專利名稱：網(wǎng)格狀電極集成的雙面高效吸光的染料敏化太陽電池的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及太陽能光電利用領(lǐng)域，具體涉及一種太陽電池。
技術(shù)背景近年來，太陽電池技術(shù)得到迅速發(fā)展，并隨著能源緊張而日益倍受重視。已 發(fā)展的硅太陽電池技術(shù)成本過高，到目前為止，人們還無法用高科技的太陽電池 來取代常規(guī)的化石能源。染料敏化太陽電池由于其簡單的制作工藝和極其低廉的 成本而成為科學(xué)研究的熱點(diǎn)。目前染料敏化太陽電池短期內(nèi)不能產(chǎn)業(yè)化的其中一 個原因是效率還較低，在薄膜太陽電池中，還無法與發(fā)展成熟的非晶硅和CIGS 等太陽電池競爭，進(jìn)一步提高效率是其能否產(chǎn)業(yè)化的關(guān)鍵。傳統(tǒng)的染料敏化太陽電池采用以高電阻的半導(dǎo)體氧化物制備的導(dǎo)電玻璃襯 底，導(dǎo)電玻璃的面電阻一般可達(dá)8-100Q/cm"密耳。導(dǎo)電玻璃的面電阻太大，造 成收集電子困難，限制其效率提高，使這種電池很難大面積制備， 一般在寬度不 大于lcm時才不會明顯影響其效率。同時，組件的串、并聯(lián)的設(shè)計(jì)和性能也受 到TCO層電阻的影響，是目前效率還較低的染料敏化太陽電池走向產(chǎn)業(yè)化的一 個瓶頸。同時，以平板的導(dǎo)電玻璃為襯底，只能在其上實(shí)現(xiàn)制備單層平面光陽極，造 成電池吸光面積有限，而平板導(dǎo)電玻璃的單層平面鉑電極造成對電解液的催化還 原能力有限，因此，不利于提高電池的效率。傳統(tǒng)的以導(dǎo)電玻璃為襯底的平面三 明治式染料敏化太陽電池的結(jié)構(gòu)和工作原理如圖1所示，其包括三層結(jié)構(gòu)第一 層是在透明導(dǎo)電玻璃l (TCO)上鍍一層經(jīng)熱處理過的寬帶隙多孔納米晶氧化物 薄膜(如Ti02)，在納米晶氧化物薄膜的表面再吸附上起電荷分離作用的敏化 染料2構(gòu)成光陽極；第二層是充有具有氧化還原作用(如r和l2)的電解液，第 三層是鍍有催化劑(如鉑、鎳、碳)的透明導(dǎo)電玻璃3構(gòu)成對電極。雙面太陽電池在硅太陽電池上己經(jīng)實(shí)現(xiàn)，且實(shí)踐證明其對陽光的利用率較單 面太陽電池提高30%以上。而柔性非晶硅太陽電池已應(yīng)用在一些具有美學(xué)概念的 工藝品或建筑上，并有較好的市場。以導(dǎo)電塑料為襯底制備柔性染料敏化太陽電池目前己有研究，但由于與Ti02薄膜合為一體的導(dǎo)電塑料無法經(jīng)受光陽極在 450。C的熱處理溫度，因此其效率非常低而無法實(shí)用。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的是提供一種網(wǎng)格狀電極集成的雙面高效吸光的染料敏化太陽 電池，該太陽電池可實(shí)現(xiàn)雙面吸光及吸附更多的染料進(jìn)一步增加光陽極的光吸 收，同時可以高效收集電子,解決傳統(tǒng)染料敏化太陽電池?zé)o法大面積制備的問題， 此外還可以應(yīng)用在一些具有美學(xué)概念的工藝品或建筑上。