專利名稱：一種提高柔性染料敏化太陽電池光電性能的方法
技術領域：
本發(fā)明屬于染料敏化太陽電池(DSC)技術領域，涉及一種提高柔性染料敏化太陽電池光電性能的方法。
背景技術：
高效率和抗彎曲是柔性染料敏化太陽電池的兩大特征。由于柔性DSC的基底通常為塑料，其方塊電阻在溫度高于150°C時會迅速增大使得電極制備不能在高溫下進行，而在低溫下制備的柔性DSC效率與傳統(tǒng)的DSC效率相比仍然較低，這主要的是由于低溫下制備的薄膜納米顆粒間的結合以及膜與基底界面的結合較弱導致。針對目前的情況，研究者在開發(fā)柔性DSC的過程中，都把焦點放在了如何在柔性基體上制備性能良好的TiO2膜上。近年來制備柔性DSC的方法不斷涌現，目前廣泛報道的低溫制備納米TiO2多孔膜的方法有低溫燒結法、低溫水熱法、旋涂法、薄膜轉移法、機械壓膜法等，其中機械壓膜法由于其較高的效率備受關注。機械壓膜法是將TiO2粉末在機械壓力下直接壓覆在基體上形成薄膜的技術。該方法主要通過機械靜壓力增強光陽極顆粒間連接，以達到提高電池效率的目的，研究表明，隨著壓力從57MPa提高至190MPa，電池轉換效率會從2.8%上升到3.5%，但進一步增大壓力則會對柔性基體產生破壞，且由于薄膜的孔隙過小而影響染料吸附和電解質傳遞，而同種方法制備的光陽極膜經過燒結后的電池效率普遍達到5%以上，Yamaguchi> Arakawa等人也發(fā)現施壓和加熱共同作用可以使以N719為染料的柔性電池效率達到7.4%的較高水平。這些重要成果，強有力地說明了如果TiO2薄膜內部顆粒連接較弱，組裝的電池的輸出性能較差，而通過提高壓力或溫度等方法使所得涂層膜內結合或膜基結合性能提高，電池效率也就隨之升高，也就是說光陽極薄膜的結構在很大程度上決定了電池效率的高低。

發(fā)明內容
為進一步提高柔性染料敏化太陽電池電池性能，本發(fā)明提供一種提高柔性染料敏化太陽電池光電性能的方法，在不改變電池材料和基本制備工藝的基礎上通過彎曲來提高柔性染料敏化太陽電池的光電性能。本發(fā)明是通過以下技術方案來實現:一種提高柔性染料敏化太陽電池光電性能的方法，包括以下操作:將用于組裝柔性染料敏化太陽電池的陽極、陽極納晶多孔薄膜或組裝好的柔性染料敏化太陽電池進行彎曲，在陽極納晶多孔薄膜內產生橫向拉應力和縱向附加壓應力；陽極納晶多孔薄膜由于彎曲發(fā)生結構變化，使陽極納晶多孔薄膜內電子縱向傳遞能力相對加強，促進電子的縱向有效輸出；所述縱向為垂直于陽極導電基底表面方向，橫向為平行于陽極導電基底表面方向。所述的陽極已經吸附染料或量子點，或者未吸附染料或量子點。
所述的彎曲為外彎曲或內彎曲，當陽極納晶多孔薄膜受拉應力時稱為外彎曲，當陽極納晶多孔薄膜受壓應力時稱為內彎曲。據陽極或柔性染料敏化太陽電池的內部材料、結構，控制彎曲時所產生的橫向力不引起陽極納晶多孔薄膜與基體導電膜之間開裂。根據陽極或柔性染料敏化太陽電池的內部材料、結構，控制彎曲時基體導電膜的結構變化不顯著降低其導電性。根據陽極或柔性染料敏化太陽電池的內部材料、結構，控制彎曲時不造成電解質的泄漏或暴露。所述彎曲的方向為朝向陽極方向或朝向陰極方向或朝兩個方向均進行彎曲。