專利名稱：染料敏化納米晶體TiO的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于太陽能電池技術(shù)領(lǐng)域，特別是提供了一種染料敏化納米晶體TiO2太陽能電池，尤其是涉及一種具備儲存液態(tài)電解質(zhì)的儲液池和從該染料敏化納米晶體TiO2太陽能電池的外部向儲液池補充液態(tài)電解質(zhì)的補液通道的染料敏化納米晶體TiO2太陽能電池。
背景技術(shù)：
染料敏化納米晶體TiO2太陽能電池(以下簡稱TiO2太陽能電池)以其優(yōu)良的性能和低成本獲得人們的關(guān)注，并在十余年內(nèi)得到了迅速發(fā)展，被認為是未來光伏發(fā)電最有前景的發(fā)展方向之一。目前，這一領(lǐng)域的研究工作涉及到半導體薄膜材料、染料、電解質(zhì)、導電玻璃、封裝技術(shù)等各個方面。
過去的TiO2太陽能電池的結(jié)構(gòu)如圖1所示。作為該TiO2太陽能電池的一個電極，即所謂半導體電極1，在由玻璃基板10和導電薄膜11組成的導電玻璃的表面涂覆有納米晶體TiO2薄膜2，納米晶體TiO2薄膜2上吸附有敏化染料3。作為TiO2太陽能電池的另一個電極，即所謂對電極6，在由玻璃基板60和導電薄膜61組成的導電玻璃的表面涂覆有鉑或碳等催化劑。半導體電極1和對電極6通過密封材料7組合在一起。在半導體電極1和對電極6之間，充填有液態(tài)電解質(zhì)5。TiO2太陽能電池在工作時，通過敏化染料3有效地吸收太陽光的能量，并將在敏化染料3中激發(fā)的電子注入到納米晶體TiO2薄膜2的導帶中。而注入到納米晶體TiO2薄膜2的導帶中的電子又傳送到與納米晶體TiO2薄膜2相結(jié)合的導電薄膜11上，然后經(jīng)過負載4到達對電極6。液態(tài)電解質(zhì)5的作用則是將對電極6上的電子傳送到敏化染料3上。對電極6上的鉑或碳作為催化劑，促進對電極6上的電子轉(zhuǎn)移到液態(tài)電解質(zhì)5。
TiO2太陽能電池現(xiàn)在面臨的一個主要問題是電池使用壽命的縮短，而導致電池使用壽命縮短的一個主要原因是由于TiO2太陽能電池中采用液態(tài)電解質(zhì)，而液態(tài)電解質(zhì)隨著時間的推移，有可能因揮發(fā)而從電池中泄漏出去，從而導致TiO2太陽能電池的失效。
作為解決上述液態(tài)電解質(zhì)揮發(fā)泄漏的方法，可以改進電池封裝技術(shù)和采用固態(tài)電解質(zhì)。
TiO2太陽能電池一般采用環(huán)氧樹脂等有機密封材料對電池進行密封。但有機密封材料容易老化失效，從而加劇了液態(tài)電解質(zhì)的揮發(fā)泄漏?？梢圆捎妹芊庑Ч玫牡腿埸c玻璃作為密封材料的技術(shù)(蔡春平，低熔點微晶封接玻璃的研究，應(yīng)用光學，1995，16，pp.33-39)。但是低熔點玻璃中含有的其他元素(例如鉛等)有可能與液態(tài)電解質(zhì)中的碘發(fā)生相互作用，進而影響電解質(zhì)的效果。
另外，采用固態(tài)電解質(zhì)代替液態(tài)的碘電解質(zhì)，能夠避免電解質(zhì)揮發(fā)問題(李斌、邱勇，染料敏化太陽能電池，感光科學與化學，2000，18(4)，pp.336-347)。但是，固態(tài)電解質(zhì)的離子遷移速率低于液態(tài)電解質(zhì)的離子遷移速率，從而使得固態(tài)電解質(zhì)的TiO2太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率低于液態(tài)電解質(zhì)的TiO2太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種染料敏化納米晶體TiO2太陽能電池，一種具備儲存液態(tài)電解質(zhì)的儲液池和從該TiO2太陽能電池的外部向儲液池補充液態(tài)電解質(zhì)的補液通道的TiO2太陽能電池，從而能夠克服液態(tài)電解質(zhì)的揮發(fā)泄漏的問題，同時又避免因固態(tài)電解質(zhì)而造成的光電轉(zhuǎn)換效率的低下。
