本发明染料敏化太阳能电池(Dye)导电玻璃作为导电基板和传递光生电子的半导体纳米纸基板电池

一种柔性染料敏化太阳能电池纳米纸基复合光阳极及其制备方法

【摘要】本发明公开了一种用于柔性染料敏化太阳能电池的纳米纸基复合光阳极及其制备方法，属于太阳能电极材料领域。该复合光阳极包括柔性透明导电聚合物基板，其位于柔性透明导电聚合物目标基板上的TiOx连接层、用于吸附光敏剂和转移光生电子的半导体多孔薄膜层以及纳米纸基板。本发明的复合光阳极结构设计合理、制备简单、成本低、吸光性好，同时还提高了光阳极的强度。同时，本发明还提供了其制备方法，

【专利描述】一种柔性染料敏化太阳能电池纳米纸基复合光阳极及其制备方法

【技术领域】

[0001] 本发明涉及太阳能电极材料领域，尤其涉及一种太阳能电极材料及其制备方法[技术领域]，尤其涉及一种柔性染料敏化太阳能电池纳米纸基复合光阳极和其制备方法。

【背景技术】

[0002] 染料敏化太阳能电池(Dye Sensitized Solar Cell，染料敏化太阳能电池，以下简称DSC)是一种新型太阳能电池。自1991年在瑞士理工学院实验室将纳米结构应用于染料敏化太阳能电池时，染料敏化太阳能电池以其高效、低成本的潜在优势受到了全世界科学家的青睐。

[0003] 染料敏化太阳能电池是由光阳极、电解质和对电极组成的“三明治”结构，其中光电极包括导电基板、半导体多孔纳米晶薄膜和染料光敏剂，对电极包括催化层和导电基材。

[0004] 根据导电基板材料的不同，染料敏化太阳能电池可分为刚性染料敏化太阳能电池和柔性染料敏化太阳能电池。刚性染料敏化太阳能电池采用导电玻璃作为导电基板，首先通过各种成膜方法在导电基板上制备半导体多孔纳米晶薄膜。C)得到的半导体多孔纳米晶薄膜与导电基板具有良好的结合强度和粒子间良好的电接触的特点。柔性染料敏化太阳能电池采用高分子透明导电聚合物基板（称为柔性导电基板）作为导电基板，具有柔性。对于基于聚合物的柔性染料敏化太阳能电池，

[0005] 因此，迫切需要一种新型的柔性光电阳极来制备具有高光电转换效率的柔性染料敏化太阳能电池。

【发明内容】

本发明的目的在于：聚合物基柔性染料敏化太阳能电池所采用的透明导电聚合物基板的温度通常低于150°C，使得所制备的柔性光电阳极薄膜内部的颗粒得以使用。通过它。针对连接性差、光电转换效率低的问题阳极氧化二氧化钛，提供了一种柔性染料敏化太阳能电池纳米纸基复合光电阳极及其制备方法。针对上述问题，本发明对柔性光电阳极的结构进行了新的改进。本发明的复合光阳极结构设计合理、制备简单、成本低、吸光性好，同时还提高了光阳极的强度。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种柔性染料敏化太阳能电池纳米纸基复合光阳极，包括柔性透明导电聚合物基板、柔性透明导电聚合物基板上的TiOx连接层、吸附光敏剂和转移光生电子的半导体多孔膜层和纳米-纸基板，半导体多孔膜层以纳米纸基板作为散射层和支撑基板，柔性透明导电聚合物基板通过TiOx连接层与半导体多孔膜层连接。

