本發(fā)明涉及一種太陽能電池及其制備方法,具體涉及一種背光式染料敏化太陽能電池及其制備方法。
背景技術(shù):
染料敏化太陽能電池(DSCs)主要由經(jīng)染料分子表面敏化的半導(dǎo)體光陽極、陰極和電解質(zhì)等構(gòu)建組成。工作原理可簡單概括為光陽極材料經(jīng)光照后,主要由染料分子吸收光子產(chǎn)生激發(fā)電子,并快速注入到半導(dǎo)體的導(dǎo)帶里,電子經(jīng)光陽極遷移至外電路到達陰極形成電流;同時被氧化的染料分子通過電解質(zhì)的氧化還原電對供給電子得到再生。目前DSCs的結(jié)構(gòu)可因入射光路不同分為直射式和背光式兩種類型。直射式DSCs特點是光線直接從光陽極一側(cè)射入,穿過陽極材料到達染料分子處;其光吸收過程不受對電極和電解質(zhì)影響,可以減少光能損失;但其光陽極結(jié)構(gòu)較復(fù)雜,光生電子在三種組成材料之間傳遞也會存在較大的電阻。而背光式則是光線從陰極側(cè)射入,經(jīng)陰極和電解質(zhì)后到達光陽極表面染料分子處。其特點是光線在到達陽極表面的染料之前需穿過對電極和電解質(zhì),而這兩者對光線的吸收則會降低電池的能量利用率;但另一方面,由于光陽極無透光要求,因此,背光式DSCs光陽極可以采取相對簡單的結(jié)構(gòu)形式和材料,實現(xiàn)光生電子在陽極上的高效傳輸。
目前,對于背光式染料敏化太陽能電池的設(shè)計和改進,應(yīng)在保持其優(yōu)勢的同時,盡量減少陰極和電解質(zhì)對入射光的無效吸收,才能提高電池效率。因此,需要針對背光式染敏電池設(shè)計符合要求的陰極結(jié)構(gòu)和電解質(zhì)材料,以滿足上述目的。
技術(shù)實現(xiàn)要素:
因此,本發(fā)明的目的是提供一種背光式染料敏化太陽能電池及其制備方法,從而可在很大程度上降低電極與電路間的接觸電阻,提高電極的光電轉(zhuǎn)化效率,結(jié)構(gòu)簡單,可減少背光式電池對光能的無效吸收,提高光電轉(zhuǎn)化效率。
除非特別指明,本文中的“陰極材料”、“陰極結(jié)構(gòu)”、“電池陰極”均指“鉑對電極”。
一方面,本發(fā)明提供一種背光式染料敏化太陽能電池,包括依次設(shè)置的二氧化鈦光陽極結(jié)構(gòu)、鉑對電極和透光封閉層,所述二氧化鈦光陽極結(jié)構(gòu)包括二氧化鈦光陽極,所述二氧化鈦光陽極的至少一側(cè)設(shè)有絕緣膜,且所述二氧化鈦光陽極的一側(cè)的絕緣膜上設(shè)有第一通孔,所述鉑對電極設(shè)在設(shè)有第一通孔的絕緣膜上,所述鉑對電極上設(shè)有第二通孔,所述第二通孔與所述第一通孔對應(yīng)設(shè)置,所述第一通孔和第二通孔與所述透光封閉層圍成空腔,所述空腔中填充有電解液;所述設(shè)有第一通孔的絕緣膜和所述二氧化鈦光陽極之間還設(shè)有染料層。
優(yōu)選地,所述第二通孔的直徑小于所述第一通孔的直徑,可使電池陰極與電解液有效接觸面積增大,從而促進兩者間的電荷傳輸過程,最終提高電池效率。
優(yōu)選地,所述二氧化鈦光陽極的兩側(cè)均設(shè)有絕緣膜,兩側(cè)均設(shè)有絕緣膜能夠防止污染及其他因素干擾,在太陽能電池的光電性測定過程中得到更準確的測量結(jié)果。
