柔性染料敏化太阳能电池光阳极的制备方法及设备技术

一种柔性染料敏化太阳能电池光阳极的制备方法及设备，可实现所获半导体薄膜无裂纹，均一性良好，厚度可控，解决目前该类电极制备技术耗时长、重现性差、半导体薄膜局部表面密度随机分布、易开裂的缺点。采用高压静电法喷雾涂布导电基底，获得柔性光阳极，光阳极表面均一性好，任意卷曲后，表面半导体薄膜无明显裂纹，实现了真正意义上的柔性可弯曲。制作过程在常温常压下进行，无烧结工艺，节约生产能耗，同时使一些耐热性不佳的纳米半导体材料在该领域的应用成为可能，为此类电池性能的提高提供了新的可能。

【技术实现步骤摘要】
一、
本专利技术属于一种制备染料敏化太阳能电池光阳极的技术，尤其涉及一种柔性染料敏化太阳能电池光阳极的制备方法及设备。二、
技术介绍
现有技术：作为解决能源危机和环境污染的焦点，太阳能是一种无污染并且取之不尽的能源，近年来越来越受到各国政府的重视。美国、日本、德国等国家都颁布了相应的法律法规，鼓励使用太阳能等可再生能源。随着太阳能电池转换效率的提高、成本的降低，不出20年，太阳能就可以同其它电力能源展开竞争。我国是世界上能源消费增长最快的国家，也是SO2，NOx，CO2排放大国，环境污染的压力愈来愈大。而我国的能源结构和能源资源布局不太理想，人均资源贫乏。我国政府积极鼓励太阳能的开发利用，新颁布的《可再生能源法》已于2006年1月1日实施。但目前研究现状与技术水平与发达国家有较大的差距，开发利用太阳能是我国科技工作者面临的紧迫研究课题之一。目前，瑞士、美国、澳大利亚、日本等许多国家都投入了大量的资源进行染料敏化太阳电池(Dye-sensitized Solar Cell，DSC)的研究开发。我国973项目“低价、长寿新型光伏电池的基础研究”中，把染料敏化纳米晶薄膜太阳电池列入重点研究，国内很多科研院所正积极地开展针对染料敏化太阳能电池的各个方面的研究工作。DSCs主要由表面吸附了染料敏化剂的纳米半导体光阳极、电解质、Pt对电极组成。传统的DSCs均以镀有FTO或ITO金属氧化物导电层的透明玻璃为电极基底。近年来，以柔性、轻质量的塑料或金属箔为电极基底制备柔性DSCs电池因其重量轻、可弯曲、成本低廉、应用广泛等突出优点引起了国内外学者和研究机构的高度重视。以柔性基底制得的DSCs质量轻，可弯曲，不但利于电池的连续制造工艺以及机械化、滚筒式生产，从而降低制造成本，而且大大拓展了这类电池的应用范围，如嵌入笔记本电脑箱壁，在光照条件下对电脑充电；装在电动汽车车身为电动机供电；覆盖在房屋的屋顶供应照明用电等；甚至可以广泛应用在雨伞、衣物等日常生活用品上，发展潜力很大。DSC实现柔性化，关键技术在于光阳极的制备。与玻璃基底相比，柔性基底光阳极的制备工艺截然不同。前者的传统制备方法是：将纳米TiO2固体粉末加-->入溶剂、一定的分散剂、稳定剂等，经研磨、超声处理，在高速剪切力的作用下将其分散为均匀的溶胶液，采用刮涂法或丝网印刷法在导电玻璃上制备无裂TiO2痕涂层，再进行高温烧结，从而获得光阳极。后者由于基底为不耐高温的透明导电高分子材料，不能采用传统工艺对其高温烧结。目前主要采用的ITO/PET(镀氧化铟锡的聚对苯二甲酸乙二醇酯)薄膜，其耐热温度低于150℃，温度过高，PET基底易破裂、变形。因此，柔性光阳极的低温制备技术成为关键。目前制备柔性DSCs的主要方法是机械压膜法。