本發(fā)明提供的一種網(wǎng)格狀電極集成的雙面高效吸光的染料敏化太陽電池由 五層結(jié)構(gòu)組成，第一層是封裝蓋板，第二層是作為光陽極的鍍膜金屬網(wǎng)，第三層 是作為對電極的鍍膜金屬網(wǎng)或鍍膜金屬片，第四層是作為光陽極的鍍膜金屬網(wǎng)， 第五層是封裝蓋板，第一層封裝蓋板和第五層封裝蓋板之間予以封裝形成密閉空 間，第二、三和四層位于該密閉空間內(nèi)，密閉空間的內(nèi)部充有具有氧化還原作用 的電解液；其中所述的作為光陽極的鍍膜金屬網(wǎng)是由耐電解液腐蝕的金屬網(wǎng)或?qū)?電纖維網(wǎng)通過鍍膜工藝鍍上起電荷分離作用的寬帶隙納米晶半導(dǎo)體氧化物薄膜， 在經(jīng)過熱處理后吸附敏化染料而制得；所述的作為對電極的鍍膜金屬網(wǎng)或鍍膜金 屬片是由耐電解液腐蝕的金屬網(wǎng)、導(dǎo)電纖維網(wǎng)或金屬片通過鍍膜工藝鍍上起催化 作用的鉑、鎳或碳薄膜而制得。上述技術(shù)方案中，所述的封裝蓋板為柔性塑料件或超白玻璃；所述的金屬網(wǎng) 為鈦、鎳、金、鉤、鉑、鉭或鈮金屬網(wǎng)；所述的鍍膜工藝為提拉成膜法、絲網(wǎng)印 刷或電鍍工藝；所述的寬帶隙納米晶半導(dǎo)體氧化物薄膜為寬帶隙納米晶Ti02或 Sn02半導(dǎo)體薄膜；所述的具有氧化還原作用的電解液為含1—和12的電解液；所 述的第一層封裝蓋板和第五層封裝蓋板之間采用密封膠予以封裝。本發(fā)明染料敏化太陽電池具有兩面金屬網(wǎng)作為光陽極襯底，通過在高比表面 的金屬網(wǎng)上鍍寬帶隙納米晶半導(dǎo)體氧化物薄膜再吸附上染料作為光陽極，金屬網(wǎng) 在充當(dāng)光陽極襯底的同時，也充當(dāng)高效收集電子的柵指，網(wǎng)狀光陽極間的微小空 隙可以作為電解液中離子的傳輸通道；中間為鍍膜的金屬網(wǎng)或金屬片作為催化和 電子傳輸作用的對電極；在絲網(wǎng)光陽極的外面用兩面透過率高的超白玻璃作為蓋 板可以實(shí)現(xiàn)雙面高效吸光；在絲網(wǎng)光陽極的外面用塑料封裝可以實(shí)現(xiàn)制備成柔性 雙面吸光太陽電池。使用時，將導(dǎo)電率好的導(dǎo)線(如銅線等)分別與本發(fā)明太陽電池的正、負(fù)電極焊接或以導(dǎo)電膠或?qū)щ姖{料粘接后引出，接入負(fù)載，即可在光 照下工作。通過增加網(wǎng)狀電極的目數(shù)，可以增大比表面積，從而相對于平板導(dǎo)電玻璃吸 附上更多的染料，通過兩面光陽極可以實(shí)現(xiàn)電池雙面吸光。太陽光是一個立體光 源，它不僅包括直射光，還有散射光，散射光即使在晴天時也能占總輻射量的 10-30%，陰天時會有50%以上的比例，同時太陽光在一5^中從東方升起，西方 降落，面向東、西垂直放置的太陽電池相對于單面太陽電池可提高30%以上的吸 光率，這一點(diǎn)已在雙面硅太陽電池結(jié)構(gòu)上證明。太陽電池里的歐姆電阻分為兩類并聯(lián)電阻Rsh和串聯(lián)電阻Rs。并聯(lián)電阻 主要來源于電池邊緣漏電，另外雜質(zhì)和發(fā)射區(qū)擴(kuò)散時產(chǎn)生的缺陷引起的p-n結(jié)漏 電，也會使并聯(lián)電阻減小。串聯(lián)電阻包括電極電阻、半導(dǎo)體材料的體電阻、電極 和半導(dǎo)體之間的接觸電阻，且串聯(lián)電阻是高阻值，是影響太陽電池內(nèi)阻的主要因 素。TCO導(dǎo)電玻璃面電阻在8-100Q/cm々密耳之間，本發(fā)明用導(dǎo)電率好的金屬網(wǎng) 代替高阻值的導(dǎo)電玻璃將減小太陽電池的內(nèi)阻。