004《新能源材料》02染料敏化太阳能电池002

SOLARTECHDSSC制备二氧化钛胶体溶胶凝胶法制备：控制Ti(OCH(CH3)2)4等钛盐在一定条件下水解得到溶胶，经过水热处理使晶体生长得到TiO2纳晶，进一步加入添加剂等以制备TiO2胶体。通过控制水解和水热过程的各种条件参数，可以调节和控制纳晶多孔薄膜的微结构。SOLARTECHDSSC溶胶凝胶法制备二氧化钛胶体（1）水解过程：pH=2的300ml醋酸水溶液保持在温度为0℃左右的冰浴中。在剧烈搅拌条件下，将36mL异丙氧醇钛与36mL异丙醇的混合溶液逐滴加入醋酸水溶液中，异丙氧醇钛水解得到澄清透明溶液。将上述溶液在室温下搅拌过夜。水解过程主要受酸度和温度的影响，不同的pH值和温度将影响初始生成的TiO2颗粒的大小。SOLARTECHDSSC溶胶凝胶法制备二氧化钛胶体（2）胶溶过程：将搅拌过夜后的溶液放入沙浴中，在恒温80℃的条件下剧烈搅拌使溶液中异丙醇挥发完全。此过程能够破坏水解过程中产生的TiO2聚集体，使TiO2颗粒分散均匀，形成淡蓝色透明溶液。SOLARTECHDSSC溶胶凝胶法制备二氧化钛胶体（3）水热过程：淡蓝色透明溶液放置到内嵌Teflon杯的钛制高压釜中，在温度为230℃的条件下水热12小时，可得到白色的TiO2沉淀。待溶液冷却后超声分散30分钟。在高温高压的水热条件下TiO2颗粒重新溶解后再结晶并逐渐生长。水热过程的温度直接影响TiO2颗粒的粒径分布及晶型，从而影响薄膜电极的性能。SOLARTECHDSSC溶胶凝胶法制备二氧化钛胶体（4）浓缩过程：水热过程后得到的5％TiO2胶体溶液，在温度为120℃的沙浴中不断搅拌蒸发，得到最终固含量约为12-17％的TiO2胶体溶液。在较低温度下搅拌蒸发使TiO2胶体溶液中的一部分水和醋酸蒸发掉，以增加胶体的固含量，调节所涂膜的厚度。固含量太低时，胶体的粘度小，涂膜时发生薄膜收缩现象，严重影响薄膜的均匀性；固含量太高时，涂膜时薄膜表面出现凹凸不平整现象，薄膜的均匀性也比较差。SOLARTECHDSSC溶胶凝胶法制备二氧化钛胶体溶胶凝胶制备得到的二氧化钛TEM图谱SOLARTECHDSSC粉末配制法制备二氧化钛胶体去离子水和P25粉末按质量比89:11混合。混合物超声分散15min，加入质量约为P25粉末9%的乙酰丙酮以防止TiO2颗粒重新结块，并加入质量约为P25粉末4.5%的表面活性剂TritonX-100。加入质量约为P25粉末30%的聚乙二醇（PEG，分子量为20，000），以增加TiO2膜的孔隙率。SOLARTECHDSSC粉末配制法制备二氧化钛胶体粉末配制法得到的二氧化钛TEM图谱SOLARTECHDSSC粉末配制法制备二氧化钛胶体TiO2可分为锐钛型(Anatase)、金红石型(Rutile)和板钛型(Brookite)三种。金红石稳定而致密，有较高的硬度、密度、介电常数及折射率;锐钛型为不稳定晶型，在可见光短波部分的反射率比金红石型二氧化钛要高，带蓝色色调，并且对紫外线的吸收能力比金红石型低。相同膜厚条件下，20×80nm棒状金红石晶型构成的薄膜电池的开路光电压没有变化，其短路光电流只有锐钛矿晶型薄膜电池的30%，金红石晶型薄膜一方面是染料吸附量低，另一方面电子传输速度慢，而且金红石晶型对染料的降解作用比锐钛矿晶型大，会影响电池的长期稳定性能，应避免金红石晶型出现。SOLARTECHDSSC二氧化钛电极制备将导电基底裁成小片，采用乙醇/丙酮混合溶剂超声15分钟以除去基片表面的灰尘及部分表面油脂，放入加有洗涤剂的去离子水中再超声清洗15分钟，除去残留的部分油脂和表面有机物。