[0008] 柔性透明导电聚合物基板、TiOx连接层和半导体多孔膜层通过压力连接在一起。

[0009] 加压压力为10-100Mpa。

[0010] 描述！！(^ 连接层的厚度为 10-100 nm。

所述的TiOx连接层通过以下方法制备：将钛酸盐溶液涂布在柔性透明导电聚合物基板上，室温干燥得到TiOx连接层；

钛酸酯溶液是钛酸四丁酯溶液或钛酸四异丙酯溶液。

所述的钛酸盐溶液中，溶质的质量百分比为0.5%-10%。

[0013] 通过旋涂将钛酸盐溶液涂布在柔性透明导电聚合物基板上。

所述的半导体多孔膜层为宽带隙半导体多孔膜；

或者，所述半导体多孔膜层为掺杂石墨烯的宽带隙半导体多孔膜；

半导体多孔薄膜层中的宽带隙半导体为以下物质中的至少一种：氧化钛、氧化锌、氧化铌。

[0015] 石墨烯的掺杂量为半导体多孔薄膜层质量的0.01%-1%。

[0016] 半导体多孔膜层的厚度为4-20μm。

所述的半导体多孔膜层通过一种刮涂法、喷涂法、丝网印刷法、提拉法制备；所述的半导体多孔膜层的烧结温度为450°C-500°C，烧结时间为30-60min。

[0018] 纳米纸基材的厚度为5μm-100μm。

[0019] 纳米纸基材由纳米线或纳米纤维制备。

所述的纳米纸基材由金属氧化物纳米线或金属氧化物纳米纤维制备而成；

或者，纳米纸基材由氧化硅纳米线或氧化硅纳米纤维制备；

或者纳米纸基材由石墨烯掺杂金属氧化物纳米线、石墨烯掺杂金属氧化物纳米纤维、石墨烯掺杂氧化硅纳米线、石墨烯掺杂氧化硅纳米纤维组成。金属氧化物为氧化钛、氧化锌、氧化铌、氧化锰、氧化锡、氧化铝、氧化硅、氧化铟、氧化钨、氧化镁中的一种或多种。

所述纳米线或纳米纤维的粒径为10nm-1μm，长度为1μm-100μm。

前述柔性染料敏化太阳能电池纳米纸基复合光阳极的制备方法，包括如下步骤：

(1)纳米纸基材的制备；

(2)将步骤1制备的纳米纸基材涂上含有粘合剂和成孔剂的宽带隙半导体浆料，然后在450-500℃下烧结20-60min，烧结后，纳米纸在基板上形成半导体多孔膜层，将含有半导体多孔膜层的纳米纸基板作为第一部分；

(3)将钛酸盐溶液涂布在柔性透明导电聚合物基板上，在柔性透明导电聚合物基板上形成TiOx连接层，室温干燥，作为第二部分；

(4)施加压力将第一部分和第二部分连接在一起，得到产品；

步骤2中，宽带隙半导体为氧化钛、氧化锌、氧化铌中的一种或多种；

步骤3中，钛酸酯溶液以钛酸四丁酯溶液或钛酸四异丙酯为溶质，溶质的质量百分比为0.5%-10%。[0023] 步骤四中，施加压力为10-100Mpa，纳米纸基板上的半导体多孔膜层通过TiOx连接层与柔性透明导电高分子基板连接在一起。

所述步骤一中，首先通过水热法合成纳米纤维，在纳米纤维中再加入表面活性剂，形成前驱体浆液，最后前驱体浆液通过热压成膜的方法，制成纳米纸，即纳米纸基材。

所述步骤二中，粘合剂为松油醇或聚乙烯醇，所述造孔剂为乙基纤维素或有机聚合物造孔剂。

为了提高聚合物基柔性DSC的转化效率，申请人：考虑改进现有光电极的结构，提供一种新型复合光电极，并将刚性DSC光阳极烧结工艺引入柔性DSC光阳极的制备过程中，制备的复合光电极可以吸收两者的优点，从而有效提高聚合物基柔性DSC的光电转换效率。

本发明提供的柔性染料敏化太阳能电池纳米纸基复合光阳极包括柔性透明导电聚合物基板、TiOx连接层、半导体多孔膜层、纳米纸基板和非晶TiOx连接层。涂布在柔性透明导电高分子基材上，半导体多孔膜层以纳米纸基材作为散射层和支撑层，然后采用压力的方法将半导体多孔膜层与柔性透明导电高分子有效连接衬底穿过非晶 TiOx 连接层。，即一种复合光阳极，包括柔性透明导电聚合物基板、TiOx连接层、半导体多孔膜层、由上至下依次形成纳米纸基板。本发明中的TiOx连接层作为柔性透明导电高分子基板与半导体多孔膜层之间的连接剂，可以保证两部分的连接强度，使光阳极内部具有更好的连接性；并且纳米纸基板可以作为半导体多孔膜层的散射层，同时也可以作为半导体多孔膜层的支撑基板，以承受高温烧结；半导体多孔膜层可用于吸附光敏剂和转移光生电子。此外，与传统的基于聚合物的柔性DSC光阳极相比，

