專利名稱：一種雙面透光柔性染料敏化太陽能電池及其專用光陽極的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種雙面透光柔性染料敏化太陽能電池及其專用光陽極。
背景技術(shù)：
為了解決能源問題，更低廉、性能更高的新型太陽能電池的開發(fā)一直在持續(xù)進行著。染料太陽能電池由于其低廉的制造成本、較高的轉(zhuǎn)換效率以及所依賴的材料在地殼中豐度較高等優(yōu)點在全世界科研與實際應(yīng)用中得到了極大的發(fā)展。傳統(tǒng)染料敏化電池大多采用ITO或FTO等透明導(dǎo)電工作電極襯底，二氧化鈦作為染料敏化層對太陽光進行吸收利用。 但是由于組成ITO的銦元素在地殼中的分布較少，還有其柔韌度不強，而面臨諸多發(fā)展的障礙。近年來，柔性襯底的染料敏化太陽能電池由于其較好的柔韌性，和便于大面積生產(chǎn)而受到越來越多的關(guān)注。2008年，北京大學(xué)鄒德春等人發(fā)明了一種基于金屬纖維的染料敏化電池。其主要構(gòu)造為用導(dǎo)電絲狀基體和敏化半導(dǎo)體薄膜組成工作電極，敏化半導(dǎo)體薄膜為由吸附敏化染料分子的大小各異的半導(dǎo)體粒子構(gòu)成的多孔薄膜結(jié)構(gòu)，敏化半導(dǎo)體薄膜包附在導(dǎo)電絲狀基體表面。用另一金屬鉬作為對電極。兩根金屬絲纏繞在一起，從而構(gòu)成金屬絲狀的染料敏化電池。(Xing Fan, Zengze Chu, Fuzhi Wang, Chao Zhang, Lin Chen, Yanwei Tang, and Dechun Zou，Adv. Mater. 2008,20,592)此種工藝存在的問題是工作電極和對電極的兩根金屬絲的接觸無法保證，尤其當(dāng)彎折時，接觸不是很好。而且兩根金屬電極的纏繞勢必會阻擋光的有效吸收，這樣會嚴(yán)重影響電池的光電轉(zhuǎn)換效率。另外一種方法是使用鈦絲外生長的二氧化鈦納米管作為工作電極，金屬鉬絲為對電極，將兩根金屬絲封裝到一根充滿電解液的玻璃管中，但這樣無法實現(xiàn)器件的柔性要求，并且不利于大規(guī)模生產(chǎn)。(Liu，Z. ；Misra, M.ACS Nano 2010，4，2196-2200.)最近出現(xiàn)了一種利用將碳納米管薄膜包覆在鈦絲生長的二氧化鈦納米管外制備單根金屬絲染料敏化太陽能電池的方法，但此種方法需要額外進行碳納米管的制備轉(zhuǎn)移和包覆等附件流程，增加了制作成本，并且對效率的提高不是很高。(Sen Zhang,Chunyan Ji,ZhuqiangBian,Runhua Liu,Xinyuan Xia,Daqin Yun,Luhui Zhang,Chunhui Huang, and AnyuanCao, Nano Lett.2011,11,3383-3387)

