本發(fā)明屬于節(jié)能電池技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種天然染料敏化太陽能電池裝置及其制作方法。

背景技術(shù)：

太陽能是一次能源和可再生能源，不僅資源豐富，而且清潔無污染。太陽能電池能夠利用太陽光直接發(fā)電，目前研究和應用最廣泛的太陽能電池主要是硅太陽能電池，但這類電池原料成本高、生產(chǎn)工藝復雜。染料敏化太陽能電池(DSSC)的制作工藝簡單、光電轉(zhuǎn)化效率較高、光照條件要求低、成本約為硅電池的1/5-1/10，因此具有更高的應用前景。

染料敏化太陽能電池的工作原理類似于樹葉的光合作用。當太陽光照射到染料敏化太陽能電池上時，染料分子被光激發(fā)，基態(tài)電子躍遷到激發(fā)態(tài)，不穩(wěn)定的激發(fā)態(tài)染料分子快速地將電子注入到TiO₂導帶中并通過外電路傳遞。與此同時，染料分子與電解液中的I^-離子發(fā)生還原反應回到基態(tài)，同時I^-氧化成I₃^-。最后I₃^-在對電極上得到電子而被還原成I^-，從而完成整個電路的循環(huán)及染料和氧化還原對的再生。

目前已經(jīng)研究出上千種染料，以有機染料為主，其中釕的聯(lián)吡啶配位化合物光電性能最好，但是合成困難，成本高。

絕大多數(shù)染料敏化太陽能電池采用沙林膜以及環(huán)氧樹脂作為封裝膜密封電池，成本較高；

光陽極與對電極直接組裝時易發(fā)生短路問題，導致電池失效，造成成本高。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種天然染料敏化太陽能電池裝置及其制作方法，旨在解決背景技術(shù)提及的問題。

本發(fā)明是這樣實現(xiàn)的，一種天然染料敏化太陽能電池裝置的制作方法，該天然染料敏化太陽能裝置的制作方法包括：

染料制備：將紫甘藍在研缽中充分研磨后轉(zhuǎn)移到燒杯中，加入25％乙醇溶液至浸沒，用保鮮膜封口，放入55℃水浴鍋中加熱2小時后取出過濾，將濾液避光保存24小時，備用；

漿料制備：采用研磨法，取10g P25TiO₂納米粉放入研缽，加入1g的乙基纖維素作為造孔劑或粘結(jié)劑，邊研磨邊滴加5g-10g松油醇作為表面乳化劑，用5ml無水乙醇稀釋，研磨0.5小時，得到粘稠均勻的漿料，備用；

光陽極制備：導電玻璃經(jīng)超聲清洗并干燥后，用涂布刮刀將500微米-2000微米厚度的漿料涂在導電玻璃的導電面上，自然晾干后在馬弗爐中450℃逐段升溫燒結(jié)，制得光陽極，備用，導電玻璃選擇ITO導電玻璃或FTO導電玻璃；

配制電解液：稱取0.127g I₂與0.83gKI固體，加入10ml乙腈作為溶劑，配制含I^-/I₃^-電對的電解液，備用；

采用鍍有石墨的導電玻璃制備對電極，備用；

電池組裝：將制備的光陽極在制備的染料中浸泡24h后取出，染好色的光陽極取出后用無水乙醇沖洗并吹干；再鋪上無紡布作為隔膜，滴加制備的電解液至無紡布完全浸潤，在有效TiO₂薄膜周圍涂上紫外固化樹脂，制備的對電極從一側(cè)蓋上，對電極與光陽極保持錯位，留出正負極端口；置于紫外光或太陽光下使紫外固化樹脂固化，進行染料敏化太陽能電池的封裝。

所述的有效TiO₂薄膜不完全覆蓋導電玻璃，四周空余一部分，導電玻璃用于封裝后導電。

一種天然染料敏化太陽能電池裝置，該天然染料敏化太陽能電池裝置包括底座、支撐架、儲能模塊、外殼、染料敏化太陽能電池組、FTO導電玻璃、發(fā)光LED燈、電池支撐架、連接端口、步進電機、蜂鳴器；

