用于染料太阳能电池的光子晶体结构薄膜电极的制备方法技术

一种太阳能电池技术领域的用于染料太阳能电池的光子晶体结构薄膜电极的制备方法，将光子晶体正模板结构引入太阳能电池，与钌的联吡啶配合物染料结合封装成改进效率的光子晶体染料太阳能电池。用无皂乳液聚合和“垂直沉积法”制备出光子晶体正模板，并通过“三明治法”拓扑制得二氧化钛光子晶体反模板，改进了传统染料电池的电极结构，超越了实验室光刻加工的局限，提高其应用潜能。制备所得光子晶体结构薄膜电极以反蛋白石结构排列成的三维有序锐钛型二氧化钛孔作为染料太阳能电池电极，其薄膜材料的孔径在５０ｎｍ～５００ｎｍ，厚度在０．５～４０μｍ之间，扩大了与染料结合的比表面积，具有更高的短路电流和填充因子。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及的是一种太阳能电池
的制备方法，具体是一种用于染料太阳能电池的光子晶体结构薄膜电极的制备方法。
技术介绍
作为第三代太阳能技术的主角之一的薄膜太阳能电池不同于传统晶硅电池，具有 成本低，质量轻，原料充足，在弱光下也能工作等优点。除CIGS(CuInGaSe) 、 CdTe和非晶/ 微晶硅等几种已开始规模生产的薄膜电池外，由瑞士M. Gratzel教授的研究小组研发出的 染料敏化太阳能电池(Dye Sensitized Solar Cells, DSSC)以其丰富廉价的原料，简易的 制作独树一帜。它以多孔二氧化钛电极代替平板电极，并引入金属钌(Ru)的联吡啶配合物 染料作为受光子激发产生自由电子的给体，使电池转换效率达到11%。 染料太阳能电池(DSSC)主要由三部分构成，即二氧化钛阴极、对电极( 一般用铂 电极或石墨电极)和电解液构成。二氧化钛不仅是吸收太阳光的关键部件，而且还承担着 作为染料分子载体和接收并传导电子到电池阴极端的功能。因此二氧化钛电极的物理性质 和结构既关系着电池的光电转化率又影响光吸收率，这两个因素直接决定着电池的效率。 经过对现有技术的检索发现，Marian Florescu等人发表《Improving solar cell efficiencyusing photonic band-g即 materials》(用光子禁带材茅斗改善太阳會g 电池效率) 一文，《SolarEnergy Materials&Solar Cells》(光伏材料和太阳能电池通 报)91 (2007) 1599-1610。该文介绍光子晶体材料因为其高度规整的结构而具有禁带，对 光有角度和频率选择性，这些特性带来抑制电子自发性辐射、增强光的局域化效应、增加原 子_光子绑定状态等多种效应；因此，采用这种材料可以增强太阳能电池的效率和稳定性。 然而文中为制造具有高度周期性的光子晶体结构的电极材料，采用激光刻蚀技术结合干蚀 刻技术，只能在实验室单个制造样品，而且成本较高，不能大规模生产，使这种结构的广泛 应用受到限制。
技术实现思路
本专利技术针对现有技术存在的上述不足，提供一种用于染料太阳能电池的光子晶体结构薄膜电极的制备方法，突破染料太阳能电池有限吸光度的瓶颈，以改善目前染料太阳能电池的光吸收效率和光电转化率，提高电池稳定性。 本专利技术是通过以下技术方案实现的，本专利技术包括以下步骤 第一步、将去离子水密封入圆底烧瓶，在氮气氛围下将微球制备剂和与表面活性 剂混合均匀后注入圆底烧瓶中，再注入引发剂进行无皂乳液聚合反应，待反应结束后自然 冷却至室温，制成胶体微球。 所述的微球制备剂为经减压蒸馏除去阻聚剂的单体苯乙烯、二氧化硅粒子或是 a _甲基苯乙烯、丙烯酸甲酯、丙烯酸乙酯、丙烯酸丁酯、甲基丙烯酸甲酯、甲基丙烯酸乙酯、 甲基丙烯酸丁酯、甲基丙烯酸苄酯、甲基丙烯酸苯酯、甲基丙烯酸-1， 2- 二苯乙酯、甲基丙烯酸环己酯、甲基丙烯酸苯基环己酯、丙烯酸或甲基丙烯酸中的任意一种或其混合； 所述的表面活性剂为甲基丙稀酸； 所述的弓I发剂为过硫酸钾。 第二步、将胶体微球经水洗过滤后稀释为单分散胶体微球溶液，然后将单分散胶体微球溶液注入内置垂直FT0玻璃(掺杂氟的Sn02导电玻璃)片基板的容器中进行干燥生长处理，制成光子晶体正模板。 所述的干燥生长处理是指将容器静置于温度恒定为45±0. 5t:，湿度为90%±2%的干燥箱中生长一周。 