本發(fā)明包括半導體電極1、液態(tài)電解質(zhì)5、對電極6、密封材料7。本發(fā)明設(shè)置了用于儲存液態(tài)電解質(zhì)的儲液池51、從染料敏化納米晶體TiO2太陽能電池的外部向儲液池51補充液態(tài)電解質(zhì)的補液通道52，儲液池51設(shè)置在對電極6的面向半導體電極1的一面，由于儲液池51設(shè)置在對電極6的面向半導體電極1的一面，從而容易進行TiO2太陽能電池的組裝。
由于TiO2太陽能電池內(nèi)部存在儲液池51，增加了TiO2太陽能電池內(nèi)部的液態(tài)電解質(zhì)的數(shù)量，從而延長了TiO2太陽能電池的使用壽命。而且，因為設(shè)置有補液通道52，當TiO2太陽能電池內(nèi)部的液態(tài)電解質(zhì)5由于揮發(fā)泄漏而減少后，可以打開補液通道52處的密封材料7，通過補液通道52補充液態(tài)電解質(zhì)5，進而更加延長了TiO2太陽能電池的使用壽命。
在對電極6的背向上述半導體電極1的一面上，覆蓋有蓋板64，儲液池51設(shè)置在對電極6的背向半導體電極1的一面，儲液池51內(nèi)的液態(tài)電解質(zhì)5可以通過設(shè)置在上述對電極1上的貫通孔63到達對電極6的面向上述半導體電極1的一面。儲液池51設(shè)置在對電極6的背向半導體電極1的一面，因而可以設(shè)置較大容積的儲液池51，且不會由于儲液池51的設(shè)置而影響對電極6的催化效果。
在對電極6的背向半導體電極1的一面上，覆蓋有蓋板64，儲液池51設(shè)置在蓋板64的面向?qū)﹄姌O6的一面，儲液池51內(nèi)的上述液態(tài)電解質(zhì)5可以通過設(shè)置在上述對電極6上的貫通孔63到達上述對電極6的面向上述半導體電極1的一面。由于儲液池51設(shè)置在蓋板64的面向?qū)﹄姌O6的表面，在對電極6上只設(shè)置有貫通孔63，因而可以設(shè)置較大容積的儲液池51，且不會由于儲液池51的設(shè)置而影響對電極6的催化效果，同時簡化了對電極6的制作工藝。
補液通道52設(shè)置在對電極6的面向半導體電極1的一面上，與對電極6的表面平行。由于補液通道52與對電極6的表面平行，因此可以減少染料敏化納米晶體TiO2太陽能電池的整體厚度，方便TiO2太陽能電池的安裝使用。
補液通道52設(shè)置在對電極6上，與上述對電極6的表面垂直。由于補液通道52與對電極6的表面垂直，因此可以在TiO2太陽能電池的中心附近設(shè)置補液通道52，從而加快補充液態(tài)電解質(zhì)的操作。
補液通道52設(shè)置在蓋板64的面向?qū)﹄姌O6的一面，與蓋板64的表面平行。由于補液通道52與蓋板64的表面平行，因此可以減少染料敏化納米晶體TiO2太陽能電池的整體厚度，方便TiO2太陽能電池的安裝使用。
補液通道52設(shè)置在蓋板64上，與蓋板64的表面垂直。由于補液通道52與蓋板64的表面垂直，因此可以在TiO2太陽能電池的中心附近設(shè)置補液通道52，從而加快補充液態(tài)電解質(zhì)的過程。
本發(fā)明的液通道52有2～10條。因此在補充液態(tài)電解質(zhì)時，可以將其中至少1條補液通道作為排氣通道，從而加快補充液態(tài)電解質(zhì)的過程。