首先将TiO2纳米粉末均匀分散在溶剂中，随后涂在柔性基底上，自然晾干后对薄膜施加瞬时高压实现机械压制，促使TiO2纳米颗粒之间颈连接的形成，提高TiO2薄膜比表面积，降低平均孔径。虽然机械压膜法的效率相对较高，但制备的光阳极TiO2薄膜粒子仅限于物理结合，形成的颈连接不完整，结合强度较低，并且高压不能完全将薄膜表面压平坦，局部表面密度仍然随机分布。机械压制结束后TiO2薄膜会残留在压板上，造成薄膜的部分脱落，甚至在电极弯曲时，TiO2薄膜将出现龟裂。低温烧结法。这种方法在TiO2薄膜的制备过程中不使用任何有机物，只在低温条件下进行烧结处理，但耗时长、获得的电池效率低。水热法。这种方法以水作溶媒，通过加热密闭的水热釜，形成低温、高压的反应环境，对附着TiO2前驱体的ITO/PET进行12小时低温水热烧结。采用这种方法可获得机械性能稳定，无卷曲、开裂等缺陷的均一性光阳极。但是电极中会残留部分有机物，TiO2颗粒聚集不完全，此外这种方法制备周期较长、效率较低，不易实现工业化生产。旋涂法。这种方法是将ITO/PET柔性基底浸没在锐钛矿型的TiO2纳米颗粒的稀硝酸胶体溶液中，以800～3000r/min的速度旋涂制备TiO2薄膜，最后在100℃烧结24h。通过控制初始胶体溶液的浓度和旋涂速率控制膜厚。当TiO2浓度超过20％，所得薄膜厚度不均，中央厚度大于边缘。当旋涂速率低于700r/min，也将得到类似的厚度分布并且产生肉眼可见的裂缝。这种方法只能获得厚度不超过1μm的均匀、无裂缝TiO2薄膜。虽然柔性DSCs的研究有一定的进展，但其核心问题仍然集中在光阳极的低温制备技术方面。三、
技术实现思路
技术问题：本专利技术针对上述技术问题，提供一种成本低、制造工艺简单的制备柔性染料敏化太阳能电池光阳极的快速、便捷的方法及其设备，可实现所获半导体薄膜无裂纹，均一性良好，厚度可控，解决目前该类电极制备技术耗时长、重现性差、半导体薄膜局部表面密度随机分布、易开裂的缺点。技术方案：本专利技术采用高压静电法喷雾涂布导电基底，获得柔性光阳极。以半导体纳米晶与易挥发有机溶剂形成的乳浊液为浆料，采用柔性透光导电薄膜基底，通过精密注射泵数字化控制浆料进样速度，在出样口施加恒压高压静电，使-->乳浊液带电。利用同种电荷相互排斥原理、溶剂易挥发特性，获得分散均匀的带电半导体颗粒喷雾。在高压静电场作用下，带电颗粒做定向运动，到达导电薄膜基底并积聚成膜，获得光阳极。制造方法为：a.以柔性导电高分子薄膜为光阳极电极基底材料，基底厚度为0.1cm～1cm，可见光透过率大于50％，表面方块电阻为10Ω/□～300Ω/□；b.基底材料清洁后，将基底上不需要喷涂的区域用绝缘材料包封；c.配制半导体浆料：将半导体纳米晶粉末与易挥发有机溶剂混合均匀，其中纳米粉末与有机溶剂质量比为1∶100～20∶100；d.将纳米半导体浆料注入注射泵，调节注射泵出样口与基底导电面距离为1cm～50cm，设置注射泵喷涂速度为0.1ml/h～50ml/h，准备出样，同时打开高压电源在注射泵出样口对浆料施加静电压为1kV～50kV，控制喷涂时间为1min～300min，基底导电面接地；e.裸露的基底导电面接收带电半导体喷雾，并逐渐堆积形成具有微米级厚度的均匀薄膜，停止喷涂后揭去绝缘材料，得柔性光阳极；f.吸附染料，上述柔性光阳极在80℃～150℃加热5min～30min后直接浸入染料溶液中，室温浸泡20h～24h后取出，用无水乙醇冲洗，晾干，得染料敏化柔性光阳极。