優(yōu)選地,所述二氧化鈦光陽極一端的側(cè)面與所述染料層一端的側(cè)面相接觸,以便于進行通過絕緣膜包覆,使在太陽能電池的光電性測定過程得到的測量結(jié)果更準確,所述二氧化鈦光陽極另一端設(shè)置在所述染料層另一端外側(cè),便于與外電路連接,便于與外電路連接,并且制備的電池的光電轉(zhuǎn)化效率更高。
優(yōu)選地,所述二氧化鈦光陽極的一端包覆在所述絕緣膜內(nèi),所述二氧化鈦光陽極的另一端設(shè)置在所述絕緣膜外側(cè),更便于與外電路連接,并且制備的電池的光電轉(zhuǎn)化效率更高。
更優(yōu)選地,所述二氧化鈦光陽極的設(shè)在絕緣膜外側(cè)的一端還設(shè)有陽極導(dǎo)線。
優(yōu)選地,所述鉑對電極的一端設(shè)有與其成一體設(shè)置的延伸部,所述延伸部設(shè)在所述透光封閉層和設(shè)有第一通孔的絕緣膜的外側(cè),便于與外電路連接,并且制備的電池的光電轉(zhuǎn)化效率更高。
優(yōu)選地,所述延伸部上設(shè)有陰極導(dǎo)線。
優(yōu)選地,所述絕緣膜為防水絕緣膜。
優(yōu)選地,所述防水絕緣膜由塑料或橡膠制成。
優(yōu)選地,所述透光封閉層由玻璃或石英玻璃制成。
本發(fā)明的背光式染料敏化太陽能電池,降低電極與電路間的接觸電阻,提高電極的光電轉(zhuǎn)化效率,結(jié)構(gòu)簡單,可減少背光式電池對光能的無效吸收,提高光電轉(zhuǎn)化效率;簡化了電池結(jié)構(gòu),降低電池成本;并且通過設(shè)有第二通孔的鉑對電極設(shè)計,使光線僅穿過極薄的電解液層即可抵達光陽極表面的染料層,從而進一步避免了陽極或陰極材料對光線的無效吸收,提高光電轉(zhuǎn)化效率。
另一方面,本發(fā)明還提供一種上述的背光式染料敏化太陽能電池的制備方法,包括以下步驟:
1)采用陽極氧化法以金屬鈦片為原料制備內(nèi)層為金屬鈦、表面層為TiO2的Ti-TiO2復(fù)合材料,再將制備的Ti-TiO2復(fù)合材料的一側(cè)形成染料層,然后再將所述Ti-TiO2復(fù)合材料的具有染料層的一側(cè)覆蓋上中間設(shè)有第一通孔的絕緣膜,并使Ti-TiO2復(fù)合材料的一側(cè)露出1.5~2.5mm,將覆蓋有絕緣膜的Ti-TiO2復(fù)合材料一側(cè)的露出部分打磨至去掉染料層及二氧化鈦層,然后再在打磨的露出部分焊接導(dǎo)線,得到二氧化鈦光陽極結(jié)構(gòu);
2)取金屬鉑片,按二氧化鈦光陽極尺寸大小適當(dāng)剪裁,得到裁剪后的金屬鉑片,再在所述裁剪后的金屬鉑片中間開設(shè)第二通孔,并使第二通孔的直徑小于第一通孔的直徑,在所述開孔的金屬鉑片一側(cè)焊接導(dǎo)線,得到鉑對電極;
3)以去離子水作為溶劑,配置硫酸鈉(Na2SO4)水溶液作為電池的電解液;
4)將所述鉑對電極覆蓋在所述二氧化鈦光陽極結(jié)構(gòu)的設(shè)有第一通孔的絕緣膜的一側(cè),并使所述第二通孔對應(yīng)第一通孔,再所述電解液注入并加滿第一、二通孔的位置,最后再覆蓋上透光封閉層并壓緊。
優(yōu)選地,在步驟1)中,所述Ti-TiO2復(fù)合材料的一側(cè)通過包括如下步驟的方法形成染料層:將所述Ti-TiO2復(fù)合材料在葉綠素含量為0.7~7120μg/L的菠菜葉片色素乙醇浸提液中浸泡24小時,得到設(shè)有葉綠素染料層的Ti-TiO2復(fù)合材料,再將所述設(shè)有葉綠素染料層的Ti-TiO2復(fù)合材料清洗,干燥,得到一側(cè)形成染料層的Ti-TiO2復(fù)合材料。