發(fā)明效果本發(fā)明的TiO2太陽能電池由于具有儲液池和補液通道，在TiO2太陽能電池內(nèi)部能夠儲存有較多的液態(tài)電解質(zhì)，可以使TiO2太陽能電池維持較長的工作壽命，同時在液態(tài)電解質(zhì)因揮發(fā)泄漏而減少時，可以打開補液通道處的密封材料，通過補液通道補充液態(tài)電解質(zhì)，從而可以避免因液態(tài)電解質(zhì)的揮發(fā)泄漏造成TiO2太陽能電池的失效。


圖1為過去的TiO2太陽能電池的結(jié)構(gòu)示意圖。其中，半導體電極1，玻璃基板10，導電薄膜11，納米晶體TiO2薄膜2，負載4，液態(tài)電解質(zhì)5，對電極6，密封材料7，玻璃基板60，導電薄膜61，Pt薄膜62。
圖2為本發(fā)明實施例1的對電極的主視圖。其中，儲液池51，補液通道52。
圖3為本發(fā)明實施例1的對電極的俯視圖。
圖4為本發(fā)明實施例1的TiO2太陽能電池的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖5表示本發(fā)明實施例1的TiO2太陽能電池的短路電流隨時間的變化。
圖6表示本發(fā)明實施例1的TiO2太陽能電池的開路電壓隨時間的變化。
圖7為本發(fā)明實施例2的對電極的主視圖。其中，貫通孔63。
圖8為本發(fā)明實施例2的對電極的俯視圖。
圖9為本發(fā)明實施例2的TiO2太陽能電池的結(jié)構(gòu)示意圖。其中，蓋板64圖10表示本發(fā)明實施例2的TiO2太陽能電池的短路電流隨時間的變化。
圖11為本發(fā)明實施例3的對電極的主視圖。
圖12為本發(fā)明實施例3的對電極的俯視圖。
圖13為本發(fā)明實施例3的蓋板的主視圖。
圖14為本發(fā)明實施例3的蓋板的俯視圖。
圖15為本發(fā)明實施例3的TiO2太陽能電池的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖16表示本發(fā)明實施例3的TiO2太陽能電池的短路電流性能隨時間的變化。
圖17為本發(fā)明實施例4的蓋板的主視圖。
圖18為本發(fā)明實施例4的蓋板的俯視圖。
圖19為本發(fā)明實施例4的TiO2太陽能電池的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖20表示本發(fā)明實施例4的TiO2太陽能電池的短路電流隨時間的變化。
1半導體電極，10玻璃基板，11導電薄膜，2納米晶體TiO2薄膜，4負載，5液態(tài)電解質(zhì)，51儲液池，52補液通道，6對電極，60玻璃基板，61導電薄膜，62Pt薄膜，63貫通孔，64蓋板，7密封材料
具體實施例方式
下面參照附圖，說明本發(fā)明的實施例態(tài)。
實施例1制備半導體電極1時所用的基體材料為面電阻為20-30歐姆的ITO導電玻璃，裁成2.5cm×2.5cm尺寸，然后清洗干凈。所使用的納米晶體TiO2粉末是工業(yè)用P25型TiO2粉末，其平均粒徑為25-30nm，比表面積為50m2/g，TiO2含量大于99.5％，為銳鈦礦相與金紅石相的混合結(jié)構(gòu)。采用粉末涂敷法在ITO導電玻璃上制備TiO2薄膜，其過程為將8mL去離子水與1.0g P25粉末充分混合后加入幾滴PEG并充分研磨后配制成懸濁液的漿料，將配制好的漿料均勻地涂抹在已裁好并清洗干凈的ITO導電玻璃上，在450℃保溫60分鐘。然后將已經(jīng)涂覆有TiO2薄膜的ITO導電玻璃放入染料溶液進行浸泡。所用染料為N3染料，采用無水乙醇作溶劑配制成染料溶液，染料濃度為0.3g/L。染料浸泡后對半導體電極1進行清洗、干燥。
制備對電極6時所用的基體材料為面電阻為20-30歐姆ITO導電玻璃，裁成2.5cm×2.5cm尺寸。在對電極6的面向半導體電極1的一面、即具有導電薄膜11的一面，利用氫氟酸腐蝕，形成如圖2、3所示形狀的儲液池51和補液通道52。然后利用化學鍍方法，在ITO導電玻璃上制備Pt薄膜?；瘜W鍍所使用的電鍍液為0.5gH2PtCl4.6H2O，5g(NH4)2HPO4，15gNa2HPO4配制成100ml的水溶液，加熱溶解成橙色的透明水溶液，然后加入一定量的NaOH調(diào)解pH值至8。電鍍時電鍍液要維持在80℃，電壓為4-5V。