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的一個目的是提供一種染料敏化太陽能電池的光陽極及其制備方法。本發(fā)明所提供的染料敏化太陽能電池的光陽極，其為表面沉積氧化鋅納米線陣列或鋁摻雜氧化鋅納米線陣列的襯底，所述襯底為表面鈍化的金屬絲。其中，所述金屬絲包括純金屬絲或不銹鋼絲。所述純金屬絲具體可由下述任意一種金屬制成金、銀、銅、鐵、鎢和鋁。所述金屬材料絲的直徑為10-500 μ m。制備上述染料敏化太陽能電池的光陽極的方法，包括下述步驟1)對金屬材料絲進行表面鈍化處理，得到表面鈍化的金屬絲；2)采用化學(xué)氣相沉積法在所述表面鈍化的金屬絲上沉積氧化鋅納米線陣列或鋁摻雜氧化鋅納米線陣列，得到所述染料敏化太陽能電池的光陽極。上述步驟1)中對金屬絲進行表面鈍化處理的方法如下將金屬絲放入濃硫酸和雙氧水的混合溶液中于70-95°C浸泡10-60分鐘即得；所述濃硫酸為質(zhì)量分數(shù)98%的硫酸溶液，所述混合液中濃硫酸和雙氧水的體積比為4 1-6 1。上述步驟幻中在表面鈍化的金屬絲上沉積鋁摻雜氧化鋅納米線陣列的具體方法如下將鋅粉與三氯化鋁的混合粉末按照質(zhì)量比3 1的比例放入管式爐中加熱到 600-800°C，通入lOOsccm的氬氣作為載氣、2-8sCCm的氧氣為反應(yīng)氣體，金屬材料絲置于氣體下游，沉積4-10分鐘即得。本發(fā)明的再一個目的是提供一種柔性且雙面透光的染料敏化太陽能電池及其制備方法。本發(fā)明所提供的染料敏化太陽能電池，其包括本發(fā)明制備的光陽極、與所述光陽極相對且間隔放置的對電極、填充到所述光陽極與對電極之間的電解質(zhì)、吸附于所述光陽極的染料分子以及用于封裝所述光陽極、對電極和電解質(zhì)的透明柔性襯底。上述染料敏化太陽能電池中的光陽極通常與對電極間隔相對且平行排列，其間距可為 10-50 μ m。所述對電極具體可為鉬絲或者表面鍍鉬的金屬絲，其直徑可為10-500 μ m。常規(guī)的透明柔性襯底均可作為本發(fā)明的封裝材料，具體可為聚對苯二甲酸乙二酯 (PET)或聚二甲基硅氧烷(PDMS)。所述透明柔性襯底的厚度可為30-100 μ m。所述染料分子及電解液均為現(xiàn)有染料敏化太陽能電池中常用的染料分子及電解液。本發(fā)明中所述染料敏化太陽能電池的制備方法，包括下述步驟1)將本發(fā)明提供的光陽極置于染料分子溶液中浸泡，使光陽極中的氧化鋅納米線陣列或鋁摻雜的氧化鋅納米線陣列充分吸收染料分子；2)取出處理后的光陽極用無水乙醇將其表面物理吸附的染料分子沖洗干凈；3)將染料敏化好的光陽極與對電極封裝于雙層透明柔性襯底之間，所述光陽極與對電極相對且間隔放置；4)將電解液灌沖進雙層透明柔性襯底之間，得到了所述染料敏化太陽能電池。本發(fā)明所提供的雙面柔性染料敏化太陽能電池樣品在1.5AM光照下開路電壓 0. 5V，短路電流密度18mA/cm2，光譜響應(yīng)范圍從450nm到700nm。本發(fā)明提供的新型雙面透光柔性染料敏化太陽能電池的專用光陽極，其制備方法簡便，采用自然界富集的鋅粉作為原材料，可以在各種金屬絲上實現(xiàn)氧化鋅納米線陣列的制備，大大降低了制作成本。采用透明柔性襯底對所述光陽極和對電極進行封裝，實現(xiàn)了真正的柔性功能，在彎折情況下光伏性能沒有明顯下降。由于獨特的制備工藝，極易實現(xiàn)卷對卷的大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)。器件雙面透光，器件超薄，非常適合作為貼膜使用，用法靈活，可以在建筑窗戶，汽車玻璃等方面作為貼膜使用，應(yīng)用前景十分廣闊。