将实验片放入去离子水中，再次超声清洗15分钟，洗去含污物的洗涤剂和一些无机污染物。再用去离子水超声15分钟进行漂洗，漂洗结束后，将基片置于洁净工作台内，待晾干后放入异丙醇溶液中浸泡保存，需要时随时取用。SOLARTECHDSSC二氧化钛电极制备将基片清洗烘干，贴好真空胶带以留出引线电极。基片上滴加TiO2胶体，用刀片（玻棒）展开成膜，胶带控制膜厚。膜在红外灯下烘干，放入马弗炉中450℃保持30min。高温烧结除去有机杂质，形成良好的电接触。在导电玻璃基片上涂膜SOLARTECHDSSC溶胶-凝胶法制备TiO2胶体，20nm纳晶颗粒。浅蓝色透明。二氧化钛薄膜TiO2互联形成三维多孔网络结构01020304050010203040Diameterofparticles,nmNumberSOLARTECHDSSCNNNNHOOCCOOHCOOHCOOHRuSCNNCSN3NNNRuHOOCCOOHCOOHNCSNCSSCNBlackdye3.2染料染料要求：吸收尽可能多的太阳光,与纳晶能带匹配,激发态寿命长,紧密吸附在纳晶表面（－COOH,-SO3H,－PO3H2）,长期稳定性SOLARTECHDSSC3.2染料N3染料对红光及近红外区的吸光能力不足。Blackdye吸光能力好,但稳定性差。SOLARTECHDSSC太阳光谱图UVVisibleInfrared48%SOLARTECHDSSC太阳光辐照强度AM1.5太阳光谱氙灯光谱DSSC中N3染料的单色光响应谱SOLARTECHDSSCIPCE--N719dyeto16+4µmTiO2filmIPCE=83%AM1.5(1000W/mcm2)current=16.9mA/cm2SOLARTECHDSSC染料敏化的二氧化钛电极染料的吸附：将纳晶TiO2薄膜电极在100℃烘箱中加热1小时后取出，随即浸入5×10-4mol/L4，4´-二羧酸联吡啶钌染料（顺－二硫氰根-二（2，2´-联吡啶-4，4´－二羧酸）合钌（Ⅱ））的无水乙醇溶液中，吸附12小时。取出用无水乙醇冲洗后晾干。染料的脱附：把吸附了的染料的薄膜电极在一定体积（10ml）的0.05mol/L的氢氧化钠水溶液中浸泡120分钟，待染料完全脱附后，用紫外-可见分光光度计（UV-120-02）室温下测定染料脱附液在520nm的吸光度，通过测量脱附液的吸收光谱，计算薄膜电极的染料吸附量C(molcm-2)。SOLARTECHDSSC染料敏化前后的二氧化钛电极SOLARTECHDSSC表面粗糙度纳晶多孔薄膜电极具有很大的比表面积，可以通过测量表面粗糙度，即电极的实际面积与几何面积之比来反映。用已知单分子面积A0的染料分子（（顺-二硫氰根－二（2，2´-联吡啶4，4´-二羧基）合钌（Ⅱ））（已知A0约为1nm2），通过在半导体纳晶多孔薄膜电极上的吸附再脱附来推算电极的真实面积（S），和电极的几何面积（S0）相比即可确定表面粗糙度。SOLARTECHDSSC3.3电解质材料液态染料敏化太阳能电池效率高,但长期稳定性差。0.5mol/LKI/0.05mol/LI2/丙稀碳酸脂（PC）-乙烯碳酸脂（EC）混合溶液（体积比2：8）为电解质溶液。液态电解质的缺点：(1)溶剂易挥发;(2)密封工艺复杂;(3)易导致敏化染料的脱附;(4)与敏化染料作用导致染料降解;(5)存在其他氧化还原反应;……SOLARTECHDSSC3.4电解质固体化固态染料敏化太阳能电池长期稳定性好,但效率低：固态电解质粘度大,扩散系数小,多孔ＴｉＯ2电极仅有20ｎｍ左右孔径,固体电解质不容易填充并与ＴｉＯ2及染料取得良好导电接触,商业化目标：电解质固体化是提高电池长期稳定性和使用寿命的根本办法。