液態(tài)電解質(zhì)為碘化鋰(LiI)與碘(I2)的碳酸丙烯酯溶液，其中碘化鋰(LiI)的濃度為0.5M，碘(I2)的濃度為0.05M，溶劑為碳酸丙烯酯。
利用環(huán)氧樹脂密封TiO2太陽能電池。所得到的TiO2太陽能電池的結(jié)構(gòu)如圖4所示。當液態(tài)電解質(zhì)因揮發(fā)泄漏而減少時，除去補液通道52處的密封材料7，通過補液通道52補充液態(tài)電解質(zhì)5，然后再次利用環(huán)氧樹脂對補液通道52進行密封。
圖5、6表示實施例1的TiO2太陽能的短路電流和開路電壓隨時間變化的關(guān)系。從圖5、6可知，隨著液態(tài)電解質(zhì)5的揮發(fā)，TiO2太陽能電池的短路電流會逐漸減小，但開路電路沒有明顯下降。通過補充液態(tài)電解質(zhì)5(圖中箭頭所示位置)后，短路電路大幅度回升。
實施例2本實施例的半導體電極1、液態(tài)電解質(zhì)5、以及密封方法均與實施例1相同。與實施例1不同的是，在本實施例中，在對電極6上的背向半導體電極1的一面，利用氫氟酸腐蝕，形成儲液池51和補液通道52，同時在對電極6上形成貫通孔63，如圖7、8所示。另外，在本實施例中，具有蓋板64。該蓋板64為一塊平板玻璃，用于覆蓋對電極6上的儲液池51和補液通道52。這里省略蓋板64的圖示說明。所得到的TiO2太陽能電池的結(jié)構(gòu)如圖9所示。
圖10表示實施例2的TiO2太陽能電池的短路電流隨時間變化的關(guān)系。從圖10可知，隨著液態(tài)電解質(zhì)的揮發(fā)，TiO2太陽能電池的短路電流會逐漸減小。但是由于儲液池51的容積大于實施例1，因此短路電流減小所需時間比實施例1更長。通過補充液態(tài)電解質(zhì)5后，短路電路大幅度回升。實施例2的TiO2太陽能電池的開路電壓的變化與實施例1相同，這里省略說明。
實施例3本實施例的半導體電極1、液態(tài)電解質(zhì)5、以及密封方法均與實施例2相同。
與實施例2不同的是，在本實施例中，在對電極6上開設(shè)有貫通孔63，如圖11、12所示。在蓋板64的面向?qū)﹄姌O6的一面上設(shè)置有儲液池51和補液通道52，如圖13、14所示。所得到的TiO2太陽能電池的結(jié)構(gòu)如圖15所示。
圖16表示實施例3的TiO2太陽能電池的短路電流隨時間變化的關(guān)系。從圖16可知，實施例3的TiO2太陽能電池的功能與實施例2大致相同。實施例3的TiO2太陽能電池的開路電壓的變化與實施例2相同，這里省略說明。
由于實施例3中的儲液池51和補液通道52均設(shè)置在蓋板64上，對電極6上只設(shè)置有貫通孔63，因此簡化了對電極6的制備工藝。
實施例4本實施例的半導體電極1、液態(tài)電解質(zhì)5、儲液池51以及密封方法均與實施例3相同。
與實施例3不同的是，在本實施例中，補液通道52設(shè)置在蓋板64的平面中心附近，如圖17、18所示。所得到的TiO2太陽能電池的結(jié)構(gòu)如圖19所示。
圖20表示實施例4的TiO2太陽能電池的性能隨時間變化的關(guān)系。從圖20可知，實施例4的TiO2太陽能電池的功能與實施例3大致相同。
由于實施例4中的儲液池51和補液通道52均設(shè)置在蓋板64上，對電極6上只設(shè)置有貫通孔63，因此簡化了對電極6的制備工藝。另外，由于補液通道52設(shè)置在蓋板64的平面中心附近，靠近儲液池51，因此補充的液態(tài)電解質(zhì)5能夠較快地到達儲液池51，從而縮短了補充液態(tài)電解質(zhì)5所需的時間。