在彎曲的同時還對柔性染料敏化太陽電池施加平行于陽極納晶多孔薄膜方向的拉應力，以進一步增大薄膜內的拉應力。所述的彎曲半徑為I 2，000mm，彎曲次數為I I，000，000次。所述彎曲后陽極納晶多孔薄膜內顆?？v向結合減弱或縱向開裂，能夠釋放陽極納晶多孔薄膜內的彎曲應力，提高柔性染料敏化太陽電池的抗彎曲性能。與現有技術相比，本發(fā)明具有以下有益的技術效果:根據太陽電池基本機理，電子在薄膜內的傳遞是空間任意的，在電子濃度作用下發(fā)生宏觀的縱向傳遞然后經由匯流導電部分流出外電路，增強該宏觀的縱向傳遞則可提高電池效率。本發(fā)明提出，通過彎曲應力調控膜內顆粒間結合，橫向結合在拉應力或壓應力下分別減弱或增強，但彎曲時的縱向附加應力為壓應力，因此縱向結合必然增強。在橫弱縱強的條件下，縱向有效電子傳遞性能必然增強；在橫強縱強的條件下，因縱向結合比橫向結合對縱向有效電子傳遞性能的貢獻度更大，縱向有效電子傳遞性能也可增強。由此，彎曲可實現減少電子復合提高電池效率的目標。此外，縱向結合減弱或縱向開裂，可釋放薄膜內的彎曲應力，實現提聞電池抗彎曲性能，從而提聞電池壽命。本發(fā)明提供一種提高柔性染料敏化太陽電池光電性能的方法，并不改變電池材料和基本制備工藝，僅在電池制備過程中對陽極納晶多孔薄膜或吸附了染料之后的光陽極進行彎曲，或者對組裝好的電池進行彎曲，通過控制彎曲工藝參數，使薄膜發(fā)生利于提高電子縱向有效傳遞性能的結構變化，從以較低的成本實現提高柔性電池效率的目的，取得意想不到的良好效果。此外，本發(fā)明提供一種提高柔性染料敏化太陽電池光電性能的方法，通過可控彎曲條件下對薄膜引入縱向裂紋，還可提高柔性電池在后續(xù)實際使用過程中的抗彎曲性能，對于保持電池性能、提高抗彎曲破壞能力以及延長電池壽命，也具有意想不到的良好效果。


圖1-1 1-2分別為外彎曲以及內彎曲模式下單次彎曲時彎曲態(tài)和回復態(tài)電池效率的變化圖；圖2-1 2-2分別為外彎曲模式下多次彎曲時彎曲態(tài)和回復態(tài)電池效率隨彎曲半徑以及彎曲次數的變化圖；圖3-1 3-2分別為內彎曲模式下多次彎曲時彎曲態(tài)和回復態(tài)電池效率隨彎曲半徑以及彎曲次數的變化圖4為內彎曲12mm處經一萬次彎曲之后光陽極TiO2薄膜表面形貌。圖5為彎曲時縱向附加壓應力及橫向拉應力的示意圖。
具體實施例方式通過彎曲提高柔性染料敏化太陽電池光電性能的方法，將組裝好的柔性電池或陽極或陽極納晶多孔薄膜進行一次或多次彎曲，陽極納晶多孔薄膜發(fā)生結構變化使膜內電子縱向傳遞能力相對加強，而橫向傳遞能力相對減弱、或加強、或交替減弱和加強，從而促進電子的縱向有效輸出、減少電子復合，顯著提高電池短路電流或填充因子，實現提高電池光電性能；同時，膜內顆?？v向結合減弱或縱向開裂可釋放薄膜內的彎曲應力，實現提高電池抗彎曲性能。下面結合具體的實施例對本發(fā)明做進一步的詳細說明，所述是對本發(fā)明的解釋而不是限定。