所述支撐架固定在外殼下端，底座通過螺栓固定在外殼內(nèi)下部，儲能模塊固定在底座上部，發(fā)光LED燈、步進電機、蜂鳴器均安裝在外殼外部，染料敏化太陽能電池組通過電池支撐架固定在FTO導電玻璃上，F(xiàn)TO導電玻璃安裝在外殼內(nèi)部，所述染料敏化太陽能電池組通過導線電連接儲能模塊，所述發(fā)光LED燈、連接端口、步進電機、蜂鳴器均通過導線電連接儲能模塊。

進一步，所述染料敏化太陽能電池組包括多塊單個染料敏化太陽能電池，所述單個染料敏化太陽能電池包括TiO₂光陽極、電解液層、隔膜、對電極；所述TiO₂光陽極、對電極分別位于隔膜上、下端面，所述對電極與TiO₂光陽極相互錯位，電解液層附著在隔膜上。所述TiO₂光陽極包括導電玻璃和二氧化鈦薄膜，二氧化鈦薄膜附著在導電玻璃上。

進一步，每個單個染料敏化太陽能電池外部均封裝有紫外光固樹脂。

進一步，每個單個染料敏化太陽能電池與另一個單個染料敏化太陽能電池串并聯(lián)連接。

進一步，所述儲能模塊采用超級電容，超級電容輸入端與每個單個染料敏化太陽能電池電連接，所述超級電容設置有雙開關(guān)，升壓轉(zhuǎn)換BQ25504芯片，所述雙開關(guān)通過導線電連接升壓轉(zhuǎn)換BQ25504芯片。

進一步，所述底座和外殼均使用透明塑料板材料，所述對電極采用鍍有石墨的導電玻璃。

本發(fā)明主要針對目前染料敏化太陽電池的染料分子、制作工藝、以及結(jié)構(gòu)設計等幾個方面，選取價格低廉、容易獲得的天然染料分子為敏化劑，發(fā)展一種紫外固化樹脂封裝工藝，利用無紡布做隔膜，大大降低了染料敏化太陽能電池的成本，并提高了其產(chǎn)電效率，進而拓展了染料敏化的應用性。

目前已經(jīng)研究出上千種染料，以有機染料為主，其中釕的聯(lián)吡啶配位化合物光電性能最好，但是合成困難，成本高。本發(fā)明天然染料與其相比具有分布廣泛、種類繁多、制備工藝簡單、可隨時取、能完全生物降解、無污染、不含重金屬和無化學合成等優(yōu)點。例如，花青素可從山竹皮等生物垃圾以及廉價的紫甘藍等植物中提取?；ㄇ嗨厥且环N多酚化合物，分子上的羥基能夠與二氧化鈦薄膜表面的鈦相絡合，提高了染料的吸附率，有利于提高染料敏化太陽能電池的光電轉(zhuǎn)化率；

絕大多數(shù)染料敏化太陽能電池采用沙林膜以及環(huán)氧樹脂作為封裝膜密封電池，成本較高；本發(fā)明采用紫外固化樹脂進行封裝，在電池組裝完成之后置于光下即可完成封裝，操作簡便，并有效降低電池生產(chǎn)成本；

光陽極與對電極直接組裝時易發(fā)生短路問題，導致電池失效。本發(fā)明在其中加入無紡布作為隔膜，可防止正負極直接接觸發(fā)生短路，同時起到吸駐電解液的作用，成本低廉。

本發(fā)明以紫甘藍為染料制備的DSSC，光強度為68.7mW/cm²時開路電壓在0.4V上下，開路電流為0.180mA·cm^-2，最大功率約為51μW·cm^-2。

附圖說明

圖1是本發(fā)明實施例提供的天然染料敏化太陽能電池的制作方法流程圖；

圖2是本發(fā)明實施例提供的染料敏化太陽能電池裝置示意圖；

圖3是本發(fā)明實施例提供的染料敏化太陽能電池裝置側(cè)視圖；

圖中1、底座；2、支撐架；3、儲能模塊；4、外殼；5、染料敏化太陽能電池組；6、FTO導電玻璃；7、發(fā)光LED燈；8、電池支撐架；9、連接端口；10、步進電機；11、蜂鳴器。