本發(fā)明的工作原理是當(dāng)光線照射到兩面光陽極上的敏化染料后，產(chǎn)生光生 電子-空穴對，電子和空穴通過Ti02分離，r離子被空穴氧化為13—離子，電子經(jīng) 鍍膜金屬網(wǎng)傳導(dǎo)后進(jìn)入負(fù)載，再通過鍍膜金屬網(wǎng)或金屬片對電極回到電解液中，又將電解液中的13—離子還原為r離子，完成一個循環(huán)。與傳統(tǒng)的平面三明治式染料敏化太陽電池相比，本發(fā)明網(wǎng)格狀電極集成的雙面吸光的染料敏化太陽電池具有以下優(yōu)點(diǎn)I 、本發(fā)明的結(jié)構(gòu)上由于導(dǎo)電金屬網(wǎng)襯底與封裝玻璃或塑料襯底相互獨(dú)立， 從而可以同時放置兩個網(wǎng)狀光陽極實(shí)現(xiàn)雙面吸光，有效地增加了電池的實(shí)際吸光 面積。2、 金屬網(wǎng)相對于平面導(dǎo)電玻璃電極具有更高的比表面積，可以吸附更多的 染料，從而增加光陽極的光吸收，進(jìn)一步提高太陽電池的效率。3、 鍍膜金屬網(wǎng)對電極通過增大金屬網(wǎng)目數(shù)提高比表面積可以增加催化劑 (鉑、鎳或碳薄膜)的載量，從而加速催化反應(yīng)過程，從而提高電池的效率。如采用鍍鉑金屬片作為對電極，由于金屬片具有高反射率，可以將鈦金屬網(wǎng)光陽極 的間隙透過的光再反射回光陽極，達(dá)到二次利用光的目的，而傳統(tǒng)的染料敏化太陽電池以透明導(dǎo)電玻璃為襯底，這一部分光將浪費(fèi)掉。4、 由于金屬網(wǎng)襯底具有非常好的柔韌性，且本發(fā)明的金屬網(wǎng)襯底與封裝蓋 板玻璃或塑料相互獨(dú)立，可以單獨(dú)進(jìn)行熱處理，而不受蓋板^^料耐溫的限制，如 用塑料等柔性材料封裝則可制成柔性太陽電池，產(chǎn)品可以應(yīng)用在一些具有美學(xué)概 念的工藝品或建筑上。5、 平面結(jié)構(gòu)太陽電池的缺點(diǎn)是無法跟蹤太陽入射光，而一天中太陽的高度 角和方位角不斷地變化，使平面結(jié)構(gòu)的太陽電池在接收陽光時造成"余弦"能量損 失，而對雙面吸光的網(wǎng)狀光陽極絲，可以在一定程度上避免"余弦"能量損失，同 時，無論太陽的直射光從任何一個方位角和高度角入射，都會被網(wǎng)狀光陽極絲的 半個側(cè)圓柱面接收，這樣不用消耗額外的能量就可以被動式地跟蹤陽光的角度， 避免"余弦"能量損失。6、 通過對FTO導(dǎo)電玻璃、ITO導(dǎo)電玻璃和超白玻璃的透過率進(jìn)行測試，其 平均透過率分別是77.0%， 83.2%和90.2%，本發(fā)明的染料敏化太陽電池電極不 再用導(dǎo)電玻璃作襯底，用超白玻璃取代一面導(dǎo)電玻璃將使光透過率明顯提高13% 左右，如果再考慮在超白玻璃上制備減反射膜，透過率將進(jìn)一步提高4-5%。7、 如金屬網(wǎng)采用鈦金屬可以耐各種強(qiáng)酸強(qiáng)堿(如硝酸等)，甚至王水也不能 腐蝕。同時鈦的儲量也非常豐富，在金屬中排第七，特別是我國有大量的鈦資源， 成本相對低，是制備網(wǎng)狀電極襯底的最佳選擇。下面結(jié)合附圖及具體實(shí)施方式
對本發(fā)明作進(jìn)一步的說明。


