一種涂覆制備染料敏化太陽(yáng)能電池光陽(yáng)極的方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種涂覆制備染料敏化太陽(yáng)能電池光陽(yáng)極的方法，包括以下步驟：將漿料原料混合制得二氧化鈦漿料，其中，漿料原料包括二氧化鈦材料、造孔劑和調(diào)節(jié)粘度的溶劑，重量比為（15-35）:（5-15）:（60-80）；將步驟1所得二氧化鈦漿料通過(guò)自動(dòng)絲網(wǎng)印刷涂覆在導(dǎo)電基底上，煅燒得到二氧化鈦膜；將步驟2得到的二氧化鈦膜浸泡染料溶液中，取出得到染料敏化太陽(yáng)能電池光陽(yáng)極。本發(fā)明提供的方法工藝簡(jiǎn)單，單層自動(dòng)絲網(wǎng)印刷厚度可達(dá)20μm左右，大大節(jié)省了以往多次印刷的時(shí)間和成本，很適合工業(yè)化生產(chǎn)，而且制得的染料敏化太陽(yáng)能電池光陽(yáng)極的光電轉(zhuǎn)化效率能達(dá)到現(xiàn)有水平。
【專利說(shuō)明】一種涂覆制備染料敏化太陽(yáng)能電池光陽(yáng)極的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種制備染料敏化太陽(yáng)能電池光陽(yáng)極的方法，尤其涉及一種涂覆制備染料敏化太陽(yáng)能電池光陽(yáng)極的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]作為代替化石燃料的能源，利用了太陽(yáng)光的太陽(yáng)能電池受到關(guān)注，人們對(duì)其進(jìn)行了各種研究。太陽(yáng)能電池是一種將光能轉(zhuǎn)換為電能的光電轉(zhuǎn)換裝置，由于以太陽(yáng)光作為能源，所以對(duì)地球環(huán)境的影響極小，可以得到更廣泛的普及。
[0003]近年來(lái)將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為光能的研究發(fā)展很快。應(yīng)用了由染料敏化的光感應(yīng)電子移動(dòng)的染料敏化型太陽(yáng)能電池(Dye-Sensitized Solar Cell，DSSC)，近年來(lái)作為代替硅(Si)類太陽(yáng)能電池等的下一代太陽(yáng)能電池受到關(guān)注，并被廣泛地研究。染料敏化太陽(yáng)能電池(DSSC)的優(yōu)點(diǎn)十分突出:1、制作簡(jiǎn)單，成本低；2、所使用的染料敏化劑可以在很低的光能量下達(dá)到飽和，因此可在各種光照條件下使用；3、可以在很寬的溫度范圍內(nèi)正常工作；
4、可以制成透明的產(chǎn)品，應(yīng)用于門窗、屋頂以及汽車頂。因此它迅速成為世界各國(guó)的研究重點(diǎn)和熱點(diǎn)，取得了豐富的成果，掀起了各國(guó)研究DSSC太陽(yáng)能電池的熱潮。目前液態(tài)染料敏化太陽(yáng)能電池的光電轉(zhuǎn)化效率可達(dá)11.2%。
[0004]用于制備染料敏化太陽(yáng)能電池的二氧化鈦漿料是將二氧化鈦納米顆粒分散在含有添加劑的溶劑中，溶劑為水，乙醇和松油醇。松油醇有較高的粘度，添加有乙基纖維素的二氧化鈦漿料取得了比較好的效果，但未見(jiàn)一次涂覆可以達(dá)到很厚的報(bào)到。Gratzel等用于染料敏化太陽(yáng)能電池的二氧化鈦膜厚16um往往需要涂覆8-9次，每次涂覆都要在135度烘干才能涂覆下一層，這種制備工藝非常復(fù)雜。目前玻璃棒旋涂法雖然能達(dá)到40um的厚度，但是要手工操作，不利于工業(yè)化生產(chǎn)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的在于克服上述不足，提供一種涂覆制備染料敏化太陽(yáng)能電池光陽(yáng)極的方法，制備工藝簡(jiǎn)單，可以一次成膜，大大節(jié)省了以往多次印刷的時(shí)間和成本，很適合工業(yè)化生產(chǎn)。