本發(fā)明提供的雙面透光柔性染料敏化太陽能電池，與現(xiàn)有的基于金屬絲外包覆二氧化鈦漿料或納米管的染料敏化太陽能電池相比，具有以下突出的優(yōu)點1)本發(fā)明利用在金屬絲(如不銹鋼)上沉積的氧化鋅納米線陣列作為染料敏化電池的光陽極，極大的擴展了光陽極的比表面積。由于納米線陣列排列規(guī)整，在極寬的光譜范圍內(nèi)表現(xiàn)出極低的反射率。氧化鋅與目前廣泛采用的二氧化鈦光陽極相比，擁有更高的電子遷移率和低復(fù)合率，并且容易在各種金屬絲狀襯底上生長制備，得到晶體質(zhì)量很好的納米線陣列，適用性更廣，更易實現(xiàn)。不同于目前常用的二氧化鈦漿料或納米管作為光陽極， 目前尚無文獻報道；2)本發(fā)明將工作電極和對電極的金屬絲封裝入透明柔性的襯底中，實現(xiàn)了真正意義上了透明柔性染料敏化電池?？梢宰鳛楠毩⑵骷M行使用。由于其全透明的特質(zhì)，可以實現(xiàn)獨特的雙面吸收光線。更加有利于在建筑上使用，實現(xiàn)白天吸收室外光能，夜間吸收室內(nèi)光能。3)本發(fā)明沉積氧化鋅納米線陣列的速度快，并且由于沉積的載體是不銹鋼微米絲，有利于使用卷對卷工藝進行快速大量生產(chǎn)。由于電池的基本構(gòu)筑單元為金屬絲和金屬鉬絲，可以簡單實現(xiàn)平面網(wǎng)格狀太陽能電池，從而大大提高利用太陽能的效率。4)本發(fā)明雙面柔性染料敏化太陽能電池具有非常薄的厚度，可以作為玻璃貼膜方便的使用，可以作為建筑或汽車貼膜，便于普及太陽能電池在舊民居中的應(yīng)用。5)本發(fā)明方法簡單，成本低，重復(fù)性很好。


圖1是本發(fā)明提供的新型雙面透光柔性染料敏化太陽能電池的器件結(jié)構(gòu)示意圖。圖2是本發(fā)明新型雙面透光柔性染料敏化太陽能電池的實物照片。圖3是在不銹鋼絲表面沉積完氧化鋅納米線陣列(左)與氧化鋅納米線陣列(右) 的掃描電子顯微鏡照片。圖4為對氧化鋅納米線陣列進行染料敏化后，取出的單根氧化鋅納米線的透射電子顯微鏡照片，其中左為低倍照片，右為高倍照片。圖5為本發(fā)明制備的雙面透光柔性染料敏化太陽能電池的外量子效率響應(yīng)曲線。圖6為本發(fā)明制備的雙面透光柔性染料敏化太陽能電池在1. 5AM光照下電流電壓響應(yīng)曲線。圖7為本發(fā)明制備的雙面透光柔性染料敏化太陽能電池為展示其彎折性能。圖8為本發(fā)明制備的雙面透光柔性染料敏化太陽能電池在雙面加光下的光伏性能。
具體實施例方式下面通過具體實施例對本發(fā)明進行說明，但本發(fā)明并不局限于此。下述實施例中所述實驗方法，如無特殊說明，均為常規(guī)方法；所述試劑和材料，如無特殊說明，均可從商業(yè)途徑獲得。實施例1、制備雙面柔性染料敏化太陽能電池1)將金屬鉬絲(直徑為40微米)與不銹鋼絲(直徑為50微米)放入濃硫酸(質(zhì)量份數(shù)98%)與雙氧水體積比為4 1的混合溶液中于95°C浸泡30分鐘，去除表面有機物，再用去離子水沖洗三次，得到表面鈍化的金屬鉬絲和表面鈍化的不銹鋼絲。2)在表面鈍化的不銹鋼絲表面采用化學(xué)氣相沉積的方法沉積鋁摻雜氧化鋅納米線陣列；具體方法為將鋅粉與三氯化鋁的混合粉末(質(zhì)量比3 1)放入管式爐中加熱到700°C通入lOOsccm的氬氣作為載氣，Ssccm的氧氣為反應(yīng)氣體，不銹鋼線在氣體下游，沉積時間為5分鐘。