專利名稱：柔性塑料基底的染料敏化太陽(yáng)能電池光陽(yáng)極的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于染料敏化太陽(yáng)能電池的制備領(lǐng)域，特別涉及一種柔性塑料基底的染料敏化太陽(yáng)能電池光陽(yáng)極的制備方法。
背景技術(shù)：
1991年瑞士聯(lián)邦聞等工業(yè)學(xué)院(EPFL)的GrStzel等制備了一種類似于植物光合作用原理的新型太陽(yáng)能電池，稱為染料敏化納米晶太陽(yáng)能電池(Dye-Sensitized Solar Cells,DSSCs)。由于其成本低廉、原材料來(lái)源廣泛、制備工藝簡(jiǎn)單、光電轉(zhuǎn)化效率較高，因而以后將有可能取代硅太陽(yáng)能電池得到廣泛應(yīng)用。傳統(tǒng)的DSSCs是將納米氧化物漿料涂覆到鍍有銦錫金屬氧化物導(dǎo)電層的玻璃 (FT0或ΙΤ0)上，經(jīng)過(guò)400 500°C的高溫?zé)Y(jié)得到多孔薄膜。以玻璃為基板的DSSCs存在易碎、重量大和價(jià)格高的問(wèn)題。為了解決這些問(wèn)題，人們開(kāi)發(fā)了柔性DSSC。柔性DSSCs以輕質(zhì)的塑料薄膜或金屬箔為基板，然而由于金屬箔不透光，使得電池需從對(duì)電極一面受光，光線依次通過(guò)對(duì)電極和電解液時(shí)有一部分太陽(yáng)光被損耗掉，降低了電池效率。因此開(kāi)發(fā)可以正面透光、輕質(zhì)、柔性的塑料基底的染料敏化太陽(yáng)能電池具有重要意義?；谌嵝运芰匣椎娜玖厦艋?yáng)能電池面臨的最大問(wèn)題是塑料基底受熱溫度必須控制在150°C以下，并不能像玻璃基底一樣承受400 500°C的燒結(jié)溫度。因此需要采用其他辦法成膜，例如=Zhang等人將P25納米TiO2顆粒分散在TiCl4JiOSO4或TTIP前驅(qū)物分子的水或乙醇溶液中制成TiO2漿糊，在柔性的塑料導(dǎo)電襯底上制備TiO2膜，自然晾干后放入100°C的高壓釜中用水蒸氣進(jìn)行12h的水熱處理，制得柔性電極，用這種電極組裝的柔性 DSSCs 的光電轉(zhuǎn)換效率達(dá) 2. 5% (Zhang, D. S.，et al. Adv. Funct. Mater. ,2006,16， 1228. )。Miyasaka等用電泳沉積法，將塑料薄膜基板放在持續(xù)35 36V的直流電場(chǎng)中低溫制備了 TiO2膜，但這種方法制備的薄膜表面有大量裂紋，影響最終電池的性能(Miyasaka， T.，et al. J. Electrochem. Soc. , 2004,151,1767.)。Murakami 等先用電泳法在 ITO-PET 基板上沉積無(wú)黏合劑TiO2薄膜，之后將其置于鈦酸異丙酯中進(jìn)行化學(xué)氣相沉積(CVD)對(duì)裂紋處理，產(chǎn)生新的TiO2粒子，使電泳法制備的薄膜中TiO2顆粒之間的網(wǎng)絡(luò)連接更好。隨后在低于110°c的條件下進(jìn)行紫外輻照處理，相應(yīng)的電池光電轉(zhuǎn)換效率達(dá)3. 18% (Murakami, T. N.，et al. J. Photoch. Photobio. A.，2004,164,187.)。但以上幾種低溫制備氧化物薄膜的工藝過(guò)于復(fù)雜，很難得到規(guī)?；瘧?yīng)用。機(jī)械加壓法也可用于制備柔性塑料基底的染料敏化太陽(yáng)能電池光陽(yáng)極，生產(chǎn)條件簡(jiǎn)單。瑞典Uppsala大學(xué)的Hagfeldt教授首次將加壓法引入到柔性塑料基底的染料敏化太陽(yáng)能電池光陽(yáng)極制備過(guò)程中來(lái)。他們將P25納米粉分散到乙醇中制成漿料，然后在室溫下把漿料涂到柔性基底上，通過(guò)輥軋的方法成膜，他們這種柔性光陽(yáng)極組裝成電池后在O. I 個(gè)太陽(yáng)下可以得到4. 9%的效率，但是在I個(gè)太陽(yáng)光下電池效率會(huì)大幅下滑(Lindstrom，