[0006]本發(fā)明提供了一種涂覆制備染料敏化太陽(yáng)能電池光陽(yáng)極的方法，包括以下步驟: 步驟I，將漿料原料混合制得二氧化鈦漿料，其中，漿料原料包括二氧化鈦材料、造孔劑
和調(diào)節(jié)粘度的溶劑，二氧化鈦材料、造孔劑和溶劑的重量比為(15-35): (5-15): (60-80)；步驟2，將步驟I所得二氧化鈦漿料通過(guò)自動(dòng)絲網(wǎng)印刷涂覆在導(dǎo)電基底上，煅燒得到二氧化鈦膜，其中，自動(dòng)絲網(wǎng)印刷的工藝條件為:刮刀速度10-100 mm/sec、絲網(wǎng)和刮刀之間的距離1-lOmm，絲網(wǎng)型號(hào)為ST165、ST250或ST80 ；
步驟3，將步驟2得到的二氧化鈦膜浸泡染料溶液中，取出得到染料敏化太陽(yáng)能電池光陽(yáng)極。
[0007]其中，二氧化鈦材料可以可以是溶膠凝膠法制備的二氧化鈦漿料，也可為商業(yè)可得的二氧化鈦粉體，如P25、ST21等。
[0008]優(yōu)選地，步驟I為:將漿料原料分散在分散介質(zhì)中，經(jīng)過(guò)高剪切和超聲后除去分散介質(zhì)，然后球磨得到二氧化鈦漿料。
[0009]優(yōu)選地，高剪切時(shí)間為10-15min,轉(zhuǎn)速為5000-20000rpm/min ;超聲時(shí)間為10_15mino
[0010]優(yōu)選地，所述造孔劑為纖維素或其衍生物。
[0011]優(yōu)選地，所述纖維素或其衍生物選自乙基纖維素，羥乙基纖維素、甲基纖維素等中的至少一種。
[0012]優(yōu)選地，所述調(diào)節(jié)粘度的溶劑為松油醇。
[0013]優(yōu)選地，所述松油醇的質(zhì)量百分含量為60-80%。
[0014]優(yōu)選地，所述漿料原料還包括分散劑，所述分散劑的重量為所述漿料原料總重量的 0.1%-5%。
[0015]優(yōu)選地，所述分散劑選自乙二醇、吐溫、司班等中的一種或多種。
[0016]優(yōu)選地，所述漿料原料還包括可調(diào)節(jié)pH值的試劑，所述可調(diào)節(jié)pH值的試劑的重量為所述漿料原料總重 量的0.1%-5%。
[0017]優(yōu)選地，所述可調(diào)節(jié)pH值的試劑選自乙酸、硝酸、四甲基氫氧化銨、氨水中的至少一種。
[0018]優(yōu)選地，步驟2中煅燒溫度為400-600°C，煅燒時(shí)間為10_60min。
[0019]優(yōu)選地，步驟2中所述導(dǎo)電基底為FTO導(dǎo)電玻璃。
[0020]優(yōu)選地，步驟2所得二氧化鈦膜在進(jìn)行步驟3處理前先進(jìn)行TiCl4處理。
[0021]優(yōu)選地，所述TiCl4處理為:將步驟2所得二氧化鈦膜浸泡在10-80mmol/L TiCl4溶液中，浸泡溫度為10-90°C，浸泡時(shí)間為lmin-100h。
[0022]優(yōu)選地，步驟3中，染料溶液濃度為0.001mmol/L-3mol/L，浸泡時(shí)間為2_100h。
[0023]優(yōu)選地，染料溶液濃度0.3 mmol/L0
[0024]其中，染料可以選自N3、N719、N749、Z907、Z991、K8、K19、N945、Z910、K73、K51、Z955、Z991、花青、香豆素、葉啉、吲哚、二萘嵌苯花菁、半花菁等中的一種或幾種。
[0025]優(yōu)選地，所述染料為Z991。
