專利名稱：一種快速制備大面積染料敏化太陽能電池的裝置及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種快速制備大面積染料敏化太陽能電池的方法，具體涉及將靜電噴鍍技術(shù)和伺服電機驅(qū)動設(shè)備相結(jié)合的自動噴鍍加工平臺，并利用其快速制備大面積染料敏化太陽能電池。
背景技術(shù)：
自1991年，瑞士洛桑高等工業(yè)學(xué)院的Gratzel研究小組研制出一種納米晶染料敏化太陽能電池，一舉突破了光電轉(zhuǎn)化效率7%。染料敏化太陽能電池(Dye-SensitizedSolar Cells,簡稱DSSC)受到各國學(xué)者和專家的重視，近年來其研究發(fā)展特別迅速。2011年Gratzel研究小組又將太陽能電池的光電轉(zhuǎn)化效率提高到了 12. 3%，這樣的性能現(xiàn)在可媲美硅礎(chǔ)太陽能電池板，但是至今由于DSC自身的原因，致使很多研究者一直停留在小面 積的電池研究中，使其難以走上工業(yè)化。目前，大面積DSSC制備方法主要有絲網(wǎng)印刷法和磁控濺射法，絲網(wǎng)印刷法制備TiO2薄膜的工藝過程中擴散、鈍化、印刷和燒結(jié)各個環(huán)節(jié)還存在很多問題，例如柵線斷線、過刻、堵孔、短路和波浪網(wǎng)紋等問題。而磁控濺射得到的打02薄膜太致密，孔隙率相對較低且分布不均勻，不利于染料分子的吸附。

發(fā)明內(nèi)容
發(fā)明目的為了克服絲網(wǎng)印刷法制備TiO2薄膜所導(dǎo)致的柵線斷線、短路和波浪網(wǎng)紋等缺陷，以及磁控濺射鍍膜太致密不均勻的缺點，本發(fā)明專利是將靜電噴鍍技術(shù)和伺服電機驅(qū)動設(shè)備相結(jié)合的自動噴鍍平臺，不僅能夠噴鍍出均勻的TiO2多孔薄膜，而且可以噴鍍出不同大小形狀薄膜，以便于染料敏化太陽能電池走向工業(yè)化。本發(fā)明提供了一種快速制備大面積染料敏化太陽能電池的裝置及方法，所述的裝置包括靜電噴鍍自組裝裝置和伺服電機驅(qū)動裝置。所述的靜電噴鍍自組裝裝置，包括CXD工業(yè)攝像機、高壓直流穩(wěn)壓穩(wěn)流電源、注射泵、加熱器、霧化噴嘴、環(huán)形電極、導(dǎo)管和鐵桿，將霧化噴嘴和環(huán)形電極固定在鐵桿上，上下距離為3cm，CXD工業(yè)攝像機的鏡頭與霧化噴嘴的不銹鋼毛細(xì)管等水平，高壓直流穩(wěn)壓穩(wěn)流電源的正極接線頭連接在霧化噴嘴上，負(fù)極連接環(huán)形電極，中間形成一個穩(wěn)定的電場，導(dǎo)管一端連接環(huán)形電極上面的不銹鋼毛細(xì)管，另一端連接注射器，將注射器安裝在注射泵上，力口熱器放在環(huán)形電極下方10cm，整個靜電噴鍍自組裝裝置即組裝完成。所述的伺服電機驅(qū)動裝置，以MPC08卡軟件和伺服電機驅(qū)動為部件，MPC08卡軟件用于編寫要噴鍍薄膜形狀的程序，伺服電機驅(qū)動是執(zhí)行MPC08軟件的輸出命令進行平動。本發(fā)明的自動噴鍍加工平臺，是以靜電噴鍍自組裝裝置和伺服電機驅(qū)動裝置為部件，將靜電噴鍍自組裝裝置固定到，伺服電機驅(qū)動裝置的中軸上，在平動時可進行連續(xù)噴鍍。