H., et al. Nano Lett. , 2001,1,97.)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是提供一種柔性塑料基底的染料敏化太陽(yáng)能電池光陽(yáng)極的制備方法，該方法采用冷等靜壓技術(shù)對(duì)氧化物薄膜施壓，使氧化物薄膜緊密、均勻的附著在塑料基底表面，工藝路線簡(jiǎn)便，而且可以批量化生產(chǎn)，具有產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用的前景。本發(fā)明的一種柔性塑料基底的染料敏化太陽(yáng)能電池光陽(yáng)極的制備方法，包括(I)將鍍有銦錫氧化物導(dǎo)電層的塑料薄膜依次用洗滌劑、去離子水、無(wú)水乙醇分別超聲清洗5 15分鐘，烘干，得到經(jīng)過(guò)預(yù)處理的塑料基底；(2)將納米氧化物顆粒分散到溶劑中，手工研磨或機(jī)械球磨2 12小時(shí)，制備成質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10 40%的均勻的納米氧化物漿料；(3)將步驟(I)得到的塑料薄膜經(jīng)過(guò)預(yù)處理，得到預(yù)處理后的塑料薄膜；然后采用刮涂或旋涂的方法，將上述納米氧化物漿料均勻涂覆到預(yù)處理后的塑料薄膜的表面，在室溫下自然晾干后形成氧化物薄膜，得到涂覆有氧化物顆粒的塑料薄膜； (4)將上述涂覆有氧化物顆粒的塑料薄膜放入密封的模具中，抽真空，然后將模具采用冷等靜壓技術(shù)處理，施加50 200兆帕的壓強(qiáng)，保壓時(shí)間為30 120秒，即得到基于塑料基底的柔性染料敏化太陽(yáng)能電池光陽(yáng)極。所述步驟(I)中的塑料薄膜為透明或半透明的聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯塑料薄膜、 聚萘二甲酸乙二醇酯塑料薄膜或聚酰亞胺薄膜。所述步驟(2)中的納米氧化物顆粒為氧化鈦納米顆粒、氧化鋅納米顆粒、氧化鎢納米顆粒、氧化鈮納米顆粒、氧化鋁納米顆?；蜓趸k納米顆粒。所述步驟⑵中的溶劑為水、乙醇、丙酮中的一種或幾種的混合溶劑。所述步驟(3)中的預(yù)處理為紫外-臭氧處理或等離子處理。所述步驟(3)中的氧化物薄膜的厚度為2 20微米。利用機(jī)械加壓或?qū)仚C(jī)施壓得到的氧化物薄膜不均勻，因此得到的柔性染料敏化太陽(yáng)能電池效率不高，而采用等靜壓技術(shù)可以解決這個(gè)問(wèn)題。等靜壓工作原理為帕斯卡定律“在密閉容器內(nèi)的介質(zhì)(液體或氣體)壓強(qiáng)，可以向各個(gè)方向均等地傳遞?！崩涞褥o壓成型是將待壓試樣置于高壓容器中，在常溫下，利用液體介質(zhì)不可壓縮的性質(zhì)和均勻傳遞壓力的性質(zhì)從各個(gè)方向?qū)υ嚇舆M(jìn)行均勻加壓，其壓強(qiáng)大小不變且均勻地傳遞到各個(gè)方向。因此本發(fā)明用冷等靜壓技術(shù)對(duì)涂覆過(guò)氧化物薄膜的塑料基底施壓，可以得到致密、均勻的柔性染料敏化太陽(yáng)能電池光陽(yáng)極。冷等靜壓利用液體介質(zhì)不可壓縮的性質(zhì)和均勻傳遞壓力的性質(zhì)從各個(gè)方向?qū)υ嚇舆M(jìn)行均勻加壓，可以得到更均勻的氧化物薄膜，進(jìn)而提高柔性染料敏化太陽(yáng)能電池的效率。本發(fā)明在清洗好的并經(jīng)過(guò)預(yù)處理的導(dǎo)電塑料基底表面涂覆一層納米氧化物漿料， 待其自然晾干后將整個(gè)塑料薄膜放入密封的模具中，抽真空，然后將模具置于冷等靜壓機(jī)的液壓油中，施加一定的壓強(qiáng)和保壓時(shí)間，氧化物薄膜便可緊密、均勻的結(jié)合在塑料基底表面，即可得到基于塑料基底的柔性染料敏化太陽(yáng)能電池光陽(yáng)極。有益效果(I)本發(fā)明的工藝路線短，操作簡(jiǎn)單，冷等靜壓可以一次性對(duì)大量樣品施壓，具有批量化生產(chǎn)的前景；
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(2)本發(fā)明利用冷等靜壓技術(shù)對(duì)氧化物薄膜施壓，相對(duì)于機(jī)械加壓和對(duì)輥加壓，它可以施加高達(dá)200兆帕的壓力，從而使氧化物薄膜與塑料基底結(jié)合的更好，得到的電池的光電轉(zhuǎn)換效率較高。