更優(yōu)選地,所述菠菜葉片色素乙醇浸提液中的葉綠素含量為0.7123~100μg/L。
進一步優(yōu)選地,所述葉綠素含量為0.7123~71.23μg/L,還優(yōu)選地,所述葉綠素含量優(yōu)選為71.23μg/L。
優(yōu)選地,在步驟3)中,所述溶液中電解質(zhì)硫酸鈉的濃度為:0.005~2.0mol/L,優(yōu)選為0.01~1.0mol/L,更優(yōu)選為0.1mol/L。
本發(fā)明的背光式染料敏化太陽能電池的制備方法,制備方法簡單,得到的太陽能電池結(jié)構(gòu)可減少背光式電池對光能的無效吸收,提高光電轉(zhuǎn)化效率;首先光線在穿過透光封閉層后,可通過陰極開孔結(jié)構(gòu)(第二通孔)直接穿過,避免了陰極材料對光線的吸收和阻擋;并且與I-/I3-乙腈溶液及I-/I3-水溶液電解液相比,Na2SO4水溶液無色透明,吸光度極低,在最大程度降低了電解液對光線的無效吸收,并且Na2SO4水溶液為一種新的DSCs電解液系統(tǒng),并且通過試驗驗證表明這種新系統(tǒng)的電解液制成的太陽能電池具有更好的光電轉(zhuǎn)化效率;再者,通過在葉綠素含量為0.7~7120μg/L的菠菜葉片色素乙醇浸提液中浸泡,制備葉綠素敏化二氧化鈦光陽極結(jié)構(gòu),在光線抵達光陽極表面時,合適濃度的葉綠素分子吸收光子并向二氧化鈦分子傳輸能量及消耗其光生空穴,使二氧化鈦產(chǎn)生的光生電子增多,從提高電池單色光光電轉(zhuǎn)化效率(IPCE)及總轉(zhuǎn)化效率(η),即可在促進二氧化鈦分子捕獲光子及光電轉(zhuǎn)化過程,提高其單色光光電轉(zhuǎn)化效率的同時,降低染料成本,并且更加環(huán)保,葉綠素含量在0.7123~71.23μg/L范圍內(nèi),能夠達到更好地效果,光電轉(zhuǎn)化效率更高;上述三部分結(jié)構(gòu)和組分相輔相成,創(chuàng)造性地改變了整個太陽能電池的系統(tǒng),并且通過試驗發(fā)現(xiàn)具有這些新的系統(tǒng)的太陽能電池具有較高的光電性能。
附圖說明
以下,結(jié)合附圖來詳細說明本發(fā)明的實施方案,其中:
圖1為本發(fā)明的背光式染料敏化太陽能電池的結(jié)構(gòu)示意圖;
圖2為本發(fā)明的實施例1制備的不同濃度葉綠素敏化太陽能電池的單色光光電轉(zhuǎn)化效率圖譜;
圖3為本發(fā)明的實施例2制備的太陽能電池的輸出光電流密度與電解液濃度的關(guān)系曲線;
圖4為本發(fā)明的實施例3制備的不同電解液的太陽能電池的單色光光電轉(zhuǎn)化效率圖譜;
圖5為本發(fā)明的實施例3制備的不同電解液的太陽能電池的I-V曲線;
其中:
1.二氧化鈦光陽極,2.鉑對電極,201.第二通孔,202.延伸部,3.透光封閉層,4.絕緣膜,401.第一通孔,5.染料層,6.陽極導(dǎo)線,6′.陰極導(dǎo)線,7.電解液。
具體實施方式
以下以具體實施例的方式,對本發(fā)明進行進一步說明。