本發(fā)明的圖I和圖2的結(jié)合就是自動噴鍍加工平臺，將自動噴鍍加工平臺的縱向軸定義為X軸，橫向軸定義為Y軸，靜電自組裝裝置固定Y軸上，可進行連續(xù)噴鍍。本發(fā)明所述的方法如下I.導(dǎo)電玻璃的清洗對切割好的導(dǎo)電玻璃用蒸餾水、無水乙醇、丙酮依次超聲波清洗30min,晾干備用。2.鉬柵電極用注射器以5 μ Ι/s滴加氯鉬酸溶液滴在清洗好的FTO(100mmX120mm)導(dǎo)電玻璃側(cè)邊上，放入馬弗爐中在400°C下加熱30min，取出用無水乙醇清。3. TiO2漿料的制備漿料采用P25、無水乙醇、OP乳化劑、乙酰丙酮、PEG2000以20:1:1:4的比例混合，在磁力攪拌器上磁力攪拌I小時，靜置10分鐘備用。4.靜電噴鍍Ti02薄膜將TiO2I料吸入IOml注射器，并安裝在注射泵上，設(shè)置流量為O. 5ml/min,開啟CCD工業(yè)攝像機，調(diào)節(jié)高壓直流穩(wěn)壓穩(wěn)流電源，當(dāng)射流模式由低落模式變?yōu)殄F-射模式(圖3)，把清洗好的導(dǎo)電玻璃放在環(huán)形電極下，調(diào)節(jié)加熱器的溫度為 70°C，可開啟MPC08卡軟件，打開提前編寫好的程序，開始自動噴鍍鍍膜。隨后將噴鍍好的Ti02薄膜放入馬弗爐，在450 °C下加熱30min。圖4和圖5為經(jīng)過熱處理之后的TiO2薄膜，圖5中8條TiO2薄膜，被鉬柵電極并聯(lián)起來，以提高電流和降低電阻。5. TiO2薄膜在N719染料的浸泡吸附將經(jīng)過熱處理的TiO2薄膜加熱到80°C，隨后放入摩爾濃度為4X 10-4mol/L的N719的無水乙醇溶液中浸泡24 h，取出，用無水乙醇清洗未浸泡好的染料。鉬對電極用注射器以5 μ Ι/s滴加氯鉬酸溶液在清洗好的FTO (IOOmmX 120mm)導(dǎo)電玻璃上，放入馬弗爐中在400°C下加熱30min，取出用無水乙醇清洗。6.電池的封裝將PE保鮮膜裁剪成凹形，在制備好的光陽極的導(dǎo)電玻璃的三邊上滴加微量的無水乙醇，隨后將裁剪好的PE保鮮膜貼在三邊上，再利用“三明治”的形式對電池進行封裝，將封裝好的電池用夾子夾住，放在恒溫磁力攪拌器上在100°C上加熱30min，電池三邊便封裝密實。7.電解質(zhì)的灌注用注射器抽取2ml的電解質(zhì)溶液，在未封裝的一邊注入電解質(zhì)溶液，當(dāng)電解質(zhì)充滿整個電池為止，最后用PE保鮮膜對電池進行封裝。8.電池光電性能測試采用的是日本SAN-EI三永公司的XES-40S1型太陽光模擬器和美國吉時利公司的2400型數(shù)字源表，采用兩線法測試電池的光電性能，電位掃描區(qū)間為O 3V，掃描速率為5mV/s，測試在光照為lOOmW/cm2強度下進行。表I為實施例中測得的光電性能指標(biāo)。所述的二氧化鈦(TiO2)漿料，包括TiO2漿料的成分和配合比，其主要特征是P25(TiO2，尺寸為30nm左右)、聚乙二醇2000、0P乳化劑、乙酰丙酮的比例為20:4:1:1,此比例粘度適宜，經(jīng)過靜電噴鍍到導(dǎo)電玻璃(100mmX120mm)上，在加熱器加熱到70°C，正好形成所需要的TiO2薄膜形狀.
