專利名稱：一種提高柔性染料敏化太陽電池光電性能的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于染料敏化太陽電池(DSC)技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種提高柔性染料敏化太陽電池光電性能的方法。
背景技術(shù)：
高效率和抗彎曲是柔性染料敏化太陽電池的兩大特征。由于柔性DSC的基底通常為塑料，其方塊電阻在溫度高于150°C時會迅速增大使得電極制備不能在高溫下進行，而在低溫下制備的柔性DSC效率與傳統(tǒng)的DSC效率相比仍然較低，這主要的是由于低溫下制備的薄膜納米顆粒間的結(jié)合以及膜與基底界面的結(jié)合較弱導(dǎo)致。針對目前的情況，研究者在開發(fā)柔性DSC的過程中，都把焦點放在了如何在柔性基體上制備性能良好的TiO2膜上。近年來制備柔性DSC的方法不斷涌現(xiàn)，目前廣泛報道的低溫制備納米TiO2多孔膜的方法有低溫?zé)Y(jié)法、低溫水熱法、旋涂法、薄膜轉(zhuǎn)移法、機械壓膜法等，其中機械壓膜法由于其較高的效率備受關(guān)注。機械壓膜法是將TiO2粉末在機械壓力下直接壓覆在基體上形成薄膜的技術(shù)。該方法主要通過機械靜壓力增強光陽極顆粒間連接，以達到提高電池效率的目的，研究表明，隨著壓力從57MPa提高至190MPa，電池轉(zhuǎn)換效率會從2.8%上升到3.5%，但進一步增大壓力則會對柔性基體產(chǎn)生破壞，且由于薄膜的孔隙過小而影響染料吸附和電解質(zhì)傳遞，而同種方法制備的光陽極膜經(jīng)過燒結(jié)后的電池效率普遍達到5%以上，Yamaguchi> Arakawa等人也發(fā)現(xiàn)施壓和加熱共同作用可以使以N719為染料的柔性電池效率達到7.4%的較高水平。這些重要成果，強有力地說明了如果TiO2薄膜內(nèi)部顆粒連接較弱，組裝的電池的輸出性能較差，而通過提高壓力或溫度等方法使所得涂層膜內(nèi)結(jié)合或膜基結(jié)合性能提高，電池效率也就隨之升高，也就是說光陽極薄膜的結(jié)構(gòu)在很大程度上決定了電池效率的高低。

發(fā)明內(nèi)容
為進一步提高柔性染料敏化太陽電池電池性能，本發(fā)明提供一種提高柔性染料敏化太陽電池光電性能的方法，在不改變電池材料和基本制備工藝的基礎(chǔ)上通過彎曲來提高柔性染料敏化太陽電池的光電性能。本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案來實現(xiàn):一種提高柔性染料敏化太陽電池光電性能的方法，包括以下操作:將用于組裝柔性染料敏化太陽電池的陽極、陽極納晶多孔薄膜或組裝好的柔性染料敏化太陽電池進行彎曲，在陽極納晶多孔薄膜內(nèi)產(chǎn)生橫向拉應(yīng)力和縱向附加壓應(yīng)力；陽極納晶多孔薄膜由于彎曲發(fā)生結(jié)構(gòu)變化，使陽極納晶多孔薄膜內(nèi)電子縱向傳遞能力相對加強，促進電子的縱向有效輸出；所述縱向為垂直于陽極導(dǎo)電基底表面方向，橫向為平行于陽極導(dǎo)電基底表面方向。所述的陽極已經(jīng)吸附染料或量子點，或者未吸附染料或量子點。
所述的彎曲為外彎曲或內(nèi)彎曲，當(dāng)陽極納晶多孔薄膜受拉應(yīng)力時稱為外彎曲，當(dāng)陽極納晶多孔薄膜受壓應(yīng)力時稱為內(nèi)彎曲。據(jù)陽極或柔性染料敏化太陽電池的內(nèi)部材料、結(jié)構(gòu)，控制彎曲時所產(chǎn)生的橫向力不引起陽極納晶多孔薄膜與基體導(dǎo)電膜之間開裂。根據(jù)陽極或柔性染料敏化太陽電池的內(nèi)部材料、結(jié)構(gòu)，控制彎曲時基體導(dǎo)電膜的結(jié)構(gòu)變化不顯著降低其導(dǎo)電性。