如圖1所示,本發(fā)明實施例提供的背光式染料敏化太陽能電池,包括依次設(shè)置的二氧化鈦光陽極結(jié)構(gòu)、鉑對電極2和透光封閉層3,二氧化鈦光陽極結(jié)構(gòu)包括二氧化鈦光陽極1,二氧化鈦光陽極1的至少一側(cè)設(shè)有絕緣膜4,且二氧化鈦光陽極1的一側(cè)的絕緣膜4上設(shè)有第一通孔401,鉑對電極2設(shè)在設(shè)有第一通孔401的絕緣膜4上,鉑對電極2上設(shè)有第二通孔201,第二通孔201與第一通孔401對應(yīng)設(shè)置,且第二通孔201的直徑(d2)小于第一通孔401的直徑(d1),第一通孔401和第二通孔201與透光封閉層3圍成空腔,空腔中填充有電解液7,設(shè)有第一通孔的絕緣膜4和二氧化鈦光陽極1之間還設(shè)有染料層5。
上述實施例中,第二通孔201的直徑小于第一通孔401的直徑,可使電池陰極與電解液有效接觸面積增大,從而促進兩者間的電荷傳輸過程,最終提高電池效率。
上述實施例中,二氧化鈦光陽極1的兩側(cè)均設(shè)有絕緣膜4,兩側(cè)均設(shè)有絕緣膜能夠防止污染及其他因素干擾,在太陽能電池的光電性測定過程中得到更準確的測量結(jié)果。
上述實施例中,二氧化鈦光陽極1一端的側(cè)面與染料層5一端的側(cè)面相接觸,以便于進行通過絕緣膜包覆,使在太陽能電池的光電性測定過程得到的測量結(jié)果更準確,二氧化鈦光陽極1另一端設(shè)置在染料層5另一端外側(cè),便于與外電路連接,并且制備的電池的光電轉(zhuǎn)化效率更高。
上述實施例中,二氧化鈦光陽極1的一端包覆在絕緣膜4內(nèi),二氧化鈦光陽極1的另一端設(shè)置在絕緣膜4外側(cè),便于與外電路連接,并且制備的電池的光電轉(zhuǎn)化效率更高。
上述實施例中,二氧化鈦光陽極1的設(shè)在絕緣膜4外側(cè)的一端還設(shè)有陽極導(dǎo)線6。
上述實施例中,鉑對電極2的一端設(shè)有與其成一體設(shè)置的延伸部202,延伸部202設(shè)在透光封閉層3和設(shè)有第一通孔的絕緣膜4的外側(cè)。具體實施時,延伸部202上設(shè)有陰極導(dǎo)線6′。
上述實施例中,絕緣膜4為防水絕緣膜。具體實施時,防水絕緣膜由塑料或橡膠制成,例如可為防水膠帶或密封膜。
上述實施例中,透光封閉層3由玻璃或石英玻璃制成。
綜上:本發(fā)明的背光式染料敏化太陽能電池,能夠大大降低電極與電路間的接觸電阻,減少背光式電池對光能的無效吸收,提高光電轉(zhuǎn)化效率;并且通過設(shè)有第二通孔的鉑對電極的設(shè)計,使光線僅穿過極薄的電解液層即可抵達光陽極表面的染料層,從而避免了陽極或陰極材料對光線的無效吸收,提高光電轉(zhuǎn)化效率,此外簡化了電池結(jié)構(gòu),降低電池成本。
除非特別指明,以下實施例中所用的試劑和藥品均可從正規(guī)渠道商購獲得。
實施例1
1)采用陽極氧化法以金屬鈦片為原料制備內(nèi)層為金屬鈦、表面層為TiO2的Ti-TiO2復(fù)合材料。
2)選取新鮮的菠菜葉片,搗碎后經(jīng)無水乙醇萃取,得到菠菜葉片葉綠素的乙醇浸提液。將Ti-TiO2復(fù)合材料浸泡在71.23μg/L菠菜葉片色素乙醇浸提液中24小時,取出后分別用乙醇和去離子水沖洗,常溫干燥后,得到一側(cè)形成染料層的Ti-TiO2復(fù)合材料;再將中間打孔(直徑>8mm)的防水膠帶貼附在Ti-TiO2復(fù)合材料的具有染料層一側(cè),并在Ti-TiO2復(fù)合材料的另一側(cè)直接貼附防水膠帶,在一端裁下約2mm寬的膠帶使Ti-TiO2復(fù)合材料露出。把露出部分打磨掉表面氧化層,在其上點焊導(dǎo)線,即得到二氧化鈦光陽極結(jié)構(gòu)。
3)取金屬鉑片,按光陽極尺寸大小剪裁成矩形。金屬鉑片中間打孔(直徑d2<d1),在長邊邊緣處焊接導(dǎo)線,即為鉑對電極(電池陰極)。