預(yù)噴射薄膜形狀程序的編寫，噴鍍條形(60mmX 6mm) TiO2薄膜程序為(X=12000, V=20000)(X=60mm，V=2mm/s)
(Y=4000，V=20000)(Y=2mm, V=2mm/s)
(X=-120000, V=20000)(X=-60mm, V=2mm/s)
()(=6000mm, V=20000)V=2mm/s)
伺服電機驅(qū)動是以脈沖的形式進行輸出驅(qū)動I個脈沖是O. 5 μ m，將上述程序設(shè)置為8個循環(huán)即可噴鍍出8條尺寸為60mmX6mm的TiO2薄膜。
鉬柵電極，將每條電池并聯(lián)起來，可提高整個電池的干路電流，降低電池的電阻，鉬柵電極的制備是將氯鉬酸(濃度為5X10_4mOl/L)的異丙醇溶液用5ml的注射器滴加在導(dǎo)電玻璃上，利用熱解法形成電阻為8 10 Ω / □的條形(IcmX 6cm)通明的鉬柵電極。電池的封裝，將PE保鮮膜裁剪成凹形，在制備好的光陽極的導(dǎo)電玻璃的三邊上滴加微量的無水乙醇，隨后將裁剪好的PE保鮮膜貼在三邊上，再利用“三明治”的形式對電池進行封裝，將封裝好的電池用夾子夾住，放在恒溫磁力攪拌器上在100°C上加熱30min，電池三邊便封裝密實。本發(fā)明的有益效果是，可以數(shù)控計算機程序準(zhǔn)確地噴鍍出所需要的TiO2多孔薄膜。是一種全自動的理想鍍膜裝置，無需手工操作且制備工藝簡單。


下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明進一步說明
圖I為靜電噴鍍自組裝裝置；
圖2為伺服電機驅(qū)動設(shè)備；
圖3為錐-射模式；
圖4為條形TiO2薄膜(尺寸為7X6mmX6mm)；
圖5為條形Ti02薄膜(尺寸為8 X 60mmX 6mm)；
圖6為條形Ti02薄膜內(nèi)部串聯(lián)。
具體實施例方式I.導(dǎo)電玻璃的清洗對切割好的導(dǎo)電玻璃用蒸餾水、無水乙醇、丙酮依次超聲波清洗30min,晾干備用。2.鉬柵電極用注射器以5 μ Ι/s滴加氯鉬酸溶液滴在清洗好的FTO(100mmX120mm)導(dǎo)電玻璃側(cè)邊上，放入馬弗爐中在400°C下加熱30min，取出用無水乙醇清。3. TiO2漿料的制備漿料采用P25、無水乙醇、OP乳化劑、乙酰丙酮、PEG2000以20:1:1:4的比例混合，在磁力攪拌器上磁力攪拌I小時，靜置10分鐘備用。4.靜電噴鍍Ti02薄膜將TiO2漿料吸入IOml注射器，并安裝在注射泵上，設(shè)置流量為O. 5ml/min,開啟CCD工業(yè)攝像機，調(diào)節(jié)高壓直流穩(wěn)壓穩(wěn)流電源，當(dāng)射流模式由低落模式變?yōu)殄F-射模式(圖3)，把清洗好的導(dǎo)電玻璃放在環(huán)形電極下，調(diào)節(jié)加熱器的溫度為70°C，可開啟MPC08卡軟件，打開提前編寫好的程序，開始自動噴鍍鍍膜。隨后將噴鍍好的Ti02薄膜放入馬弗爐，在450 °C下加熱30min。圖4和圖5為經(jīng)過熱處理之后的TiO2薄膜，圖5中8條TiO2薄膜，被鉬柵電極并聯(lián)起來，以提高電流和降低電阻。5. TiO2薄膜在N719染料的浸泡吸附將經(jīng)過熱處理的TiO2薄膜加熱到80°C，隨后放入摩爾濃度為4X 10-4mol/L的N719的無水乙醇溶液中浸泡24 h，取出，用無水乙醇清洗未浸泡好的染料。鉬對電極用注射器以5 μ Ι/s滴加氯鉬酸溶液在清洗好的FTO (IOOmmX 120mm)導(dǎo)電玻璃上，放入馬弗爐中在400°C下加熱30min，取出用無水乙醇清洗。6.電池的封裝將PE保鮮膜裁剪成凹形，在制備好的光陽極的導(dǎo)電玻璃的三邊上滴加微量的無水乙醇，隨后將裁剪好的PE保鮮膜貼在三邊上，再利用“三明治”的形式對電池進行封裝，將封裝好的電池用夾子夾住，放在恒溫磁力攪拌器上在100°C上加熱30min，電池三邊便封裝密實。7.電解質(zhì)的灌注用注射器抽取2ml的電解質(zhì)溶液，在未封裝的一邊注入電解質(zhì)溶液，當(dāng)電解質(zhì)充滿整個電池為止，最后用PE保鮮膜對電池進行封裝。8.電池光電性能測試采用的是日本SAN-EI三永公司的XES-40S1型太陽光模擬器和美國吉時利公司的2400型數(shù)字源表，采用兩線法測試電池的光電性能，電位掃描區(qū)間為O 3V，掃描速率為5mV/s，測試在光照為lOOmW/cm2強度下進行。表I為實施例中測得的光電性能指標(biāo)。表I電池串聯(lián)的性能參數(shù)