圖I為實(shí)施例I圖2為實(shí)施例I圖3為實(shí)施例I圖4為實(shí)施例2
中基于柔性塑料基底的染料敏化太陽(yáng)能電池光陽(yáng)極的數(shù)碼照片； 中柔性光陽(yáng)極的場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡中基于柔性塑料基底的染料敏化太陽(yáng)能電池的電流-電壓曲線； 中基于柔性塑料基底的染料敏化太陽(yáng)能電池的電流-電壓曲線。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合具體實(shí)施例，進(jìn)一步闡述本發(fā)明。應(yīng)理解，這些實(shí)施例僅用于說(shuō)明本發(fā)明而不用于限制本發(fā)明的范圍。此外應(yīng)理解，在閱讀了本發(fā)明講授的內(nèi)容之后，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以對(duì)本發(fā)明作各種改動(dòng)或修改，這些等價(jià)形式同樣落于本申請(qǐng)所附權(quán)利要求書(shū)所限定的范圍。實(shí)施例I(I)將鍍有銦錫氧化物導(dǎo)電層的聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯薄膜(ITO-PET)依次用洗滌劑、去離子水、無(wú)水乙醇分別超聲清洗10分鐘，烘干備用。(2)將納米氧化鈦顆粒分散到乙醇溶劑中，機(jī)械球磨12小時(shí)，制備成質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 30%的均勻漿料；(3)將步驟(I)得到的清洗后的塑料基底經(jīng)過(guò)等離子預(yù)處理，然后采用刮涂的方法，將納米氧化鈦的漿料均勻涂覆到的塑料基底表面，在室溫下自然晾干后形成薄膜；(4)將涂覆有氧化鈦的塑料薄膜放入密封的模具中，抽真空，然后將模具置于冷等靜壓機(jī)的液壓油中，施加150兆帕的壓強(qiáng)，保壓時(shí)間為60秒，將塑料薄膜從模具中取出來(lái)， 即可得到基于塑料基底的柔性染料敏化太陽(yáng)能電池光陽(yáng)極。圖I為所得柔性光陽(yáng)極的數(shù)碼照片，圖2為柔性光陽(yáng)極的場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡圖，圖3為將其組裝成電池后的電流-電壓曲線。實(shí)施例2(I)將鍍有銦錫氧化物導(dǎo)電層的聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯薄膜(ITO-PET)依次用洗滌劑、去離子水、無(wú)水乙醇分別超聲清洗15分鐘，烘干備用；(2)將納米氧化鈦顆粒分散到水溶液中，手工研磨2小時(shí)，制備成質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10% 的均勻漿料；(3)將步驟(I)得到的清洗后的塑料基底經(jīng)過(guò)離子處理，然后采用旋涂的方法，將納米氧化鈦的漿料均勻涂覆到塑料基底的表面，在室溫下自然晾干后形成薄膜；(4)將涂覆有氧化鈦的塑料薄膜放入密封的模具中，抽真空，然后將模具置于冷等靜壓機(jī)的液壓油中，施加50兆帕的壓強(qiáng)，保壓時(shí)間為120秒，將塑料薄膜從模具中取出來(lái)， 即可得到基于塑料基底的柔性染料敏化太陽(yáng)能電池光陽(yáng)極。圖4為將其組裝成電池后的電流-電壓曲線。實(shí)施例3
(I)將鍍有銦錫氧化物導(dǎo)電層的聚萘二甲酸乙二醇酯塑料薄膜(ITO-PEN)依次用洗滌劑、去離子水、無(wú)水乙醇分別超聲清洗15分鐘，烘干備用；(2)將納米氧化鋅顆粒分散到丙酮中，機(jī)械球磨10小時(shí)，制備成質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20% 的均勻漿料；(3)將步驟(I)得到的清洗后的塑料基底經(jīng)過(guò)紫外-臭氧預(yù)處理，然后采用刮涂的方法，將納米氧化鋅的漿料均勻涂覆到的塑料基底的表面，在室溫下自然晾干后形成氧化物薄膜；(4)將涂覆有氧化物的塑料薄膜放入密封的模具中，抽真空，然后將模具置于冷等靜壓機(jī)的液壓油中，施加200兆帕的壓強(qiáng)，保壓時(shí)間為30秒，將塑料薄膜從模具中取出來(lái)， 即可得到基于塑料基底的柔性染料敏化太陽(yáng)能電池光陽(yáng)極。