[0026]本發(fā)明提供的方法工藝簡(jiǎn)單，單層自動(dòng)絲網(wǎng)印刷厚度可達(dá)20 μ m左右，大大節(jié)省了以往多次印刷的時(shí)間和成本，很適合工業(yè)化生產(chǎn)，而且制得的染料敏化太陽(yáng)能電池光陽(yáng)極的光電轉(zhuǎn)化效率能達(dá)到現(xiàn)有水平。
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0027]圖1為自動(dòng)絲網(wǎng)印刷流程示意圖:a、將漿料放到刮刀處，b、用刮刀印刷，C、絲網(wǎng)彈起，d、漿料印刷到基板上。
[0028]圖2為實(shí)施例6所得單層印刷的二氧化鈦膜的膜厚曲線圖。
【具體實(shí)施方式】
[0029]下面參照附圖，結(jié)合實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明，以更好地理解本發(fā)明。
[0030]實(shí)施例1將9g納米二氧化鈦粉末ST21 (日本石原)分散在200g乙醇中，加入2.16g粘度為30-70mpa.s和1.44g粘度為5_15mpa.s的乙基纖維素，以及17.4g松油醇,磁力攪拌24小時(shí)，然后高剪切10分鐘，超聲10分鐘，旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀蒸出乙醇得到二氧化鈦粘稠物，經(jīng)過(guò)三滾機(jī)滾軋得到二氧化鈦漿料封存?zhèn)溆谩?br> [0031]將所得二氧化鈦漿料用自動(dòng)絲網(wǎng)印刷機(jī)涂覆在FTO導(dǎo)電玻璃上，絲網(wǎng)印刷機(jī)中絲網(wǎng)型號(hào)為ST165，刮刀速度20mm/sec，間距為2mm ;然后500°C下煅燒30min，得到單層印刷
的二氧化鈦膜。
[0032]將所得二氧化鈦膜紫外照射30分鐘，然后用40mmol/L的TiCl4水溶液在70°C下浸泡30分鐘,取出用水和乙醇沖洗,烘干,然后500°C下煅燒30min備用。
[0033]再將二氧化鈦膜浸泡在濃度為0.3mmol/L的Z991染料溶液中，浸泡時(shí)間為48小時(shí)，制得染料敏化太陽(yáng)能電池光陽(yáng)極，然后組裝成染料敏化太陽(yáng)能電池，所用電解液為Z960。
[0034]實(shí)施例2
將9g納米二氧化鈦粉末ST21 (日本石原)分散在200g乙醇中，加入1.62g粘度為30-70mpa.s和1.08g粘度為5_15mpa.s的乙基纖維素，以及18.3g松油醇,磁力攪拌24小時(shí)，然后高剪切10分鐘，超聲10分鐘，旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀蒸出乙醇得到二氧化鈦粘稠物，經(jīng)過(guò)三滾機(jī)滾軋得到二氧化鈦漿料封存?zhèn)溆谩?br> [0035]將所得二氧化鈦漿料用自動(dòng)絲網(wǎng)印刷機(jī)涂覆在FTO導(dǎo)電玻璃上，絲網(wǎng)印刷機(jī)中絲網(wǎng)型號(hào)為ST165，刮刀速度20mm/sec，間距為2mm ;然后500°C下煅燒30min，得到單層印刷
的二氧化鈦膜。
[0036]將所得二氧化鈦膜紫外照射30分鐘，然后用40mmol/L的TiCl4水溶液在70°C下浸泡30分鐘,取出用水和乙醇沖洗,烘干,然后500°C下煅燒30min備用。
[0037]再將二氧化鈦膜浸泡在濃度為0.3mmol/L的Z991染料溶液中，浸泡時(shí)間為48小時(shí)，制得染料敏化太陽(yáng)能電池光陽(yáng)極，然后組裝成染料敏化太陽(yáng)能電池，所用電解液為Z960。
[0038]實(shí)施例3
將Ilg納米二氧化鈦粉末ST21 (日本石原)分散在200g乙醇中，加入4.43g粘度為5-15mpa.s的乙基纖維素，以及21.4g松油醇，磁力攪拌24小時(shí)，然后高剪切10分鐘，超聲10分鐘，旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀蒸出乙醇得到二氧化鈦粘稠物，經(jīng)過(guò)三滾機(jī)滾軋得到二氧化鈦漿料封
