(2，2’_聯(lián)吡啶-4，4’_ 二羧酸)合釕(II)、卟啉、酞菁、氧化蒽或 聚酞菁。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種染料敏化太陽能電池的制備方法，其特征在于，具體步驟為將導電玻璃浸入含鈦溶液中，干燥得到導電透明基底；將疏水性聚合物溶解于溶劑中，添加二氧化鈦納米顆粒或可水解的鈦鹽，靜電紡絲形成纖維膜；將纖維膜熱壓，煅燒，以除去纖維膜中的有機成分；將纖維膜浸入敏化染料溶液中，干燥；封裝太陽能電池。本發(fā)明的優(yōu)點是具有較高的光電轉(zhuǎn)化效率。
文檔編號H01M14/00GK101937777SQ20101023119
公開日2011年1月5日 申請日期2010年7月20日 優(yōu)先權日2010年7月20日
發(fā)明者丁彬, 俞建勇, 孫剛, 林金友 申請人:東華大學