根據(jù)陽極或柔性染料敏化太陽電池的內(nèi)部材料、結(jié)構(gòu)，控制彎曲時不造成電解質(zhì)的泄漏或暴露。所述彎曲的方向為朝向陽極方向或朝向陰極方向或朝兩個方向均進行彎曲。在彎曲的同時還對柔性染料敏化太陽電池施加平行于陽極納晶多孔薄膜方向的拉應(yīng)力，以進一步增大薄膜內(nèi)的拉應(yīng)力。所述的彎曲半徑為I 2，000mm，彎曲次數(shù)為I I，000，000次。所述彎曲后陽極納晶多孔薄膜內(nèi)顆?？v向結(jié)合減弱或縱向開裂，能夠釋放陽極納晶多孔薄膜內(nèi)的彎曲應(yīng)力，提高柔性染料敏化太陽電池的抗彎曲性能。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益的技術(shù)效果:根據(jù)太陽電池基本機理，電子在薄膜內(nèi)的傳遞是空間任意的，在電子濃度作用下發(fā)生宏觀的縱向傳遞然后經(jīng)由匯流導(dǎo)電部分流出外電路，增強該宏觀的縱向傳遞則可提高電池效率。本發(fā)明提出，通過彎曲應(yīng)力調(diào)控膜內(nèi)顆粒間結(jié)合，橫向結(jié)合在拉應(yīng)力或壓應(yīng)力下分別減弱或增強，但彎曲時的縱向附加應(yīng)力為壓應(yīng)力，因此縱向結(jié)合必然增強。在橫弱縱強的條件下，縱向有效電子傳遞性能必然增強；在橫強縱強的條件下，因縱向結(jié)合比橫向結(jié)合對縱向有效電子傳遞性能的貢獻度更大，縱向有效電子傳遞性能也可增強。由此，彎曲可實現(xiàn)減少電子復(fù)合提高電池效率的目標(biāo)。此外，縱向結(jié)合減弱或縱向開裂，可釋放薄膜內(nèi)的彎曲應(yīng)力，實現(xiàn)提聞電池抗彎曲性能，從而提聞電池壽命。本發(fā)明提供一種提高柔性染料敏化太陽電池光電性能的方法，并不改變電池材料和基本制備工藝，僅在電池制備過程中對陽極納晶多孔薄膜或吸附了染料之后的光陽極進行彎曲，或者對組裝好的電池進行彎曲，通過控制彎曲工藝參數(shù)，使薄膜發(fā)生利于提高電子縱向有效傳遞性能的結(jié)構(gòu)變化，從以較低的成本實現(xiàn)提高柔性電池效率的目的，取得意想不到的良好效果。此外，本發(fā)明提供一種提高柔性染料敏化太陽電池光電性能的方法，通過可控彎曲條件下對薄膜引入縱向裂紋，還可提高柔性電池在后續(xù)實際使用過程中的抗彎曲性能，對于保持電池性能、提高抗彎曲破壞能力以及延長電池壽命，也具有意想不到的良好效果。


圖1-1 1-2分別為外彎曲以及內(nèi)彎曲模式下單次彎曲時彎曲態(tài)和回復(fù)態(tài)電池效率的變化圖；圖2-1 2-2分別為外彎曲模式下多次彎曲時彎曲態(tài)和回復(fù)態(tài)電池效率隨彎曲半徑以及彎曲次數(shù)的變化圖；圖3-1 3-2分別為內(nèi)彎曲模式下多次彎曲時彎曲態(tài)和回復(fù)態(tài)電池效率隨彎曲半徑以及彎曲次數(shù)的變化圖4為內(nèi)彎曲12mm處經(jīng)一萬次彎曲之后光陽極TiO2薄膜表面形貌。圖5為彎曲時縱向附加壓應(yīng)力及橫向拉應(yīng)力的示意圖。
具體實施例方式通過彎曲提高柔性染料敏化太陽電池光電性能的方法，將組裝好的柔性電池或陽極或陽極納晶多孔薄膜進行一次或多次彎曲，陽極納晶多孔薄膜發(fā)生結(jié)構(gòu)變化使膜內(nèi)電子縱向傳遞能力相對加強，而橫向傳遞能力相對減弱、或加強、或交替減弱和加強，從而促進電子的縱向有效輸出、減少電子復(fù)合，顯著提高電池短路電流或填充因子，實現(xiàn)提高電池光電性能；同時，膜內(nèi)顆?？v向結(jié)合減弱或縱向開裂可釋放薄膜內(nèi)的彎曲應(yīng)力，實現(xiàn)提高電池抗彎曲性能。下面結(jié)合具體的實施例對本發(fā)明做進一步的詳細(xì)說明，所述是對本發(fā)明的解釋而不是限定。