圖4是本發(fā)明實施例提供的升壓轉(zhuǎn)換BQ25504芯片電路原理圖。

具體實施方式

為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點更加清楚明白，以下結(jié)合實施例，對本發(fā)明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。

下面結(jié)合附圖及具體實施例對本發(fā)明的應用原理作進一步描述。

如圖1所示：一種天然染料敏化太陽能電池的制作方法，

S101：染料制備：將紫甘藍在研缽中充分研磨后轉(zhuǎn)移到燒杯中，加入25％乙醇溶液至浸沒，用保鮮膜封口，放入55℃水浴鍋中加熱2小時后取出過濾，將濾液避光保存24小時。其余植物采用類似方法，調(diào)整乙醇比例，以獲得最佳浸出率。

S102：采用研磨法，取10g P25TiO₂納米粉放入研缽，加入1g的乙基纖維素作為造孔劑或粘結(jié)劑，邊研磨邊滴加5g-10g松油醇作為表面乳化劑，用5ml無水乙醇稀釋，研磨0.5小時，得到粘稠均勻的漿料，備用。

S103:光陽極制備：電玻璃經(jīng)超聲清洗并干燥后，用涂布刮刀將500微米-2000微米厚度的漿料涂在導電玻璃的導電面上，自然晾干后在馬弗爐中450℃逐段升溫燒結(jié)，制得光陽極，備用，導電玻璃選擇ITO導電玻璃或FTO導電玻璃。

S104:配制電解液：稱取0.127g I₂與0.83gKI固體，加入10ml乙腈作為溶劑，配制含I^-/I₃^-電對的電解液，備用。

S105：對電極采用鍍有石墨的導電玻璃。

S106：電池組裝：將光陽極在染料中浸泡24h后取出，染好色的電極取出后用無水乙醇沖洗并吹干。以無紡布作為隔膜，防止電極直接接觸導致短路；滴加電解液至無紡布恰好完全浸潤。在有效TiO₂薄膜周圍涂上紫外固化樹脂，制備的對電極從一側(cè)蓋上，防止氣泡產(chǎn)生，兩電極應保持錯位，留出正負極端口。確認電池組裝無誤后，置于紫外光或太陽光下使使紫外固化樹脂固化，達到封裝目的，延緩電解液的揮發(fā)。

所述的有效TiO₂薄膜不完全覆蓋導電玻璃，四周空余一部分，導電玻璃用于封裝后導電。

如圖2和圖3所示：一種天然染料敏化太陽能電池裝置，該天然染料敏化太陽能電池裝置包括底座1、支撐架2、儲能模塊3、外殼4、染料敏化太陽能電池組5、FTO導電玻璃6、發(fā)光LED燈7、電池支撐架8、連接端口9、步進電機10、蜂鳴器11；

所述支撐架固定在外殼下端，底座通過螺栓固定在外殼內(nèi)下部，儲能模塊固定在底座上部，發(fā)光LED燈、步進電機、蜂鳴器均安裝在外殼外部，染料敏化太陽能電池組通過電池支撐架固定在FTO導電玻璃上，F(xiàn)TO導電玻璃安裝在外殼內(nèi)部，所述染料敏化太陽能電池組通過導線電連接儲能模塊，所述發(fā)光LED燈、連接端口、步進電機、蜂鳴器均通過導線電連接儲能模塊。

所述染料敏化太陽能電池組5包括多塊單個染料敏化太陽能電池，所述單個染料敏化太陽能電池包括TiO₂光陽極、電解液層、隔膜、對電極；所述TiO₂光陽極、對電極分別位于隔膜上、下端面，所述對電極與TiO₂光陽極相互錯位，電解液層附著在隔膜上。所述TiO₂光陽極包括導電玻璃和二氧化鈦薄膜，二氧化鈦薄膜附著在導電玻璃上。

下面結(jié)合電池檢測對本發(fā)明進一步說明。

電池檢測：

1.使用紫外分光光度計測試染料的吸收峰，確定吸收光波段

2.用太陽模擬器(氙燈，AM 1.5，100mW/cm²)和電化學工作站測試開路電壓、線性伏安特性曲線以及光響應曲線；

下面結(jié)合應用于教學裝置制作對本發(fā)明進一步說明。

該染料敏化太陽能電池演示裝置，由6塊電池串并聯(lián)組成，在光照射下可帶動發(fā)光二極管。當超級電容充滿電時可持續(xù)發(fā)光一小時.