准固态染料敏化太阳能电池：兼顾稳定性和效率。SOLARTECHDSSC3.5柔性化重要开发方向之一是柔性太阳能电池。柔性电池具有可弯曲,重量轻,随身携带方便等特点。扩大了使用范围。目前最昂贵的构成材料为透明导电玻璃(60%),柔性电池有利于降低成本。柔性电池基板不耐高温,所以制作电池的关键是如何不通过高温热处理过程而得到高质量的薄膜电极。SOLARTECHDSSC准固态电解质材料采用性能较高、稳定性较好的准固态电解质体系，制备准固态DSSC。电解质体系是I3-/I-电对，阳离子是Li+，以聚氧乙烯PEO（分子量为2，000，000）作为聚电解质载体，聚氧乙烯上含有氧乙烯单元，能够与Li+进行络合从而增大导电能力。配制聚合物电解质：将0.100g的LiI和0.019gI2按溶解在5mL乙腈和5mL碳酸丙稀酯的混合溶液中，然后加入0.038gP25粉体，经超声分散后加入0.265g的聚氧乙烯PEO调节粘度，最后加入44μL的四特丁基吡啶，超声分散均匀。SOLARTECHDSSC准固态电解质材料这种准固态电解质粘度较大，但又具有一定的流动性，有利于向TiO2薄膜中的渗透和填充。白色的颗粒物是加入准固态电解质中的P25粉体。SOLARTECHDSSC3.6对电极的制备染料敏化太阳能电池的对电极目前主要是在导电玻璃上采用负载铂,提高碘的还原反应速度。制备热分解镀铂对电极：将5mmoL的H2PtCl6异丙醇溶液滴加到导电玻璃的表面，待液体完全铺展成均匀的液膜后，在空气中晾干，放入380°C的马弗炉中烧结15min。上述过程重复数次可增加Pt层厚度。SOLARTECHDSSC3.6对电极的制备实验表明，一次镀Pt的对电极表面呈现不连续的暗黑色斑点或条纹，多次镀Pt的对电极表面光亮如镜，这种Pt镜效果的对电极，一方面对于聚合物电解质中的氧化还原反应起到关键性的催化作用，使得氧化还原对在对电极上得到电子的反应加快，另一方面，Pt镜可以对光进行反射，从而增加了光在TiO2膜中的吸收几率，减小了穿出电池的光损失。SOLARTECHDSSC对电极制备铂电极:氯铂酸溶液，滴加到基板上，380˚C保持15min。空白FTO基底Pt对电极(载铂量6mg/cm2)SOLARTECHDSSC3.7小面积电池器件样机SOLARTECHDSSC3.8大面积电池SOLARTECHDSSC3.8大面积电池主要采用丝网印刷技术,开展高速大量且节能的制造过程。SOLARTECHDSSC3.8大面积电池SOLARTECHDSSC3.8大面积电池SOLARTECHDSSC3.9电池效率--光电性能参数入射光子-电子转化效率（IPCE），在给定波长下所产生的光电子占入射光子数的百分数；短路电流ISC，电压为零时的电流值；开路电压VOC，电流为零时的电压值；填充因子FF，电池最大输出功率除以短路电流和开路电压的乘积；光电转化效率η，电池输出功率与入射光强度I之比值。(η=ISC•VOC•FF/I)SOLARTECHDSSCIV特性曲线FF是太阳能电池中一个重要的参数，电池的欧姆损耗和其它电压损耗越小，曲线形状越接近“矩形”，FF就越大。SOLARTECHDSSC3.10电池稳定性--光电性能参数SOLARTECHDSSC02004006008001000121620020040060080010000.60.81.0020040060080010000.40.60.81.0020040060080010004812JSC(mA/cm2)Time(h)VOC(V)ff(%)80oCthermalstress性能稳定