本发明的光电阳极具有结构设计合理、制备容易、成本低、吸光性好、可实现高温烧结、提高光电阳极的光吸收率等诸多优点，本发明的方法适用于制备柔性同时染料敏化太阳能电池对于探索降低电池成本具有重要意义。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

(1)本发明制备的纳米纸基材是不透明的，可以充分散射太阳光，提高光阳极对光的吸收

速度;

(2)本发明中的半导体多孔膜层由纳米纸基材支撑，因此半导体多孔膜层能经受高温烧结，内部颗粒连接良好，电子收集效率高;

(3)本发明的TiOx连接层可以有效连接柔性透明导电高分子基板和半导体多孔膜层，有效抑制暗电流和电子复合；

(4)本发明结构设计合理，制备简单方便，成本低，吸光性好，同时光阳极强度显着提高；

(5)本发明的制备方法适用于柔性染料敏化太阳能电池的制备，具有操作简单、制备方便、生产成本低、适合大规模推广和推广的特点。应用。大规模应用具有重要意义。【专利图】

【图纸说明】

本发明将通过示例的方式并参考附图进行说明，其中：

如图。附图说明图1为本发明柔性染料敏化太阳能电池的纳米纸基复合光阳极的结构与组装示意图。

图2为实施例1中由纳米线或纳米纤维制成的纳米纸基材的SEM图。

【详细方法】

[0032] 本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，可以以任何方式组合阳极氧化二氧化钛，除了相互排斥的特征和/或步骤。

[0033] 除非另有明确说明，否则本说明书中公开的任何特征都可以被用于类似目的的其他等效或替代特征代替。也就是说，除非另有明确说明，否则每个特征只是一系列等效或相似特征的一个示例。

[0034] 以下实施例均通过制备纸型染料敏化太阳能电池光电阳极并组装成电池来验证本发明的可行性和先进性。

本实施例中染料敏化太阳能电池的制备方法：将烧结后的纳米纸基复合光阳极薄膜电极浸入N719染料的乙醇溶液中，浸泡12小时后取出，用无水乙醇和空气冲洗干净。干燥后，可制成染料敏化薄膜电极；制备的敏化电极作为工作电极，镀钼导电基板作为对电极。@0.5M 四叔丁基吡啶在乙腈溶液中作为电解质组装具有“三明治”结构的染料敏化太阳能电池。本实施例中染料敏化太阳能电池的光电测试方法：电池的光电性能测量采用计算机控制的Oriel太阳能模拟系统在室温下进行。

实施例1

（1)水热法合成氧化钛纳米纤维：取0.2g P25粉末（P25指纳米二氧化钛），30ml去离子水，12g NaOH，200℃水热反应96h，得到纳米纤维浆料；

(2)在步骤I制备的纳米纤维浆料中加入表面活性剂F-127，以提高纳米纤维在纳米纤维浆料中的分散性能，搅拌混合形成分散良好的纳米纤维前体浆料，其中，表面活性剂F-127是0.1%的纳米纤维浆料；

(3)将步骤2制备的纳米纤维前驱体浆料通过热压成膜的方法制成纳米纸，该纳米纸的厚度约为10μL?;

（4)在纳米纸（即纳米纸基材）表面刮涂一层含有萜品醇和乙基纤维素等粘合剂或有机聚合物造孔剂的二氧化钛浆料，500℃烧结30min，烧结后二氧化钛薄膜厚度为6mm；

(5)在ITO-PEN基板(ITO-PEN基板为透明导电高分子基板)上旋涂1质量％的钛酸四丁酯溶液，在ITO-PEN基板上制备TiOx连接层，室温干燥备用，TiOx连接层的厚度约为50nm；

(6)施加30MPa的压力，将步骤5制备的TiOx层与步骤4制备的多孔膜连接，得到柔性染料敏化太阳能电池用纳米纸基复合光阳极，结构为如图1所示；

(7)浸泡染料，组装电池，测试其光电性能。光电转换效率达到5.89%。

图2的SEM图像显示：在上述方法制备的纳米纸基材中，纳米纤维的粒径在20～200nm之间，长度在1～100μm之间。

通过控制旋涂速度和时间，改变TiOx连接层的厚度，采用不同的透明导电聚合物基材和压力以及钛酸酯前驱体，在其他条件不变的前提下，得到纳米纸基柔性材料。DSC的光电转换效率如下表1所示。ITO-PEN和ITO-PET是两种常见的透明导电聚合物基板。