上述實施例1-4僅為說明本發(fā)明的內(nèi)容，但本發(fā)明并不局限于此。例如，在實施例1-4中，儲液池的形狀為矩形，顯然本發(fā)明的儲液池也可以為圓形、橢圓形等各種形狀，只要具有儲存液態(tài)電解質(zhì)的功能即可。在實施例1-4中，利用氫氟酸腐蝕形成儲液池和補液通道，也可以通過機械拋光等其他方法形成儲液池和補液通道。另外，在實施例1-4中，采用了1塊蓋板，以構(gòu)成儲液池和補液通道。但也可以采用2塊或2塊以上的蓋板，以構(gòu)成容積更大儲液池和數(shù)量更多的補液通道。
權(quán)利要求
1.一種染料敏化納米晶體TiO2太陽能電池，包括半導體電極、液態(tài)電解質(zhì)、對電極、密封材料，其特征在于設(shè)置了用于儲存液態(tài)電解質(zhì)的儲液池(51)、從染料敏化納米晶體TiO2太陽能電池的外部向儲液池(51)補充液態(tài)電解質(zhì)的補液通道(52)，儲液池(51)設(shè)置在對電極(6)的面向半導體電極(1)的一面。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的染料敏化納米晶體TiO2太陽能電池，其特征在于在對電極(6)的背向上述半導體電極(1)的一面上，覆蓋有蓋板(64)，儲液池(51)設(shè)置在對電極(6)的背向上述半導體電極(1)的一面，儲液池(51)內(nèi)的液態(tài)電解質(zhì)通過設(shè)置在上述對電極(1)上的貫通孔(63)到達對電極(6)的面向半導體電極(1)的一面。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的染料敏化納米晶體TiO2太陽能電池，其特征在于在對電極(6)的背向半導體電極(1)的一面上，覆蓋有蓋板(64)，儲液池(51)設(shè)置在蓋板(64)的面向?qū)﹄姌O(6)的一面，儲液池(51)內(nèi)的液態(tài)電解質(zhì)通過設(shè)置在對電極(6)上的貫通孔(63)到達上述對電極(6)的面向上述半導體電極(1)的一面。
4.根據(jù)權(quán)利要求1-3中任一項所述的染料敏化納米晶體TiO2太陽能電池，其特征在于補液通道(52)設(shè)置在對電極(6)的面向半導體電極(1)的一面上，與對電極(6)的表面平行。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的染料敏化納米晶體TiO2太陽能電池，其特征在于補液通道(52)設(shè)置在對電極(6)上，與對電極(6)的表面垂直。
6.根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的染料敏化納米晶體TiO2太陽能電池，其特征在于補液通道(52)設(shè)置在蓋板(64)的面向?qū)﹄姌O(6)的一面，與蓋板(64)的表面平行。
7.根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的染料敏化納米晶體TiO2太陽能電池，其特征在于補液通道(52)設(shè)置在蓋板(64)上，與蓋板(64)的表面垂直。
8.根據(jù)權(quán)利要求1-7中任一項所述的染料敏化納米晶體TiO2太陽能電池，其特征在于補液通道有2～10條，在補充液態(tài)電解質(zhì)時，將其中至少1條補液通道作為排氣通道，以加快補充液態(tài)電解質(zhì)的過程。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種染料敏化納米晶體TiO
文檔編號H01M14/00GK1819276SQ200610011138
公開日2006年8月16日 申請日期2006年1月9日 優(yōu)先權(quán)日2006年1月9日
發(fā)明者萬發(fā)榮, 胡宇寧, 姜春華, 龍毅 申請人:北京科技大學