參見圖5，一種提高柔性染料敏化太陽電池光電性能的方法，包括以下操作:將用于組裝柔性染料敏化太陽電池的陽極、陽極納晶多孔薄膜或組裝好的柔性染料敏化太陽電池進行彎曲，在陽極納晶多孔薄膜內產生橫向拉應力和縱向附加壓應力；陽極納晶多孔薄膜由于彎曲發(fā)生結構變化，使陽極納晶多孔薄膜內電子縱向傳遞能力相對加強，促進電子的縱向有效輸出、減少電子復合；顯著提高電池短路電流或填充因子，實現提高電池光電性能； 而且，膜內顆?？v向結合減弱或縱向開裂可釋放薄膜內的彎曲應力，實現提高電池抗彎曲性能。所述縱向為垂直于陽極納晶多孔薄膜表面方向，橫向為平行于陽極納晶多孔薄膜表面方向。進一步，所述的陽極已經吸附染料`或量子點；或者未吸附染料或量子點。所述的彎曲為外彎曲或內彎曲，當陽極納晶多孔薄膜受拉應力時為外彎曲，當陽極納晶多孔薄膜受壓應力時為內彎曲。所述的彎曲的控制為:根據陽極或柔性染料敏化太陽電池的內部材料、結構，控制彎曲時所產生的橫向力不引起陽極納晶多孔薄膜與基體導電膜之間開裂。根據陽極或柔性染料敏化太陽電池的內部材料、結構，控制彎曲時基體導電膜的結構變化不顯著降低其導電性。根據陽極或柔性染料敏化太陽電池的內部材料、結構，控制彎曲時不造成電解質的泄漏或暴露。所述彎曲的方向為朝向陽極方向或朝向陰極方向或朝兩個方向均進行彎曲，彎曲為一次或多次彎曲。在彎曲的同時還對柔性染料敏化太陽電池施加平行于陽極納晶多孔薄膜方向的拉應力，以進一步增大薄膜內的拉應力，實現增強電池性能強化效果。下面給出具體的實施例實施例1:將冷噴涂在IT0/PEN基底上制備的TiO2光陽極，浸泡在50°C、0.SmML^1的N719/乙醇溶液中12h，與濺射制備的Pt對電極組裝成柔性染料敏化太陽電池，采用單向彎曲方式進行單次彎曲，當光陽極TiO2薄膜受拉應力時稱為外彎曲，反之稱為內彎曲。結果如圖1-1、1_2所示，電池的效率在不同彎曲半徑下表現出不同程度的效率提高，且隨彎曲半徑的減小而越來越顯著。對于外彎曲(圖1-1)，當彎曲半徑減小到9_時效率升高約9%，而內彎曲模式下(圖1-2)，電池的效率的提升相對較小，當彎曲半徑減小到9mm時效率僅升高約3%。實施例2:采用多次外彎曲，結果如圖2-1、2_2所示，電池的效率在不同彎曲半徑和彎曲次數下表現出不同程度的效率提高，隨彎曲次數的增加，效率提高程度體現出先顯著后不顯著的特征，且彎曲態(tài)和回復態(tài)電池效率差別不大，彎曲半徑18mm彎曲10000次可提高效率達 18%。實施例3:采用多次內彎曲，結果如圖3-1、3_2所示，電池的效率在不同彎曲半徑和彎曲次數下表現出不同程度的效率提高，隨彎曲次數的增加，效率提高程度體現出先顯著后不顯著的特征，且彎曲態(tài)和回復態(tài)電池效率差別不大，彎曲半徑12mm彎曲10000次可提高效率達13%，彎曲半徑18mm彎曲10000次可提高效率高達19%。彎曲半徑為12mm處彎曲一萬次后TiO2膜表面出現了如圖4所示的縱向開裂的現象，可顯著提高電池抗彎曲能力和延長電池壽命。盡管實施例中范圍較小，讓比爾彎曲半徑和彎曲次數，顯著依賴于電池具體結構設計，因此彎曲半徑在I 2，OOOmm之間，彎曲次數在I I，000，000次之間，根據具體情況來進行選擇。
權利要求