存?zhèn)溆谩?br> [0039]將所得二氧化鈦漿料用自動(dòng)絲網(wǎng)印刷機(jī)涂覆在FTO導(dǎo)電玻璃上，絲網(wǎng)印刷機(jī)中絲網(wǎng)型號(hào)為ST80，刮刀速度20mm/sec，間距為2mm ;然后500°C下煅燒30min，得到單層印刷的
二氧化鈦膜。
[0040]將所得二氧化鈦膜紫外照射30分鐘，然后用40mmol/L的TiCl4水溶液在70°C下浸泡30分鐘,取出用水和乙醇沖洗,烘干,然后500°C下煅燒30min備用。
[0041]再將二氧化鈦膜浸泡在濃度為0.3mmol/L的Z991染料溶液中，浸泡時(shí)間為48小時(shí)，制得染料敏化太陽(yáng)能電池光陽(yáng)極，然后組裝成染料敏化太陽(yáng)能電池，所用電解液為Z960。
[0042]實(shí)施例4將Ilg納米二氧化鈦粉末ST21 (日本石原)分散在200g乙醇中，加入4.43g粘度為5-15mpa.s的乙基纖維素，以及21.4g松油醇，磁力攪拌24小時(shí)，然后高剪切10分鐘，超聲10分鐘，旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀蒸出乙醇得到二氧化鈦粘稠物，經(jīng)過(guò)三滾機(jī)滾軋得到二氧化鈦漿料封
存?zhèn)溆谩?br> [0043]將所得二氧化鈦漿料用自動(dòng)絲網(wǎng)印刷機(jī)涂覆在FTO導(dǎo)電玻璃上，絲網(wǎng)印刷機(jī)中絲網(wǎng)型號(hào)為ST165，刮刀速度100mm/sec，間距為3.8mm ;然后500°C下煅燒30min，得到單層印刷的二氧化鈦膜。
[0044]將所得二氧化鈦膜紫外照射30分鐘，然后用40mmol/L的TiCl4水溶液在70°C下浸泡30分鐘,取出用水和乙醇沖洗,烘干,然后500°C下煅燒30min備用。
[0045]再將二氧化鈦膜浸泡在濃度為0.3mmol/L的Z991染料溶液中，浸泡時(shí)間為48小時(shí)，制得染料敏化太陽(yáng)能電池光陽(yáng)極，然后組裝成染料敏化太陽(yáng)能電池，所用電解液為Z960。
[0046]實(shí)施例5
將9g納米二氧化鈦粉末ST21 (日本石原)分散在200g乙醇中，加入2.7g粘度為15-25mpa.s的乙基纖維素，以及18.3g松油醇，磁力攪拌24小時(shí)，然后高剪切10分鐘，超聲10分鐘，旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀蒸出乙醇得到二氧化鈦粘稠物，經(jīng)過(guò)三滾機(jī)滾軋得到單層印刷的二氧化鈦漿料封存?zhèn)溆谩?br> [0047]將所得二氧化鈦漿料用自動(dòng)絲網(wǎng)印刷機(jī)涂覆在FTO導(dǎo)電玻璃上，絲網(wǎng)印刷機(jī)中絲網(wǎng)型號(hào)為ST165，刮刀速度50mm/sec，間距為3.6mm ;然后500°C下煅燒30min，得到二氧化鈦膜。
[0048]將所得二氧化鈦膜紫外照射30分鐘，然后用40 mmol/L的TiCl4水溶液在70°C下浸泡30分鐘,取出用水和乙醇沖洗,烘干,然后500°C下煅燒30min備用。
[0049]再將二氧化鈦膜浸泡在濃度為0.3mmol/L的Z991染料溶液中，浸泡時(shí)間為48小時(shí)，制得染料敏化太陽(yáng)能電池光陽(yáng)極，然后組裝成染料敏化太陽(yáng)能電池，所用電解液為Z960。
[0050]實(shí)施例6