表1 不同TiOx连接层、透明导电聚合物基板、钛酸盐前驱体条件下的光电转换效率

【权利要求】

1.一种柔性染料敏化太阳能电池纳米纸基复合光阳极，其特征在于包括柔性透明导电聚合物基板、柔性透明导电聚合物基板上的TiOx连接层，用于吸附光敏。半导体多孔膜层和用于传输光生电子的纳米纸基材，半导体多孔膜层以纳米纸基材作为散射层和支撑基材，柔性透明导电聚合物基材通过连接件与半导体多孔膜层连接。 TiOx 将层连接在一起。

2.根据权利要求1所述的柔性染料敏化太阳能电池纳米纸基复合光阳极，其特征在于，所述柔性透明导电高分子基板、所述TiOx连接层和所述半导体多孔膜层通过压接形成。

3.根据权利要求1所述的柔性染料敏化太阳能电池纳米纸基复合光阳极，其特征在于，所述TiOx连接层的厚度为10-100nm。

4.根据权利要求1-3中任一项所述的柔性染料敏化太阳能电池纳米纸基复合光阳极，其特征在于，所述TiOx连接层的制备方法如下：所述的钛酸盐溶液涂布在柔性透明材料上。导电聚合物基板，室温干燥，得到TiOx连接层；钛酸酯溶液为钛酸四丁酯溶液或钛酸四异丙酯溶液。

5.根据权利要求1所述的柔性染料敏化太阳能电池纳米纸基复合光阳极，其特征在于，所述半导体多孔膜层为宽带隙半导体多孔膜。或者，所述半导体多孔膜层为掺杂石墨烯的宽带隙半导体多孔膜；半导体多孔膜层中的宽带隙半导体为以下材料中的至少一种：氧化钛、氧化锌、氧化铌。

6.根据权利要求5所述的柔性染料敏化太阳能电池用纳米纸基复合光电阳极，其特征在于，所述半导体多孔薄膜层采用刮涂法、喷涂法、丝网印刷法、拉拔法。该方法中的一种制备自；所述的半导体多孔膜层的烧结温度为450°C-500°C，烧结时间为30-60min。

7.根据权利要求1-6任一项所述的柔性染料敏化太阳能电池纳米纸基复合光电阳极，其特征在于，所述纳米纸基板的厚度为5μm-100μm。

8.根据权利要求1-7中任一项所述的柔性染料敏化太阳能电池纳米纸基复合光电阳极，其特征在于，所述纳米纸基材由纳米线或纳米纤维制备而成。

9.根据权利要求8所述的柔性染料敏化太阳能电池纳米纸基复合光阳极，其特征在于，所述纳米纸基板由金属氧化物纳米线或金属氧化物纳米纤维制备而成。或者，纳米纸基材由氧化硅纳米线或氧化硅纳米纤维制备；或者，纳米纸基材由掺杂石墨烯的金属氧化物纳米线、掺杂石墨烯的金属氧化物纳米纤维制成，制备一种异质石墨烯的氧化硅纳米线和掺杂石墨烯的氧化硅纳米纤维；所述金属氧化物为氧化钛、氧化锌、氧化铌、氧化锰、氧化锡、氧化铝、氧化硅、氧化铟、氧化钨、氧化镁中的一种或几种。

在透明导电高分子基板上形成TiOx连接层，室温干燥后作为第二部分；(4)施加压力将第一部分和第二部分连接在一起，得到产品；步骤2中，宽带隙半导体为氧化钛、氧化锌、氧化铌中的一种或多种；在步骤3、钛酸酯溶液以钛酸四丁酯溶液或钛酸四异丙酯为溶质，溶质的质量百分比为0.5%-10%。宽禁带半导体为氧化钛、氧化锌、氧化铌中的一种或多种；步骤3中，钛酸酯溶液采用钛酸四丁酯溶液或钛酸四异丙酯为溶质，溶质的质量百分比为0.5%-10%。宽禁带半导体为氧化钛、氧化锌、氧化铌中的一种或多种；步骤3中，钛酸酯溶液采用钛酸四丁酯溶液或钛酸四异丙酯为溶质，溶质的质量百分比为0.5%-10%。

【文件编号】H01G9/048GK103887071SQ2

【公示日期】2014年6月25日申请日期：2014年3月13日优先日期：2014年3月13日

【发明人】赵小冲、杨潘申请人：四川材料技术研究所