圖1為傳統(tǒng)的平面三明治式染料敏化太陽電池的結(jié)構(gòu)示意圖； 圖2為本發(fā)明的網(wǎng)格狀電極集成的雙面高效吸光的染料敏化太陽電池的結(jié) 構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施方式
如圖2所示，本發(fā)明網(wǎng)格狀電極集成的雙面高效吸光的染料敏化太陽電池由 五層結(jié)構(gòu)組成，第一層l是封裝蓋板，第二層2是作為光陽極的鍍膜金屬網(wǎng)，第 三層3是作為對電極的鍍膜金屬網(wǎng)或鍍膜金屬片，第四層4是作為光陽極的鍍膜 金屬網(wǎng)，第五層5是封裝蓋板，第一層封裝蓋板和第五層封裝蓋板之間予以封裝 形成密閉空間，第二、三和四層位于該密閉空間內(nèi)，密閉空間的內(nèi)部充有具有氧化還原作用的電解液；其中所述的作為光陽極的鍍膜金屬網(wǎng)是由耐電解液腐蝕的 金屬網(wǎng)或?qū)щ娎w維網(wǎng)通過鍍膜工藝鍍上起電荷分離作用的寬帶隙納米晶半導(dǎo)體 氧化物薄膜，在經(jīng)過熱處理后吸附敏化染料而制得；所述的作為對電極的鍍膜金 屬網(wǎng)或鍍膜金屬片是由耐電解液腐蝕的金屬網(wǎng)、導(dǎo)電纖維網(wǎng)或金屬片通過鍍膜工 藝鍍上起催化作用的鉑、鎳或碳薄膜而制得。上述技術(shù)方案中，所述的封裝蓋板為柔性塑料件或超白玻璃；所述的金屬網(wǎng) 為鈦、鎳、金、鎢、鉑、鉭或鈮金屬網(wǎng)；所述的鍍膜工藝為提拉成膜法、絲網(wǎng)印 刷或電鍍工藝；所述的寬帶隙納米晶半導(dǎo)體氧化物薄膜為寬帶隙納米晶Ti02或 Sn02半導(dǎo)體薄膜；所述的具有氧化還原作用的電解液為含I—和12的電解液；所 述的第一層封裝蓋板和第五層封裝蓋板之間采用密封膠予以封裝。實(shí)施例l以德國Degussa公司生產(chǎn)的商業(yè)納米二氧化鈦P25粉12克放入研缽中研磨, 并逐滴加入含4ml含10%乙酰丙酮的異丙醇溶液，再逐滴加入12ml水繼續(xù)研磨， 并將0.2ml的曲拉通X-100加入到懸浮液中，研磨成Ti02溶膠。用提拉法以每秒鐘3mm的提拉速度將lcn^直徑100lim,100目的鈦金屬網(wǎng) 鍍上13um厚的氧化鈦薄膜，并預(yù)留出0.3厘米左右的鈦網(wǎng)作為導(dǎo)電電極，在 450。C下熱處理30分鐘。將鍍膜后的網(wǎng)狀光陽極放入含3 X l(T5mol/L的N719釕有機(jī)染料的乙醇溶液 中，加溫至80。C浸泡3小時，取出后用乙醇清洗，并置干燥避光環(huán)境中保存。用提拉法將鈦金屬網(wǎng)浸入含5mmol/LH2PtCl6的異丙醇溶液中，通過立式拉 膜機(jī)提拉法成膜，在38(TC下熱處理20min，制備成對電極。用塑料包裹光陽極、對電極、光陽極后用環(huán)氧樹脂封裝，以針筒將含有0.3m/L 的Lil和0.03m/L的12的乙腈電解液注入到電池內(nèi)部，再將小孔以環(huán)氧樹酯膠堵 住，可制備柔性雙面吸光太陽電池。銅線用導(dǎo)電銀膠在光陽極預(yù)留的鈦金屬網(wǎng)上實(shí)現(xiàn)并聯(lián)，在常溫干燥環(huán)境下8 小時固化，對電極鍍鉑金屬網(wǎng)也采用同樣方法處理后。將引出的正負(fù)電極接入負(fù)載即可在光照下工作。