4)配置硫酸鈉水溶液作為電池的電解液。電解液以去離子水作為溶劑,溶液中電解質(zhì)的濃度為:硫酸鈉(Na2SO4)0.1mol/L。電池的裝配按從下至上為:光陽極結(jié)構(gòu)的防水膠帶開孔側(cè)向上置于最底層;將鉑對電極平放其上,并保持鉑對電極開孔圓心與光陽極防水膠帶開孔圓心對齊;將電解液注入并加滿上述圓孔位置,最上層覆蓋石英玻璃并壓緊,即完成太陽能電池的裝配。
上述過程中其他條件保持不變,僅將浸泡Ti-TiO2復(fù)合材料的菠菜葉片色素乙醇浸提液濃度由71.23μg/L變更為7123μg/L、7.123μg/L及0.7123μg/L,制得三種二氧化鈦光陽極結(jié)構(gòu)。將二氧化鈦光陽極結(jié)構(gòu)與其他材料組裝成太陽能電池,采用450W氙燈、單色儀(美國頤光科技CT110)及2273恒電位儀(美國阿美特克PARSTAT)光電連用測試系統(tǒng)(參見:張勝寒,梁可心,檀玉,不同形態(tài)鈰改性的TiO_2納米管陣列的制備及其可見光光電響應(yīng)性質(zhì),物理化學(xué)學(xué)報,2011,27(11),2726),測定電池光電流,得到電池單色光光電轉(zhuǎn)化效率圖譜,結(jié)果如圖2所示。
從圖2可以看出,當(dāng)濃度為71.23μg/L的色素溶液敏化光電極時具有相對最好的作用效果,其IPCE值(光電轉(zhuǎn)換效率)最高,相對于敏化前平均提高2.72倍;濃度小于71.23μg/L的色素敏化作用隨溶液濃度即降低而減弱,當(dāng)濃度大于71.23μg/L至7123μg/L時,其IPCE值亦下降明顯。從而說明當(dāng)菠菜葉片色素乙醇浸提液敏化劑的濃度為71.23μg/L時,能夠制得IPCE高的背光式染料敏化太陽能電池。
實施例2
1)采用陽極氧化法以金屬鈦片為原料制備內(nèi)層為金屬鈦、表面層為TiO2的Ti-TiO2復(fù)合材料。
2)將Ti-TiO2復(fù)合材料裸露部分浸泡在71.23μg/L菠菜葉片色素乙醇浸提液中24小時,取出后分別用乙醇和去離子水沖洗,常溫干燥后,得到一側(cè)形成染料層的Ti-TiO2復(fù)合材料;再將中間打孔(直徑>8mm)的防水膠帶貼附在Ti-TiO2復(fù)合材料的具有染料層一側(cè),并在Ti-TiO2復(fù)合材料的另一側(cè)直接貼附防水膠帶,在Ti-TiO2復(fù)合材料的一端裁下約2mm寬的密封膜使Ti-TiO2復(fù)合材料露出。把露出部分打磨掉表面氧化層,在其上點焊導(dǎo)線,即作為二氧化鈦光陽極結(jié)構(gòu)。
3)取金屬鉑片,按光陽極尺寸大小剪裁成矩形。金屬鉑片中間打孔(直徑d2<d1),在長邊邊緣處焊接導(dǎo)線,即為鉑對電極(電池陰極)。
4)配置硫酸鈉水溶液作為電池的電解液。電解液以去離子水作為溶劑,溶液中電解質(zhì)以及添加劑濃度為:硫酸鈉(Na2SO4)0.1mol/L。電池的裝配按從下至上為:光陽極結(jié)構(gòu)的密封膜開孔側(cè)向上置于最底層;將鉑對電極平放其上,并保持鉑對電極開孔圓心與光陽極結(jié)構(gòu)的密封膜帶開孔圓心對齊;將電解液注入并加滿上述圓孔位置,最上層覆蓋石英玻璃并壓緊,即完成太陽能電池的裝配。