1.一種提高柔性染料敏化太陽電池光電性能的方法，其特征在于，包括以下操作: 將用于組裝柔性染料敏化太陽電池的陽極、陽極納晶多孔薄膜或組裝好的柔性染料敏化太陽電池進行彎曲，在陽極納晶多孔薄膜內產生橫向拉應力和縱向附加壓應力；陽極納晶多孔薄膜由于彎曲發(fā)生結構變化，使陽極納晶多孔薄膜內電子縱向傳遞能力相對加強，促進電子的縱向有效輸出；所述縱向為垂直于陽極導電基底表面方向，橫向為平行于陽極導電基底表面方向。
2.如權利要求1所述的提高柔性染料敏化太陽電池光電性能的方法，其特征在于，所述的陽極已經吸附染料或量子點，或者未吸附染料或量子點。
3.如權利要求1所述的提高柔性染料敏化太陽電池光電性能的方法，其特征在于，所述的彎曲為外彎曲或內彎曲，當陽極納晶多孔薄膜受拉應力時稱為外彎曲，當陽極納晶多孔薄膜受壓應力時稱為內彎曲。
4.如權利要求1所述的提高柔性染料敏化太陽電池光電性能的方法，其特征在于，根據陽極或柔性染料敏化太陽電池的內部材料、結構，控制彎曲時所產生的橫向力不引起陽極納晶多孔薄膜與基體導電膜之間開裂。
5.如權利要求1所述的提高柔性染料敏化太陽電池光電性能的方法，其特征在于，根據陽極或柔性染料敏化太陽電池的內部材料、結構，控制彎曲時基體導電膜的結構變化不顯著降低其導電性。
6.如權利要求1所述的提高柔性染料敏化太陽電池光電性能的方法，其特征在于，根據陽極或柔性染料敏化太陽電池的內部材料、結構，控制彎曲時不造成電解質的泄漏或暴露。
7.如權利要求1所述的提高柔性染料敏化太陽電池光電性能的方法，其特征在于，所述彎曲的方向為朝向陽極方向或朝向陰極方向或朝兩個方向均進行彎曲。
8.如權利要求1所述的提高柔性染料敏化太陽電池光電性能的方法，其特征在于，在彎曲的同時還對柔性染料敏化太陽電池施加平行于陽極納晶多孔薄膜方向的拉應力，以進一步增大薄膜內的拉應力。
9.如權利要求1所述的提高柔性染料敏化太陽電池光電性能的方法，其特征在于，所述的彎曲半徑為I 2，OOOmm,彎曲次數為I 1，000, 000次。
10.如權利要求1所述的提高柔性染料敏化太陽電池光電性能的方法，其特征在于，所述彎曲后陽極納晶多孔薄膜內顆粒縱向結合減弱或縱向開裂，能夠釋放陽極納晶多孔薄膜內的彎曲應力，提高柔性染料敏化太陽電池的抗彎曲性能。
全文摘要
本發(fā)明提供一種提高柔性染料敏化太陽電池光電性能的方法，在不改變電池材料和基本制備工藝的基礎上，僅在電池制備過程中對陽極納晶多孔薄膜或吸附了染料之后的光陽極進行彎曲，或者對組裝好的電池進行彎曲，通過控制彎曲工藝參數，使薄膜發(fā)生利于提高電子縱向有效傳遞性能的結構變化，從以較低的成本實現提高柔性電池效率的目的，取得意想不到的良好效果。此外，通過可控彎曲條件下對薄膜引入縱向裂紋，還可提高柔性電池在后續(xù)實際使用過程中的抗彎曲性能，對于保持電池性能、提高抗彎曲破壞能力以及延長電池壽命，也具有意想不到的良好效果。
文檔編號H01G9/20GK103208370SQ201310046290
公開日2013年7月17日 申請日期2013年2月5日 優(yōu)先權日2013年2月5日
發(fā)明者楊冠軍, 李長久, 李成新 申請人:西安交通大學