[發明專利]一種高效柔性染料敏化太陽能電池及其制備方法

無效

• 申請號: 201210224477.9
• 申請日: 2012-07-02
• 公開（公告）號: CN103531362A
• 公開（公告）日: 2014-01-22
• 發明（設計）人: 黃素梅;張丁文;李曉冬;沈潔;尹希江
• 申請（專利權）人: 華東師范大學;新加坡理工學院
• 主分類號: H01G9/20
• 分類號: H01G9/20
• 代理公司: 上海麥其知識產權代理事務所(普通合伙) 31257
• 代理人: 董紅曼

技術領域

本發明涉及一種太陽能電池及其制備方法，具體涉及一種高效柔性染料敏化太陽能電池的結構及制備方法。

背景技術

納晶染料敏化太陽能電池(DSC)是以染料敏化多孔納米結構薄膜為光陽極，根據光生伏特原理，將太陽能直接轉換成電能的一種半導體光電器件，是伴隨著半導體電化學發展起來的一個嶄新的科學研究領域。1991年，瑞士洛桑高等工業學院Gr?tzel教授所領導的研究小組，以高比表面積的納米TiO₂多孔膜作為半導體電極，以Ru等有機金屬化合物作為光敏化染料，選用適當的氧化還原電解質做介質，組裝成TiO₂納米晶染料敏化太陽能電池，其光電轉換效率在AM1.5模擬太陽光照射下達7.1%，被人們譽為新一代太陽能電池。這一重大突破為光電化學電池的發展帶來了革命性的創新，引起染料敏化太陽能電池研究的一次熱潮。1993年，Gr?tzel等再次報道了光電轉換效率達到10%?的染料敏化太陽能電池，2009年，光電轉效率進一步提高到l2%。染料敏化太陽能電池的光電轉效率這一參數已接近實用化水平。

一般說來，DSC的結構由上下兩個表面鍍有透明導電薄膜的玻璃基板組成，在兩電極間充滿了電解質。其中光陽極是在基板表面沉積一層多孔的過渡金屬氧化物薄膜，其上吸附染料分子；對電極則是在基板表面沉積了一層催化劑薄膜。其導電基板多為導電玻璃，而玻璃具有質量大、易破碎的特點，限制了DSC的實際應用。近年來，以柔性、輕質量的金屬薄片或塑料為基板的柔性DSC電池因其重量輕、可彎曲、抗沖擊性強、成本低廉、應用廣泛等優點引起國內外學者的高度重視。并且該電池可采用成卷連續生產、快速涂布等技術進行大面積生產，具有更強的競爭力。

與傳統DSC不同，柔性DSC基底主要為不耐高溫的透明導電高分子材料，不能采用傳統工藝對其進行高溫燒結。目前主要采用的ITO-PET（鍍氧化銦錫的聚對苯二甲酸乙二醇酯）和ITO-PEN（鍍氧化銦錫的聚萘二甲酸乙二醇酯）耐熱溫度低于150oC，溫度過高基板易破裂變形。因此，其低溫制備技術成為關鍵。

低溫條件下制備柔性DSC的方法有低溫燒結法、水熱法、旋涂法、機械壓膜法等。低溫燒結法制備方法簡單，易操作，但耗時，制備的柔性DSC一般效率不高。水熱法是一種條件溫和的低溫制備方法，常被用于制備結晶性能較好的TiO₂，但水熱時間一般較長，能耗較大。旋涂法制備薄膜厚度不均，中央厚度大于邊緣，同時易產生肉眼可見的裂縫。機械壓膜法使用較多。首先將納米粉末均勻分散在溶劑中，然后涂在柔性基底上，晾干后對薄膜施加高壓，促使納米粉末之間緊密連接。雖然機械壓膜法的效率相對較高，但制備的納米顆粒僅限于物理結合，強度較低。機械加壓結束后薄膜會殘留在壓板上，薄膜部分脫落，甚至在電極彎曲時將產生龜裂。雖然柔性DSC的研究有一定的進展，但核心問題仍沒有解決，電池效率相對較低。

發明內容

為解決上述技術問題，本發明通過如下技術方案予以實現。本發明提供了一種高效柔性染料敏化太陽能電池及其制備方法，具有成本低，制造工藝簡單快捷等特點。本發明高效柔性染料敏化太陽能電池的光陽極多孔金屬氧化物薄膜的多孔金屬氧化物顆粒之間實現真正的頸部結構連接，光陽極多孔金屬氧化物薄膜具有高強度、高韌性，無裂痕。本發明方法制備得到的柔性染料敏化太陽能電池高效率，具有可操作性和高可靠性。

本發明高效柔性染料敏化太陽能電池，包括光陽極、對電極、以及充滿在兩極間的電解質。其中，所述光陽極包括導電基板、沉積在導電基板上的多孔金屬氧化物薄膜、以及吸附在所述多孔金屬氧化物薄膜上的染料；所述多孔金屬氧化物薄膜中的金屬氧化物顆粒之間通過搭橋形成頸部結構。所述對電極包括導電基板、以及沉積在所述導電基板上的催化劑薄膜。

本發明中，所述的導電基板為金屬薄片、或鍍有透明導電薄膜的聚合物襯底或塑料。

本發明中，所述金屬基板為鈦片，不銹鋼薄片；所述聚合物襯底或塑料為聚對苯二甲酸乙二醇酯(PET)，聚碳酸酯(PC)，聚萘二甲酸乙二醇酯(PEN)或聚醚砜樹脂（PES）；所述鍍于金屬基板表面的透明導電薄膜為ITO、SnO₂、FTO、AZO、CNTs或金屬納米線。

本發明中，所述多孔過渡金屬氧化物薄膜的金屬氧化物為TiO₂、ZrO₂、SiO₂、MgO、SnO₂或ZnO；所述多孔金屬氧化物薄膜的厚度約為5-20微米。

本發明中，所述染料為釕的配合物染料或有機染料。