3)將沉積鋁摻雜氧化鋅納米線陣列的不銹鋼絲在N719乙醇溶液(0. 5mM)中50°C 條件下浸泡10分鐘，使鋁摻雜氧化鋅納米線陣列充分吸收染料分子；4)取出不銹鋼絲用無水乙醇將其表面物理吸附的染料分子沖洗干凈；5)將染料敏化好的沉積有鋁摻雜氧化鋅納米線陣列的不銹鋼絲與表面鈍化的鉬絲平行緊靠，間距為10微米，用雙面膠(300LSE，3M)封裝到80微米厚的雙層透明聚對苯二甲酸乙二酯(PET)塑料之間；6)把0. 5M碘化鋰、0. 5M碘、0. 05M高氯酸鋰與0. 5M四叔丁基吡啶的乙腈溶液作為電解液灌沖進雙層PET薄膜之間，從而實現(xiàn)了整個電池的組裝與封接。上述步驟2)得到的不銹鋼絲表面沉積鋁摻雜的氧化鋅納米線陣列與鋁摻雜的氧化鋅納米線陣列的掃描電子顯微鏡照片如圖3所示。由圖3可知，鋁摻雜氧化鋅納米線陣列在不銹鋼絲表面實現(xiàn)了完美的全覆蓋，鋁摻雜氧化鋅納米線的長度為2. 4μπι，鋁摻雜氧化鋅緩沖層為1.3μπι。對氧化鋅納米線陣列進行染料敏化后，取出的單根氧化鋅納米線的透射電子顯微鏡照片如圖4所示。由圖4可知，氧化鋅納米線具有完美的單晶性，并且染料分子在氧化鋅納米線表面分布均勻，厚度為2nm。對所制備的雙面透光柔性染料敏化太陽能電池的光電性能進行測試，圖5是使用內(nèi)量子效率測試系統(tǒng)(頤光科技公司)測量的染料敏化太陽能電池的外量子效率響應(yīng)曲線，由圖5可知染料敏化太陽能電池的吸收范圍為450nm到650nm，吸收峰在525nm附近。圖6為染料敏化太陽能電池在1. 5AM光照下電流電壓響應(yīng)曲線，由圖6可知染料敏化太陽能電池在1. 5AM光照下開路電壓為0. M5V，短路電流密度6. 3mA/cm2。圖7為染料敏化太陽能電池彎折下的光伏性能，由圖7可知，本發(fā)明的染料敏化太陽能電池器件在不同的彎折程度下性能基本沒有受到影響，甚至是彎折107度的時候器件的光伏性能都沒有發(fā)生變化。圖8為染料敏化太陽能電池在雙面加光下的光伏性能。從正面和背面加光，器件都可以做出基本相同的響應(yīng)。當(dāng)兩面同時受光照的時候，器件的開路電壓不變，短路電流增大了兩倍。
權(quán)利要求
1.一種染料敏化太陽能電池的光陽極，其特征在于所述光陽極為表面沉積氧化鋅納米線陣列或鋁摻雜氧化鋅納米線陣列的襯底，所述襯底為表面鈍化的金屬絲。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的染料敏化太陽能電池的光陽極，其特征為所述金屬絲為純金屬絲或不銹鋼絲；所述純金屬絲由下述任意一種金屬制成金、銀、銅、鐵、鎢和鋁；所述金屬材料絲的直徑為10-500 μ m。
3.制備權(quán)利要求1或2所述染料敏化太陽能電池的光陽極的方法，包括下述步驟1) 對金屬材料絲進行表面鈍化處理，得到表面鈍化的金屬絲；.2)采用化學(xué)氣相沉積法在所述表面鈍化的金屬絲上沉積氧化鋅納米線陣列或鋁摻雜氧化鋅納米線陣列，得到所述染料敏化太陽能電池的光陽極。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于步驟1)中對金屬絲進行表面鈍化處理的方法如下將金屬材料絲放入濃硫酸和雙氧水的混合溶液中于70-95°C浸泡10-60分鐘即得；所述濃硫酸為質(zhì)量分數(shù)98%的硫酸溶液，所述混合液中濃硫酸和雙氧水的體積比為 4:1-6:1。