權(quán)利要求
1.ー種快速制備大面積染料敏化太陽能電池的裝置，其特征在于，包括靜電噴鍍自組裝裝置和伺服電機驅(qū)動裝置。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的裝置，其特 征在于，將靜電噴鍍自組裝裝置固定到，伺服電機驅(qū)動裝置的中軸上，在平動時可進行連續(xù)噴鍍。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的裝置，其特征在于，所述的靜電噴鍍自組裝裝置，包括CCDエ業(yè)攝像機、高壓直流穩(wěn)壓穩(wěn)流電源、注射泵、加熱器、霧化噴嘴、環(huán)形電極、導(dǎo)管和鐵桿，將霧化噴嘴和環(huán)形電極固定在鐵桿上，上下距離為3cm，CXDエ業(yè)攝像機的鏡頭與霧化噴嘴的不銹鋼毛細(xì)管等水平，高壓直流穩(wěn)壓穩(wěn)流電源的正極接線頭連接在霧化噴嘴上，負(fù)極連接環(huán)形電極，中間形成一個穩(wěn)定的電場，導(dǎo)管一端連接環(huán)形電極上面的不銹鋼毛細(xì)管，另一端連接注射器，將注射器安裝在注射泵上，加熱器放在環(huán)形電極下方10cm，整個靜電噴鍍自組裝裝置即組裝完成。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的裝置，其特征在于，所述的伺服電機驅(qū)動裝置是以MPC08卡軟件和伺服電機驅(qū)動為部件，MPC08卡軟件用于編寫要噴鍍薄膜形狀的程序，伺服電機驅(qū)動是執(zhí)行MPC08軟件的輸出命令進行平動。
5.ー種快速制備大面積染料敏化太陽能電池的方法，其特征在于，包括如下步驟 (1)導(dǎo)電玻璃的清洗對切割好的導(dǎo)電玻璃用蒸餾水、無水こ醇、丙酮依次超聲波清洗30min,晾干備用； (2)鉬柵電極用注射器以5iU/S滴加氯鉬酸溶液滴在清洗好的FTO導(dǎo)電玻璃側(cè)邊上，放入馬弗爐中在400°C下加熱30min，取出用無水こ醇清； (3)ニ氧化鈦TiO2漿料的制備漿料采用P25、無水こ醇、OP乳化剤、こ酰丙酮、PEG2000以20:1:1:1 :4的比例混合，在磁力攪拌器上磁力攪拌I小時，靜置10分鐘備用； (4)靜電噴鍍Ti02薄膜將TiO2漿料吸入IOml注射器，并安裝在注射泵上，設(shè)置流量為0. 5ml/min,開啟CCDエ業(yè)攝像機，調(diào)節(jié)高壓直流穩(wěn)壓穩(wěn)流電源，當(dāng)射流模式由低落模式變?yōu)殄F-射模式，把清洗好的導(dǎo)電玻璃放在環(huán)形電極下，調(diào)節(jié)加熱器的溫度為70°C，可開啟MPC08卡軟件，打開提前編寫好的程序，開始自動噴鍍鍍膜，隨后將噴鍍好的Ti02薄膜放入馬弗爐，在450で下加熱30min; (5)Ti02薄膜在N719染料的浸泡吸附將經(jīng)過熱處理的TiO2薄膜加熱到80°C，隨后放入摩爾濃度為4X 10-4mol/L的N719的無水こ醇溶液中浸泡24 h，取出，用無水こ醇清洗未浸泡好的染料； 鉬對電極用注射器以5iil/s滴加氯鉬酸溶液在清洗好的FTO導(dǎo)電玻璃上，放入馬弗爐中在400°C下加熱30min，取出用無水こ醇清洗； (6 )電池的封裝將PE保鮮膜裁剪成凹形，在制備好的光陽極的導(dǎo)電玻璃的三邊上滴加微量的無水こ醇，隨后將裁剪好的PE保鮮膜貼在三邊上，再利用“三明治”的形式對電池進行封裝，將封裝好的電池用夾子夾住，放在恒溫磁力攪拌器上在100°C上加熱30min，電池三邊便封裝密實； (7)電解質(zhì)的灌注用注射器抽取2ml的電解質(zhì)溶液，在未封裝的ー邊注入電解質(zhì)溶液，當(dāng)電解質(zhì)充滿整個電池為止，最后用PE保鮮膜對電池進行封裝； (8)電池光電性能測試。