易挥发有机溶剂为乙醇、丙酮或异丙醇。半导体浆料的配制方法为在室温磁力搅拌0.5h～5h，超声分散10min～60min，用200～450目标准筛过滤。半导体浆料在高压静电作用下带上同种电荷，在精密注射泵推动下，浆料微量出样。由于同种电荷间相互排斥，乳浊液在离开出样口通道瞬间分散为喷雾，在出样口与导电基底间形成的静电场作用下向基底导电面做定向运动。运动过程中，有机溶剂迅速挥发，半导体颗粒到达导电面并积聚成膜，所带电荷传导给基底表面的导电膜，释放。一种柔性染料敏化太阳能电池光阳极的制备方法的设备，包括注射泵、高压电源、支撑架、柔性基底和水平载物台，注射泵设于支撑架上，注射泵设有铅垂方向的出样口，出样口可伸缩调节，高压电源与出样口电导连接，水平载物台设于出样口正下方，柔性基底设于水平载物台上，柔性基底接地。有益效果：1、采用高压静电法喷雾涂布导电基底本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种柔性染料敏化太阳能电池光阳极的制备方法，其特征在于制备步骤为：ａ．以柔性导电高分子薄膜为光阳极电极基底材料，基底厚度为０．１ｃｍ～１ｃｍ，可见光透过率大于５０％，表面方块电阻为１０Ω／□～３００Ω／□；ｂ．基底材料清洁后 ，将基底上不需要喷涂的区域用绝缘材料包封；ｃ．配制半导体浆料：将半导体纳米晶粉末与易挥发有机溶剂混合均匀，其中纳米粉末与有机溶剂质量比为１∶１００～２０∶１００；ｄ．将纳米半导体浆料注入注射泵，调节注射泵出样口与基底导电面距 离为１ｃｍ～５０ｃｍ，设置注射泵喷涂速度为０．１ｍｌ／ｈ～５０ｍｌ／ｈ，准备出样，同时打开高压电源在注射泵出样口对浆料施加静电压为１ｋＶ～５０ｋＶ，控制喷涂时间为１ｍｉｎ～３００ｍｉｎ，基底导电面接地；ｅ．裸露的基底导电面接收带电半 导体喷雾，并逐渐堆积形成具有微米级厚度的均匀薄膜，停止喷涂后揭去绝缘材料，得柔性光阳极；ｆ．吸附染料，上述柔性光阳极在８０℃～１５０℃加热５ｍｉｎ～３０ｍｉｎ后直接浸入染料溶液中，室温浸泡２０ｈ～２４ｈ后取出，用无水乙醇冲洗，晾干， 得染料敏化柔性光阳极。...

【技术特征摘要】
1.一种柔性染料敏化太阳能电池光阳极的制备方法，其特征在于制备步骤为：a.以柔性导电高分子薄膜为光阳极电极基底材料，基底厚度为0.1cm～1cm，可见光透过率大于50％，表面方块电阻为10Ω/□～300Ω/□；b.基底材料清洁后，将基底上不需要喷涂的区域用绝缘材料包封；c.配制半导体浆料：将半导体纳米晶粉末与易挥发有机溶剂混合均匀，其中纳米粉末与有机溶剂质量比为1∶100～20∶100；d.将纳米半导体浆料注入注射泵，调节注射泵出样口与基底导电面距离为1cm～50cm，设置注射泵喷涂速度为0.1ml/h～50ml/h，准备出样，同时打开高压电源在注射泵出样口对浆料施加静电压为1kV～50kV，控制喷涂时间为1min～300min，基底导电面接地；e.裸露的基底导电面接收带电半导体喷雾，并逐渐堆积形成具有微米级厚度的均匀薄膜，停止喷涂后揭去绝缘材料，得柔性光阳极；f.吸附染料，上述柔性光阳极在80℃～150℃加热5min～30min后直接浸入染料溶液中，室温浸泡20h～...

【专利技术属性】
技术研发人员：代云茜，孙岳明，王育乔，宋铂，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：84[中国|南京]