5.根據(jù)權(quán)利要求3或4所述的方法，其特征在于步驟幻中在表面鈍化的金屬絲上沉積鋁摻雜氧化鋅納米線陣列的方法如下將鋅粉與三氯化鋁的混合粉末按照質(zhì)量比3 1 的比例放入管式爐中加熱到600-800°C，通入lOOsccm的氬氣作為載氣、2-8sCCm的氧氣為反應(yīng)氣體，金屬材料絲置于氣體下游，沉積4-10分鐘即得。
6.一種染料敏化太陽能電池，其包括權(quán)利要求1或2所述的光陽極、與所述光陽極相對且間隔放置的對電極、填充到所述光陽極與對電極之間的電解質(zhì)、吸附于所述光陽極的染料分子以及用于封裝所述光陽極、對電極和電解質(zhì)的透明柔性襯底。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的染料敏化太陽能電池，其特征在于所述光陽極與對電極間隔相對且平行排列，間距為10-50 μ m;所述對電極為鉬絲或者表面鍍鉬的金屬絲，其直徑為 10-500 μ m。
8.根據(jù)權(quán)利要求6或7所述的染料敏化太陽能電池，其特征在于所述透明柔性襯底為聚對苯二甲酸乙二酯或聚二甲基硅氧烷，所述透明柔性襯底的厚度為30-100 μ m。
9.制備權(quán)利要求6-8中任一項所述染料敏化太陽能電池的方法，包括下述步驟.1)將權(quán)利要求1或2所述光陽極置于染料分子溶液中浸泡，使光陽極中的氧化鋅納米線陣列或鋁摻雜氧化鋅納米線陣列充分吸收染料分子；.2)取出處理后的光陽極用無水乙醇將其表面物理吸附的染料分子沖洗干凈；.3)將染料敏化好的光陽極與對電極封裝于雙層透明柔性襯底之間，所述光陽極與對電極相對且間隔放置；.4)將電解液灌沖進雙層透明柔性襯底之間，得到了所述染料敏化太陽能電池。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其特征在于步驟3)中所述對電極為鉬絲或者表面鍍鉬金屬絲，其直徑為10-500 μ m ；所述對電極所述光陽極與對電極間隔相對平行排列，間距為10-500 μ m ；步驟4)中所述透明柔性襯底為聚對苯二甲酸乙二酯或聚二甲基硅氧烷，所述透明柔性襯底的厚度為30-100 μ m。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種柔性雙面透明的染料敏化太陽能電池及其專用光陽極。該染料敏化太陽能電池，其包括光陽極、與所述光陽極相對且間隔放置的對電極、填充到所述光陽極與對電極之間的電解質(zhì)、吸附于所述光陽極的染料分子以及用于封裝所述光陽極、對電極和電解質(zhì)的透明柔性襯底；其中，所述光陽極為表面沉積氧化鋅納米線陣列或鋁摻雜的氧化鋅納米線陣列的襯底，所述襯底為表面鈍化的金屬絲。所述染料敏化太陽能電池的制作流程簡單，成本低，該電池在可見光波段有很好的光電響應(yīng)，可以實現(xiàn)雙面透光，彎折性能好，且器件超薄，非常適合作為貼膜使用，用法靈活，可以在建筑窗戶，汽車玻璃等方面作為貼膜使用，應(yīng)用前景十分廣闊。
文檔編號H01L51/44GK102568842SQ20121003051
公開日2012年7月11日 申請日期2012年2月10日 優(yōu)先權(quán)日2012年2月10日
發(fā)明者俞大鵬, 王偉, 趙清 申請人:北京大學(xué)