權(quán)利要求
1.一種柔性塑料基底的染料敏化太陽(yáng)能電池光陽(yáng)極的制備方法，包括(1)將鍍有銦錫氧化物導(dǎo)電層的塑料薄膜依次用洗滌劑、去離子水、無(wú)水乙醇分別超聲清洗5 15分鐘，烘干；(2)將納米氧化物顆粒分散到溶劑中，手工研磨或機(jī)械球磨2 12小時(shí)，制備成質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10 40%的均勻的納米氧化物漿料；(3)將步驟(I)得到的塑料薄膜經(jīng)過(guò)預(yù)處理，得到預(yù)處理后的塑料薄膜；然后采用刮涂或旋涂的方法，將上述納米氧化物漿料均勻涂覆到預(yù)處理后的塑料薄膜的表面，在室溫下自然晾干后形成氧化物薄膜，得到涂覆有氧化物顆粒的塑料薄膜；(4)將上述涂覆有氧化物顆粒的塑料薄膜放入密封的模具中，抽真空，然后將模具采用冷等靜壓技術(shù)處理，施加50 200兆帕的壓強(qiáng)，保壓時(shí)間為30 120秒，即得。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種柔性塑料基底的染料敏化太陽(yáng)能電池光陽(yáng)極的制備方法，其特征在于所述步驟(I)中的塑料薄膜為聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯塑料薄膜、聚萘二甲酸乙二醇酯塑料薄膜或聚酰亞胺薄膜。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種柔性塑料基底的染料敏化太陽(yáng)能電池光陽(yáng)極的制備方法，其特征在于所述步驟(2)中的納米氧化物顆粒為氧化鈦納米顆粒、氧化鋅納米顆粒、 氧化鎢納米顆粒、氧化鈮納米顆粒、氧化鋁納米顆?；蜓趸k納米顆粒。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種柔性塑料基底的染料敏化太陽(yáng)能電池光陽(yáng)極的制備方法，其特征在于所述步驟(2)中的溶劑為水、乙醇、丙酮中的一種或幾種的混合溶劑。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種柔性塑料基底的染料敏化太陽(yáng)能電池光陽(yáng)極的制備方法，其特征在于所述步驟(3)中的預(yù)處理為紫外-臭氧處理或等離子處理。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種柔性塑料基底的染料敏化太陽(yáng)能電池光陽(yáng)極的制備方法，其特征在于所述步驟(3)中的氧化物薄膜的厚度為2 20微米。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種柔性塑料基底的染料敏化太陽(yáng)能電池光陽(yáng)極的制備方法，包括(1)將鍍有銦錫氧化物導(dǎo)電層的塑料薄膜超聲清洗；(2)將納米氧化物顆粒分散到溶劑中，手工研磨或機(jī)械球磨，制備成納米氧化物漿料；(3)采用刮涂或旋涂的方法，將上述納米氧化物漿料均勻涂覆到經(jīng)過(guò)預(yù)處理的塑料基底的表面，在室溫下自然晾干后形成氧化物薄膜，得到涂覆有氧化物顆粒的塑料薄膜；(4)將上述涂覆有氧化物顆粒的塑料薄膜放入密封的模具中，抽真空，然后將模具采用冷等靜壓技術(shù)處理，即得。本發(fā)明利用冷等靜壓技術(shù)對(duì)氧化物薄膜施壓，使氧化物薄膜與塑料基底結(jié)合得更好；本發(fā)明的工藝路線短，有批量化生產(chǎn)的前景。
文檔編號(hào)H01G9/042GK102610395SQ201210113269
公開(kāi)日2012年7月25日 申請(qǐng)日期2012年4月17日 優(yōu)先權(quán)日2012年4月17日
發(fā)明者張青紅, 李耀剛, 王宏志, 芮一川 申請(qǐng)人:東華大學(xué)