[發明專利]提高染料敏化電池納米纖維膜與導電玻璃結合牢度的方法

無效

• 申請號: 201110399848.2
• 申請日: 2011-12-06
• 公開（公告）號: CN102496485A
• 公開（公告）日: 2012-06-13
• 發明（設計）人: 杜平凡;熊杰;宋立新;席珍強
• 申請（專利權）人: 浙江理工大學
• 主分類號: H01G9/052
• 分類號: H01G9/052;H01G9/042;H01G9/20;H01M14/00;H01L51/48
• 代理公司: 杭州求是專利事務所有限公司 33200
• 代理人: 林懷禹

技術領域

本發明涉及太陽電池制造技術領域，特別涉及一種提高染料敏化電池納米纖維膜與導電玻璃結合牢度的方法。

背景技術

隨著社會、經濟的持續發展，不可再生能源如石油、煤炭等日益枯竭，人類的生存和發展正面臨著前所未有的挑戰。尋找清潔、可再生能源已成為全球性問題。據估算，地球每年從太陽輻照獲得的能量約為人類全年能源消耗量的10萬倍，因此，太陽能的開發利用是新能源領域的重大課題。基于半導體硅pn結原理的太陽電池是目前技術最為成熟的光電轉換器件，近年來，硅太陽電池規模化應用的步伐正逐步加快。然而，高成本依然是光伏發電一個無法回避的現實。為此，全球范圍內開發新型光伏器件的努力始終沒有停止。

上世紀末，隨著納米技術的興起，一類新型的太陽電池即染料敏化太陽電池（DSSC）應運而生。1991年，Gr?tzel首次報道了以釕配合物染料為敏化劑的半導體納米晶薄膜太陽電池，其光電轉換效率高于7%，引起科學界廣泛關注，被視為第三代太陽電池。經研究努力，小尺寸DSSC的最高轉換效率已達11%，與非晶硅薄膜電池的水平相當，而成本不到硅電池的1/5。憑借明顯的成本優勢和簡便的制作工藝，DSSC或將在未來光伏產業發展中成為硅電池的有力競爭者，應用潛力巨大。

DSSC由納米結構薄膜光陽極、FTO導電玻璃基體、敏化染料、電解質及鍍鉑對電極組成。其工作原理如下：敏化染料吸收光能，電子由基態躍遷到激發態；FTO上的陽極膜作為電子受體接受激發態電子，同時，染料分子失去電子而呈氧化態；I^-/I₃^-?電解質中的I^-?作為電子供體向氧化態染料分子提供電子而將其還原再生，I₃^-?擴散到對電極得到電子被還原，從而完成光電化學反應循環。

其中，光陽極膜是DSSC的核心部分和重點研究對象，其作用是對染料分子激發的電子進行接收和傳輸。常規的光陽極膜通常以二氧化鈦（TiO₂）納米晶為原料。近20年，大量研究者對納米晶光陽極膜進行了持續深入的研究，逐漸形成了相對成熟的實驗制備工藝。但這種光陽極膜也存在著一些固有缺陷，原因是納米晶粒間有著大量的晶界，比表面積巨大，表面懸掛鍵起著俘獲光生電子的陷阱作用，它們會使電子的壽命和擴散距離減小，復合幾率增加，制約著電池效率的提高。新型納米結構將是DSSC光陽極膜研究的重要方向。如果以納米線、納米棒、納米管等一維納米結構代替納米晶，由于它們的晶界較少，可有效減少其中的表面態陷阱對光生電子的俘獲，抑制電荷復合，加快電子的收集、傳輸速率，進而提高電池的性能。

除一維納米結構外，由靜電紡絲制得的準一維TiO₂納米纖維膜近年來也開始用于DSSC光陽極。理論上，這種光陽極膜將取得與上述一維納米結構薄膜相類似的效果。相關工作主要集中在新加坡的S.?Ramakrishna，韓國的D.Y.?Kim和日本的S.?Shiratori等幾個小組。通常是將TiO₂前軀體溶液紡得的復合納米纖維膜直接沉積在FTO基體上，經燒結形成光陽極。靜電紡絲液主要由TiO₂前軀體，可溶性高聚物以及溶劑組成。高聚物的作用是調節紡絲液的粘度使其具有可紡性，并起著結構模板的作用。為得到純無機的目標產物，制得的薄膜需通過燒結處理除去高聚物并形成結晶。在燒結過程中，由于薄膜收縮產生應力，加上薄膜與導電玻璃基體之間存在著明顯的熱膨脹差異，使得薄膜與基體之間的附著性較差，容易出現開裂及脫落現象，進而影響電池的性能和穩定性。因此，將靜電紡絲法應用于DSSC光陽極膜的制備時，如何使燒結后的納米纖維膜與FTO基體有良好的結合是亟需解決的關鍵問題。

對此問題，D.Y.?Kim小組采用在薄膜燒結前對樣品進行四氫呋喃氣氛處理的辦法。在有機溶劑氣氛的作用下，復合纖維中的高聚物部分溶融，致使燒結后的纖維膜和FTO有較好的粘結。而S.?Shiratori小組則采用在燒結前對纖維膜進行熱壓處理，處理后的薄膜也能較好地粘結在基體上。這兩種方法雖在一定程度上解決了薄膜和基體的粘附問題，但這樣的處理方式卻導致纖維的結構和形貌遭到很大的破壞。因此，必須需求新的解決途徑。

發明內容

本發明的目的是在確保納米纖維膜的結構不受根本破壞的前提下，提供一種提高染料敏化電池納米纖維膜與導電玻璃結合牢度的方法。

本發明采用的技術方案，即該制備方法的步驟如下：