將9g納米二氧化鈦粉末ST21 (日本石原)分散在200g乙醇中，加入1.62g粘度為30-70mpa.s和1.08g粘度為5_15mpa.s的乙基纖維素，以及18.3g松油醇,磁力攪拌24小時(shí)，然后高剪切10分鐘，超聲10分鐘，旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀蒸出乙醇得到二氧化鈦粘稠物，經(jīng)過(guò)三滾機(jī)滾軋得到二氧化鈦漿 料封存?zhèn)溆谩?br> [0051]將所得二氧化鈦漿料用自動(dòng)絲網(wǎng)印刷機(jī)涂覆在FTO導(dǎo)電玻璃上，絲網(wǎng)印刷機(jī)中絲網(wǎng)型號(hào)為ST165，刮刀速度50mm/sec，間距為3.6mm ;然后500°C下煅燒30min，得到單層印刷的二氧化鈦膜。
[0052]將所得四層印刷的二氧化鈦膜紫外照射30分鐘，然后用40 mmol/L的TiCl4水溶液在70°C下浸泡30分鐘，取出用水和乙醇沖洗，烘干，然后500°C下煅燒30min備用。
[0053]再將二氧化鈦膜浸泡在濃度為0.3mmol/L的Z991染料溶液中，浸泡時(shí)間為48小時(shí)，制得染料敏化太陽(yáng)能電池光陽(yáng)極，然后組裝成染料敏化太陽(yáng)能電池，所用電解液為Z960。
[0054]對(duì)比例將9g納米二氧化鈦粉末ST21 (日本石原)分散在200g乙醇中，加入1.44g粘度為30-70mpa.s和2.16g粘度為5_15mpa.s的乙基纖維素,32.4g松油醇加入混合物中，磁力攪拌24小時(shí)，然后高剪切10分鐘，超聲10分鐘，旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀蒸出乙醇得到二氧化鈦粘稠物，經(jīng)過(guò)三滾機(jī)滾軋得到二氧化鈦漿料封存?zhèn)溆谩?br> [0055]將所得二氧化鈦漿料用自動(dòng)絲網(wǎng)印刷機(jī)涂覆在FTO導(dǎo)電玻璃上，絲網(wǎng)印刷機(jī)中絲網(wǎng)型號(hào)為ST325，刮刀速度20mm/sec，間距為2mm ;然后500°C下煅燒30min，得到單層印刷的二氧化鈦膜；然后重復(fù)涂覆、煅燒三次，制得四層印刷的二氧化鈦膜。
[0056]將所得二氧化鈦膜紫外照射30分鐘，然后用40 mmol/L的TiCl4水溶液在70°C下浸泡30分鐘,取出用水和乙醇沖洗,烘干,然后500°C下煅燒30min備用。
[0057]再將二氧化鈦膜浸泡在濃度為0.3mmol/L的Z991染料溶液中，浸泡時(shí)間為48小時(shí)，制得染料敏化太陽(yáng)能電池光陽(yáng)極，然后組裝成染料敏化太陽(yáng)能電池，所用電解液為Z960。
[0058]測(cè)量實(shí)施例1-6及對(duì)比例所得單層印刷的二氧化鈦膜的膜厚，如表1所示，實(shí)施例6的膜厚曲線如圖2所示，按照本發(fā)明所述方法單層印刷膜厚可達(dá)21 μ m,而對(duì)比例單層印刷膜厚只有4μπ?左右。
[0059]檢測(cè)實(shí)施例4-6和對(duì)比例的所得染料敏化太陽(yáng)能電池的性能結(jié)果如表2所示由本發(fā)明所提供的方法制得的光電極的光電轉(zhuǎn)換效率與對(duì)比例的四層印刷的二氧化鈦膜制得的光電極的光電轉(zhuǎn)換效率基本相同，說(shuō)明本發(fā)明所提供的方法制得的光電極的光電轉(zhuǎn)化效率能達(dá)到現(xiàn)有水平。
[0060]表1實(shí)施例1-6和對(duì)比例所得單層印刷的二氧化鈦膜的膜厚測(cè)量結(jié)果
【權(quán)利要求】