實(shí)施例2將250rnL的鈦酸丁酯和20mL異丙醇混合均勻后放入分液漏斗中，二十分 鐘內(nèi)滴加至PH值為1的含硝酸的1500mL去離子水中并激烈攪拌，該混合液在 80°C下繼續(xù)攪拌10小時，形成透明的納米Ti02膠體溶液，然后放入高溫高壓 反應(yīng)釜中230°C下恒溫反應(yīng)12小時，將制得的納米Ti02溶膠通過旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)法濃 縮至濃度為60%的Ti02溶膠。用絲網(wǎng)印刷法以將75um直徑，200目的鎢金屬網(wǎng)上鍍10ixm厚的氧化鈦 薄膜，并預(yù)留出0.2厘米左右的鎢金屬網(wǎng)作為導(dǎo)電電極，在500。C下熱處理1小 時。將鍍膜后的鎢金屬網(wǎng)放入含5X 10'5mOl/L的N719釕有機(jī)染料的乙醇溶液 中，在室溫下放置72小時，取出后用乙醇清洗，并置干燥避光環(huán)境中保存。對電極采用膜厚為1 pm的商業(yè)兩面鍍鉑釹金屬片，純度為TA1。網(wǎng)狀光陽極、對電極、網(wǎng)狀光陽極依次疊放后用塑料包裹后，以環(huán)氧樹脂封 裝，并預(yù)留兩個小孔，以針筒將含有0.5m/L的Lil和0.05m/L的12的乙腈電解 液注入到電池內(nèi)部，再將小孔以環(huán)氧樹酯膠堵住，可制備柔性雙面吸光太陽電池。用導(dǎo)電銀膠將銅帶粘接在光陽極預(yù)留裸鎢金屬網(wǎng)上將其并聯(lián)，在常溫干燥環(huán) 境下8小時固化，對電極鍍鉑金屬片也采用同樣方法處理后。將引出的正負(fù)電極接入負(fù)載即可在光照下工作。實(shí)施例3將125mL的鈦酸異丙酯和20mL異丙醇混合均勻后放入分液漏斗中，十分 鐘內(nèi)滴加至含5.3mL70Q/Q硝酸的750mL去離子水中并激烈攪拌，該混合液在80°C 下繼續(xù)攪拌8小時，形成透明的納米Ti02膠體溶液，然后放入高溫高壓反應(yīng)釜 中200°C下恒溫反應(yīng)12小時，將制得的納米Ti02溶膠通過旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)法濃縮至濃 度為45%的1102溶膠。用絲網(wǎng)印刷法以將150p m直徑，60目的鎳網(wǎng)鍍上18 p m厚的氧化鈦薄膜， 并預(yù)留出0.3厘米左右的鎳網(wǎng)作為導(dǎo)電電極，在500°C下熱處理1小時。將鍍膜后的鎳網(wǎng)為襯底的光陽極放入含5X 10-5mol/L的N719釕有機(jī)染料的 乙醇溶液中，在室溫下放置72小時，取出后用乙醇清洗，并置干燥避光環(huán)境中 保存。鍍減反射膜的超白玻璃光透過率為95%， 一面光陽極、 一面對電極、 一面光陽極依次疊放后用超白玻璃作為蓋板，用沙林膜和環(huán)氧樹脂封裝，并預(yù)留兩個小 孔，以針筒將含有0.5m/L的Lil和0.05m/L的I2的乙腈電解液注入到電池內(nèi)部， 再將小孔以環(huán)氧樹酯膠堵住，可制備雙面高效吸光太陽電池。
對電極采用膜厚為1.5 的商業(yè)鍍鉑鈦金屬網(wǎng)，純度為TAl。 用銅帶悍接在光陽極預(yù)留裸鎳網(wǎng)上，在80。C真空干燥箱中保溫1小時固化， 對電極鍍鉑金屬片也采用同樣方法處理后引出電極。 將引出的正負(fù)電極接入負(fù)載即可在光照下工作。
權(quán)利要求