上述過程中其他條件保持不變,僅將電池電解液硫酸鈉(Na2SO4)濃度由0.1mol/L變更為2.0mol/L、1.0mol/L、0.5mol/L、0.05mol/L、0.01mol/L及0.005mol/L,制得五種硫酸鈉水溶液電解液背光式染料敏化太陽能電池。將電極與其他材料組裝成太陽能電池,采用450W氙燈、單色儀(美國頤光科技CT110)及2273恒電位儀(美國阿美特克PARSTAT)光電連用測試系統(tǒng)[1],測定電池光電流,得到電池不同濃度電解液與光電流密度關(guān)系曲線,結(jié)果如圖3所示。
從圖3可以看出,當(dāng)電池電解液硫酸鈉濃度為0.1mol/L時電池具有最大光電流密度;硫酸鈉濃度過高或過低均會使電池陰極與陽極間的電荷傳輸受到抑制,從而使電池產(chǎn)生的光電流密度減小,說明在硫酸鈉為0.1mol/L濃度下制得的背光式染料敏化太陽能電池具有很高的輸出光電流密度,產(chǎn)生了意想不到的技術(shù)效果。
實施例3
1)采用陽極氧化法以金屬鈦片為原料制備內(nèi)層為金屬鈦、表面層為TiO2的Ti-TiO2復(fù)合材料。
2)將Ti-TiO2復(fù)合材料裸露部分浸泡在71.23μg/L菠菜葉片色素乙醇浸提液中24小時,取出后分別用乙醇和去離子水沖洗,常溫干燥后,得到一側(cè)形成染料層的Ti-TiO2復(fù)合材料;再將中間打孔(直徑>8mm)的防水膠帶貼附在Ti-TiO2復(fù)合材料的具有染料層一側(cè),并在Ti-TiO2復(fù)合材料的另一側(cè)直接貼附防水膠帶,在Ti-TiO2復(fù)合材料的一端裁下約2mm寬的膠帶使Ti-TiO2復(fù)合材料露出。把露出部分打磨掉表面氧化層,在其上點焊導(dǎo)線,即作為二氧化鈦光陽極結(jié)構(gòu)。取金屬鉑片,按光陽極尺寸大小剪裁成矩形。金屬鉑片中間打孔(直徑d2<d1),在長邊邊緣處焊接導(dǎo)線,即為鉑對電極(電池陰極)。
3)配置硫酸鈉水溶液作為電池的電解液。電解液以去離子水作為溶劑,溶液中電解質(zhì)以及添加劑濃度為:硫酸鈉(Na2SO4)0.1mol/L。電池的裝配按從下至上為:光陽極結(jié)構(gòu)的防水膠帶開孔側(cè)向上置于最底層;將鉑對電極平放其上,并保持鉑對電極開孔圓心與光陽極結(jié)構(gòu)的防水膠帶開孔圓心對齊;將電解液注入并加滿上述圓孔位置,最上層覆蓋石英玻璃并壓緊,即完成太陽能電池的裝配。
上述過程中其他條件保持不變,僅將電池電解液由硫酸鈉水溶液變更為I-/I3-水溶液(各組分濃度為1mmol/L碘(I2),1.2mmol/L碘化鉀(KI),0.005M4-叔丁基吡啶(TBP),去離子水為溶劑)及I-/I3-乙腈溶液(各組分濃度為1mmol/L碘(I2),1.2mmol/L碘化鉀(KI),0.005M 4-叔丁基吡啶(TBP),乙腈為溶劑)。采用450W氙燈、單色儀(美國頤光科技CT110)及2273恒電位儀(美國阿美特克PARSTAT)光電連用測試系統(tǒng),測定電池單色光光電轉(zhuǎn)化效率(IPCE)圖譜及I-V曲線,結(jié)果如圖4及圖5所示。
從圖4可以看出,與I-/I3-乙腈溶液及I-/I3-水溶液電解液相比,硫酸鈉水溶液電解液制備的DSCs在單色光照射時具有較大的轉(zhuǎn)化效率;圖5則說明硫酸鈉水溶液DSCs具有更大的短路電流密度和開路電壓值。主要原因是硫酸鈉水溶液的電導(dǎo)率要大于I-/I3-水溶液及乙腈溶液,這會使電解液內(nèi)阻變?。涣硪环矫媪蛩徕c溶液無色透明,其吸光度極小,而I-/I3-溶液則因存在碘單質(zhì)和碘離子其吸光度值較高,減少了到達光陽極表面的光強,故硫酸鈉電解液電池體系具有更好的光電轉(zhuǎn)化效率。