參見圖5，一種提高柔性染料敏化太陽電池光電性能的方法，包括以下操作:將用于組裝柔性染料敏化太陽電池的陽極、陽極納晶多孔薄膜或組裝好的柔性染料敏化太陽電池進行彎曲，在陽極納晶多孔薄膜內(nèi)產(chǎn)生橫向拉應(yīng)力和縱向附加壓應(yīng)力；陽極納晶多孔薄膜由于彎曲發(fā)生結(jié)構(gòu)變化，使陽極納晶多孔薄膜內(nèi)電子縱向傳遞能力相對加強，促進電子的縱向有效輸出、減少電子復(fù)合；顯著提高電池短路電流或填充因子，實現(xiàn)提高電池光電性能； 而且，膜內(nèi)顆?？v向結(jié)合減弱或縱向開裂可釋放薄膜內(nèi)的彎曲應(yīng)力，實現(xiàn)提高電池抗彎曲性能。所述縱向為垂直于陽極納晶多孔薄膜表面方向，橫向為平行于陽極納晶多孔薄膜表面方向。進一步，所述的陽極已經(jīng)吸附染料`或量子點；或者未吸附染料或量子點。所述的彎曲為外彎曲或內(nèi)彎曲，當(dāng)陽極納晶多孔薄膜受拉應(yīng)力時為外彎曲，當(dāng)陽極納晶多孔薄膜受壓應(yīng)力時為內(nèi)彎曲。所述的彎曲的控制為:根據(jù)陽極或柔性染料敏化太陽電池的內(nèi)部材料、結(jié)構(gòu)，控制彎曲時所產(chǎn)生的橫向力不引起陽極納晶多孔薄膜與基體導(dǎo)電膜之間開裂。根據(jù)陽極或柔性染料敏化太陽電池的內(nèi)部材料、結(jié)構(gòu)，控制彎曲時基體導(dǎo)電膜的結(jié)構(gòu)變化不顯著降低其導(dǎo)電性。根據(jù)陽極或柔性染料敏化太陽電池的內(nèi)部材料、結(jié)構(gòu)，控制彎曲時不造成電解質(zhì)的泄漏或暴露。所述彎曲的方向為朝向陽極方向或朝向陰極方向或朝兩個方向均進行彎曲，彎曲為一次或多次彎曲。在彎曲的同時還對柔性染料敏化太陽電池施加平行于陽極納晶多孔薄膜方向的拉應(yīng)力，以進一步增大薄膜內(nèi)的拉應(yīng)力，實現(xiàn)增強電池性能強化效果。下面給出具體的實施例實施例1:將冷噴涂在IT0/PEN基底上制備的TiO2光陽極，浸泡在50°C、0.SmML^1的N719/乙醇溶液中12h，與濺射制備的Pt對電極組裝成柔性染料敏化太陽電池，采用單向彎曲方式進行單次彎曲，當(dāng)光陽極TiO2薄膜受拉應(yīng)力時稱為外彎曲，反之稱為內(nèi)彎曲。結(jié)果如圖1-1、1_2所示，電池的效率在不同彎曲半徑下表現(xiàn)出不同程度的效率提高，且隨彎曲半徑的減小而越來越顯著。對于外彎曲(圖1-1)，當(dāng)彎曲半徑減小到9_時效率升高約9%，而內(nèi)彎曲模式下(圖1-2)，電池的效率的提升相對較小，當(dāng)彎曲半徑減小到9mm時效率僅升高約3%。實施例2:采用多次外彎曲，結(jié)果如圖2-1、2_2所示，電池的效率在不同彎曲半徑和彎曲次數(shù)下表現(xiàn)出不同程度的效率提高，隨彎曲次數(shù)的增加，效率提高程度體現(xiàn)出先顯著后不顯著的特征，且彎曲態(tài)和回復(fù)態(tài)電池效率差別不大，彎曲半徑18mm彎曲10000次可提高效率達 18%。實施例3:采用多次內(nèi)彎曲，結(jié)果如圖3-1、3_2所示，電池的效率在不同彎曲半徑和彎曲次數(shù)下表現(xiàn)出不同程度的效率提高，隨彎曲次數(shù)的增加，效率提高程度體現(xiàn)出先顯著后不顯著的特征，且彎曲態(tài)和回復(fù)態(tài)電池效率差別不大，彎曲半徑12mm彎曲10000次可提高效率達13%，彎曲半徑18mm彎曲10000次可提高效率高達19%。彎曲半徑為12mm處彎曲一萬次后TiO2膜表面出現(xiàn)了如圖4所示的縱向開裂的現(xiàn)象，可顯著提高電池抗彎曲能力和延長電池壽命。盡管實施例中范圍較小，讓比爾彎曲半徑和彎曲次數(shù)，顯著依賴于電池具體結(jié)構(gòu)設(shè)計，因此彎曲半徑在I 2，OOOmm之間，彎曲次數(shù)在I I，000，000次之間，根據(jù)具體情況來進行選擇。