1.一種涂覆制備染料敏化太陽(yáng)能電池光陽(yáng)極的方法，其特征在于，包括以下步驟: 步驟I，將漿料原料混合制得二氧化鈦漿料，其中，漿料原料包括二氧化鈦材料、造孔劑和調(diào)節(jié)粘度的溶劑，二氧化鈦材料、造孔劑和溶劑重量比為(15-35): (5-15): (60-80)； 步驟2，將步驟I所得二氧化鈦漿料通過(guò)自動(dòng)絲網(wǎng)印刷涂覆在導(dǎo)電基底上，煅燒得到二氧化鈦膜，其中自動(dòng)絲網(wǎng)印刷的工藝條件為:刮刀速度10-100 mm/sec、絲網(wǎng)和刮刀之間的距離1-lOmm，絲網(wǎng)型號(hào)為ST165、ST250或ST80 ； 步驟3，將步驟2得到的二氧化鈦膜浸泡染料溶液中，取出得到染料敏化太陽(yáng)能電池光陽(yáng)極。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，步驟I為:將漿料原料分散在分散介質(zhì)中，經(jīng)過(guò)高剪切和超聲后除去分散介質(zhì)，然后球磨得到二氧化鈦漿料。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，高剪切時(shí)間為10-15min，轉(zhuǎn)速為5000-20000rpm/min ;超聲時(shí)間為 10_15min。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述造孔劑為纖維素或其衍生物。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于，所述纖維素或其衍生物選自乙基纖維素，羥乙基纖維素、甲基纖維素中的至少一種。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述調(diào)節(jié)粘度的溶劑為松油醇。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述漿料原料還包括分散劑，所述分散劑的重量為所述漿料原料總重量的0.1%-5%。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于，所述分散劑選自乙二醇、吐溫、司班中的一種或多種。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述漿料原料還包括可調(diào)節(jié)pH值的試劑，所述可調(diào)節(jié)PH值的試劑的重量為所述漿料原料總重量的0.1%-5%。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述可調(diào)節(jié)pH值的試劑選自乙酸、硝酸、四甲基氫氧化銨、氨水中的至少一種。
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，步驟2中煅燒溫度為400-600°C，煅燒時(shí)間為 10-60min。
12.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，步驟2所得二氧化鈦膜在進(jìn)行步驟3處理前先進(jìn)行TiCl4處理。
13.根據(jù)權(quán)利要求13所述的方法，其特征在于，所述TiCl4處理為:將步驟2所得二氧化鈦膜浸泡在10-80mmol/L TiCl4溶液中，浸泡溫度為10_90°C，浸泡時(shí)間為lmin_100h。
14.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，步驟3中，染料溶液濃度為0.0Olmmol/L-3mol/L，浸泡時(shí)間為 2-1OOh。
【文檔編號(hào)】H01G9/20GK103903859SQ201210581761
【公開(kāi)日】2014年7月2日 申請(qǐng)日期:2012年12月27日 優(yōu)先權(quán)日:2012年12月27日
【發(fā)明者】李勇明, 袁慧慧, 楊松旺 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院上海硅酸鹽研究所