底座1和外殼4均使用透明塑料板作為外殼，

染料敏化太陽能電池5采用6塊電池串并聯(lián)組成，電池采用紫外光固樹脂進行封裝。

儲能模塊3采用超級電容。裝置設置雙開關(guān)，當有光照時，斷開超級電容所在支路，太陽能電池輸出的電流經(jīng)BQ25504芯片升壓轉(zhuǎn)換后帶動二極管發(fā)光，也可斷開二極管對超級電容充電，儲存能量；當無光照時，即可用超級電容進行供電。當超級電容充滿電時可持續(xù)發(fā)光一小時。

電路原理圖如圖4升壓轉(zhuǎn)換BQ25504芯片電路原理所示。

FTO導電玻璃6采用的FTO導電玻璃尺寸為25mmx20mm，表面電阻為15歐姆。利用可拆卸螺釘固定染料電池。

發(fā)光LED燈7、步進電機10、蜂鳴器11均通過不同的端口連線驗證染料敏化太陽能電池是否能使該器件工作。

該演示裝置均采用透明玻璃板或塑料板組裝，方便學生直觀學習，采用可拆卸螺絲，拼裝簡易。

本發(fā)明通過改進染料敏化太陽能電池的制作工藝，從紫甘藍等植物中提取花青素，大大降低了制作成本。單塊電池開路電壓最高可達0.5V，輸出電壓十分穩(wěn)定，光響應性良好，在燈光下也可產(chǎn)電。該電池簡單的制作工藝非常適合于學生進行課堂實驗，由此構(gòu)建的一套染料敏化太陽能電池教學模型，可使學生對染料敏化太陽能電池的工作理解的更深刻。

下面結(jié)合對比分析對本發(fā)明機一部說明。

1)本發(fā)明主要針對目前染料敏化太陽電池的染料分子、制作工藝、以及結(jié)構(gòu)設計等幾個方面，選取價格低廉、容易獲得的天然染料分子為敏化劑，發(fā)展一種紫外固化樹脂封裝工藝，利用無紡布做隔膜，大大降低了染料敏化太陽能電池的成本，并提高了其產(chǎn)電效率，進而拓展了染料敏化的應用性。

目前已經(jīng)研究出上千種染料，以有機染料為主，其中釕的聯(lián)吡啶配位化合物光電性能最好，但是合成困難，成本高。本發(fā)明天然染料與其相比具有分布廣泛、種類繁多、制備工藝簡單、可隨時取、能完全生物降解、無污染、不含重金屬和無化學合成等優(yōu)點。例如，花青素可從山竹皮等生物垃圾以及廉價的紫甘藍等植物中提取?；ㄇ嗨厥且环N多酚化合物，分子上的羥基能夠與二氧化鈦薄膜表面的鈦相絡合，提高了染料的吸附率，有利于提高染料敏化太陽能電池的光電轉(zhuǎn)化率。

2)絕大多數(shù)染料敏化太陽能電池采用沙林膜以及環(huán)氧樹脂作為封裝膜密封電池，成本較高；本發(fā)明采用紫外固化樹脂進行封裝，在電池組裝完成之后置于光下即可完成封裝，操作簡便，并有效降低電池生產(chǎn)成本。

3)光陽極與對電極直接組裝時易發(fā)生短路問題，導致電池失效。本發(fā)明在其中加入無紡布作為隔膜，可防止正負極直接接觸發(fā)生短路，同時起到吸駐電解液的作用，成本低廉。

以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進等，均應包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。