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于，所述的ニ氧化鈦漿料，優(yōu)選P25、聚こニ醇2000、OP乳化剤、こ酰丙酮的比例為20:4:1:1。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于，步驟(5)中N719染料的制備如下將50mg的N719染料倒入200ml的燒杯中，用量筒量取20ml的無水こ醇，然后倒入燒杯中，超聲波5分鐘；超聲波之后靜置5分鐘，重復(fù)5次；放入磁子在磁力攪拌器上攪拌12小時，將溶液倒入清洗好的棕色瓶中，避光保存。
8.根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于，所述的電解質(zhì)是KI/I2的こ睛溶液，用量筒量取4mlこ腈和Imlこニ醇溶液倒入燒杯中，用電子天平精確稱量0.4122gKI、0. 063gl2倒入燒杯中，經(jīng)過磁力避光攪拌30min，待用，最終得到KI0. 5mol/L、I2O. 05mol/L的液態(tài)電解質(zhì)。
9.根據(jù)要求5所述的方法，其特征在干，電池內(nèi)部串聯(lián)和外部并聯(lián)，內(nèi)部串聯(lián)即為通過自動噴鍍平臺噴鍍出每個條形電池串聯(lián)的形狀，以便于提高電壓；外部并聯(lián)即為通過鉬柵電極將每個條形電池并聯(lián)以便于提高電路電流，降低電阻；并通過熱解法制備鉬電極，用注射器以5iil/s滴加氯鉬酸溶液在清洗好的FTO導(dǎo)電玻璃上，放入馬弗爐中在400°C下加熱30min,取出用無水こ醇清洗。
10.根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其特征在干，預(yù)噴射薄膜形狀程序的編寫，噴鍍條形6cm X0. 6CmTiO2薄膜程序為 X=12000, V=20000X=60mm，V=2mm/s Y=4000, V=20000Y=2mm, V=2mm/s X=-120000, V=20000X=-60mm, V=2mm/s X=6000mm, V=20000X=3mm, V=2mm/s 伺服電機驅(qū)動是以脈沖的形式進行輸出驅(qū)動I個脈沖是0. 5 ym，將上述程序設(shè)置為8個循環(huán)即可噴鍍出8條尺寸為60mmX6mm的TiO2薄膜。
全文摘要
一種快速制備大面積染料敏化太陽能電池的裝置及方法。本發(fā)明涉及新能源領(lǐng)域中的染料敏化太陽能電池制造工藝的優(yōu)化。染敏電池研究中目前亟待解決的一個關(guān)鍵問題就是光電轉(zhuǎn)化效率和電池穩(wěn)定性都因制備方法不同而明顯不同，這嚴(yán)重地制約了它的工業(yè)化生產(chǎn)與大規(guī)模應(yīng)用。本發(fā)明提出一種基于靜電霧化原理的噴射沉積方法制備染敏薄膜電池，即利用靜電噴射技術(shù)結(jié)合計算機自動控制模擬印刷的方式在各種襯底材料上直接堆疊組裝形成薄膜電池模塊，通過優(yōu)化相關(guān)工藝參數(shù)可以獲得高質(zhì)量大面積染料敏化薄膜電池，它能夠克服絲網(wǎng)印刷法制備電極薄膜所導(dǎo)致的柵線斷線、短路和波浪網(wǎng)紋等缺陷，以及磁控濺射鍍膜太致密不均勻的缺點。
文檔編號H01G9/20GK102956356SQ20121044342
公開日2013年3月6日 申請日期2012年11月8日 優(yōu)先權(quán)日2012年11月8日
發(fā)明者時方曉, 許贊揚, 高旭 申請人:沈陽建筑大學(xué)