權(quán)利要求
1.一種提高柔性染料敏化太陽電池光電性能的方法，其特征在于，包括以下操作: 將用于組裝柔性染料敏化太陽電池的陽極、陽極納晶多孔薄膜或組裝好的柔性染料敏化太陽電池進行彎曲，在陽極納晶多孔薄膜內(nèi)產(chǎn)生橫向拉應(yīng)力和縱向附加壓應(yīng)力；陽極納晶多孔薄膜由于彎曲發(fā)生結(jié)構(gòu)變化，使陽極納晶多孔薄膜內(nèi)電子縱向傳遞能力相對加強，促進電子的縱向有效輸出；所述縱向為垂直于陽極導(dǎo)電基底表面方向，橫向為平行于陽極導(dǎo)電基底表面方向。
2.如權(quán)利要求1所述的提高柔性染料敏化太陽電池光電性能的方法，其特征在于，所述的陽極已經(jīng)吸附染料或量子點，或者未吸附染料或量子點。
3.如權(quán)利要求1所述的提高柔性染料敏化太陽電池光電性能的方法，其特征在于，所述的彎曲為外彎曲或內(nèi)彎曲，當(dāng)陽極納晶多孔薄膜受拉應(yīng)力時稱為外彎曲，當(dāng)陽極納晶多孔薄膜受壓應(yīng)力時稱為內(nèi)彎曲。
4.如權(quán)利要求1所述的提高柔性染料敏化太陽電池光電性能的方法，其特征在于，根據(jù)陽極或柔性染料敏化太陽電池的內(nèi)部材料、結(jié)構(gòu)，控制彎曲時所產(chǎn)生的橫向力不引起陽極納晶多孔薄膜與基體導(dǎo)電膜之間開裂。
5.如權(quán)利要求1所述的提高柔性染料敏化太陽電池光電性能的方法，其特征在于，根據(jù)陽極或柔性染料敏化太陽電池的內(nèi)部材料、結(jié)構(gòu)，控制彎曲時基體導(dǎo)電膜的結(jié)構(gòu)變化不顯著降低其導(dǎo)電性。
6.如權(quán)利要求1所述的提高柔性染料敏化太陽電池光電性能的方法，其特征在于，根據(jù)陽極或柔性染料敏化太陽電池的內(nèi)部材料、結(jié)構(gòu)，控制彎曲時不造成電解質(zhì)的泄漏或暴露。
7.如權(quán)利要求1所述的提高柔性染料敏化太陽電池光電性能的方法，其特征在于，所述彎曲的方向為朝向陽極方向或朝向陰極方向或朝兩個方向均進行彎曲。
8.如權(quán)利要求1所述的提高柔性染料敏化太陽電池光電性能的方法，其特征在于，在彎曲的同時還對柔性染料敏化太陽電池施加平行于陽極納晶多孔薄膜方向的拉應(yīng)力，以進一步增大薄膜內(nèi)的拉應(yīng)力。
9.如權(quán)利要求1所述的提高柔性染料敏化太陽電池光電性能的方法，其特征在于，所述的彎曲半徑為I 2，OOOmm,彎曲次數(shù)為I 1，000, 000次。
10.如權(quán)利要求1所述的提高柔性染料敏化太陽電池光電性能的方法，其特征在于，所述彎曲后陽極納晶多孔薄膜內(nèi)顆?？v向結(jié)合減弱或縱向開裂，能夠釋放陽極納晶多孔薄膜內(nèi)的彎曲應(yīng)力，提高柔性染料敏化太陽電池的抗彎曲性能。
全文摘要
本發(fā)明提供一種提高柔性染料敏化太陽電池光電性能的方法，在不改變電池材料和基本制備工藝的基礎(chǔ)上，僅在電池制備過程中對陽極納晶多孔薄膜或吸附了染料之后的光陽極進行彎曲，或者對組裝好的電池進行彎曲，通過控制彎曲工藝參數(shù)，使薄膜發(fā)生利于提高電子縱向有效傳遞性能的結(jié)構(gòu)變化，從以較低的成本實現(xiàn)提高柔性電池效率的目的，取得意想不到的良好效果。此外，通過可控彎曲條件下對薄膜引入縱向裂紋，還可提高柔性電池在后續(xù)實際使用過程中的抗彎曲性能，對于保持電池性能、提高抗彎曲破壞能力以及延長電池壽命，也具有意想不到的良好效果。
文檔編號H01G9/20GK103208370SQ201310046290
公開日2013年7月17日 申請日期2013年2月5日 優(yōu)先權(quán)日2013年2月5日
發(fā)明者楊冠軍, 李長久, 李成新 申請人:西安交通大學(xué)