1.一種網(wǎng)格狀電極集成的雙面高效吸光的染料敏化太陽電池，其特征在于由五層結(jié)構(gòu)組成，第一層(1)是封裝蓋板，第二層(2)是作為光陽極的鍍膜金屬網(wǎng)，第三層(3)是作為對電極的鍍膜金屬網(wǎng)或鍍膜金屬片，第四層(4)是作為光陽極的鍍膜金屬網(wǎng)，第五層(5)是封裝蓋板，第一層封裝蓋板和第五層封裝蓋板之間予以封裝形成密閉空間，第二、三和四層位于該密閉空間內(nèi)，密閉空間的內(nèi)部充有具有氧化還原作用的電解液；其中所述的作為光陽極的鍍膜金屬網(wǎng)是由耐電解液腐蝕的金屬網(wǎng)或?qū)щ娎w維網(wǎng)通過鍍膜工藝鍍上起電荷分離作用的寬帶隙納米晶半導(dǎo)體氧化物薄膜，在經(jīng)過熱處理后吸附敏化染料而制得；所述的作為對電極的鍍膜金屬網(wǎng)或鍍膜金屬片是由耐電解液腐蝕的金屬網(wǎng)、導(dǎo)電纖維網(wǎng)或金屬片通過鍍膜工藝鍍上起催化作用的鉑、鎳或碳薄膜而制得。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的染料敏化太陽電池，其特征在于所述的封裝蓋板 為柔性塑料件或超白玻璃。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的染料敏化太陽電池，其特征在于所述的金屬網(wǎng)為 鈦、鎳、金、鎢、鉑、鉭或鈮金屬網(wǎng)。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的染料敏化太陽電池，其特征在于所述的鍍膜工藝 為提拉成膜法、絲網(wǎng)印刷或電鍍工藝。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的染料敏化太陽電池，其特征在于所述的寬帶隙納 米晶半導(dǎo)體氧化物薄膜為寬帶隙納米晶Ti02或Sn02半導(dǎo)體薄膜。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的染料敏化太陽電池，其特征在于所述的具有氧化還原作用的電解液為含r和12的電解液。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的染料敏化太陽電池，其特征在于所述的第一層封 裝蓋板和第五層封裝蓋板之間采用密封膠予以封裝。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種網(wǎng)格狀電極集成的雙面高效吸光的染料敏化太陽電池由五層結(jié)構(gòu)組成，第一層是封裝蓋板，第二層是作為光陽極的鍍膜金屬網(wǎng)，第三層是作為對電極的鍍膜金屬網(wǎng)或鍍膜金屬片，第四層是作為光陽極的鍍膜金屬網(wǎng)，第五層是封裝蓋板，第一層封裝蓋板和第五層封裝蓋板之間予以封裝形成密閉空間，第二、三和四層位于該密閉空間內(nèi)，密閉空間的內(nèi)部充有具有氧化還原作用的電解液。本發(fā)明太陽電池可實(shí)現(xiàn)雙面吸光及吸附更多的染料進(jìn)一步增加光陽極的光吸收，同時可以高效收集電子，解決傳統(tǒng)染料敏化太陽電池?zé)o法大面積制備的問題，此外以塑料件蓋板封裝成柔性太陽電池還可以應(yīng)用在一些具有美學(xué)概念的工藝品或建筑上。
文檔編號H01G9/20GK101266883SQ20081002732
公開日2008年9月17日 申請日期2008年4月11日 優(yōu)先權(quán)日2008年4月11日
發(fā)明者勇 劉, 孫志高, 臻 張, 輝 沈, 海 王, 許紅梅 申請人:中山大學(xué)