第三步、将钛酸四正丁酯溶于无水乙醇中，高速搅拌下缓慢滴加二乙醇胺作为阻聚剂，制成前驱体胶液滴；然后在光子晶体正模板上覆盖一块洁净玻片，将前驱体胶液滴加于洁净玻片和FT0玻璃片基板的夹缝之间，制成薄膜粗坯。 第四步、将薄膜粗坯进行烧结处理，制成反模板二氧化钛薄膜，以用于染料太阳能电池电极； 所述的烧结处理是指先采用马费炉升温至250摄氏度并保温1小时以上灼烧除去洁净玻片和FT0玻璃片基板之间的高分子胶体微球；然后再升温至450摄氏度并保温保温1小时以上进行致密化处理。 所述的烧结处理中的升温速率为0. 2°C /分钟 5°C /分钟 第五步、将反模板二氧化钛薄膜浸入染料溶液中进行敏化处理，然后在光子晶体二氧化钛薄膜上依次覆盖一层双面胶和对电极并固定后用滴管将电解液渗入其中，制成用于染料太阳能电池的光子晶体结构薄膜电极。 所述的染料溶液是指将钌配合物N3染料(RuL2(NCS)2L = 2， 2' -bipyridine_4， 4' -dicarboxylicacid)溶解在无水乙醇中，在4(TC下搅拌12小时得到0. 5mmo1的染料溶液。 所述的敏化处理是指将光子晶体二氧化钛薄膜电极置于常温环境下避光静置一昼夜。 所述的电解液是指以丙烯碳酸酯(PC)作溶剂，KI和12为电解质，二者含量分别为0. 5mol/L和0. 05mol/L。 本专利技术制备所得用于染料太阳能电池的光子晶体结构薄膜电极，以反蛋白石结构排列成的三维有序锐钛型二氧化钛孔作为染料太阳能电池电极，其薄膜材料的孔径在50nm 500nm，厚度在0. 5 40 ii m之间。 本专利技术的主要步骤之一正模板的合成可以采用无皂乳液聚合法制备聚苯乙烯小球，其产物为单分散的粒径均一，形状呈球状，直径为200nm左右的聚苯乙烯单球。其直径的控制受多种因综合作用的影响温度升高粒径减小但微球单分散性下降；引发剂在一定浓度范围内，浓度增加会使粒径减小；(若采用乳液聚合，乳化剂增加会使粒径增大)；本专利技术中主要通过控制甲基丙烯酸的量来有效控制合成粒径的大小，用量在O. 1 lmol/L。另外，除了聚苯乙烯微球外，二氧化硅无机微球也是非常适合的正模板材料，区别在于在后面除去正模板的步骤中，不采用灼烧法而用1 10%氢氟酸溶液或高浓度NaOH溶解除去。 在用聚苯乙烯小球自组装光子晶体正模板的过程中，薄膜的规整度，厚度，裂纹情况与生长条件的控制有关，胶体溶液的浓度，温度和湿度都是非常重要的参数。溶剂的粘5稠度和蒸发速度可以依靠水和酒精的比例调节。本专利技术主要采用纯水无酒精溶剂，高湿度(70 90%)和低温度(40 50°C)条件下生长光子晶体，优点是成膜率较高，生长成的正模板微观结构具有高度的规整性；其缺点是乳液蒸发慢，所需时间较长，在1 2周左右。 本专利技术采用简易制备方法将光子晶体正模板结构引入太阳能电池，与钌的联吡啶配合物染料结合封装成改进效率的光子晶体染料太阳能电池。用无皂乳液聚合和"垂直沉积法"制备出光子晶体正模板，并通过"三明治法"拓扑制得二氧化钛光子晶体反模板，改进了传统染料电池的电极结构，超越了实验室光刻加工的局限，提高其应用潜能。本专利技术制备的光子晶体二氧化钛薄膜的空球结构与一般二氧化钛薄膜电极相比扩大了与染料结合的比表面积，具有与一般电极相比更高的短路电流和填充因子，便于提高电池效率。所采用的工艺能批量生产光子晶体薄膜，不仅简化工艺，更有利于大幅降低加工成本。由于二氧化钛光子晶体薄膜可在 0. 15(150W/M2)倍太阳光的弱光下正常工作，质量轻，并且薄膜透明无色，这些特性大大提高了染料太阳能电池在一些特殊环境中的应用潜力和装饰性能。附图说明 图1为实施例1扫描电镜图； 其中图la为聚苯乙烯微球的正模板；图lb本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于染料太阳能电池的光子晶体结构薄膜电极的制备方法，所述的光子晶体结构薄膜电极以反蛋白石结构排列成的三维有序锐钛型二氧化钛孔作为染料太阳能电池电极，其薄膜材料的孔径在５０ｎｍ～５００ｎｍ，厚度在０．５～４０μｍ之间，其特征在于，包括以下步骤：第一步、将去离子水密封入圆底烧瓶，在氮气氛围下将微球制备剂和与表面活性剂混合均匀后注入圆底烧瓶中，再注入引发剂进行无皂乳液聚合反应，待反应结束后自然冷却至室温，制成胶体微球；第二步、将胶体微球经水洗过滤后稀释为单分散胶体微球溶液，然后将单分散胶体微球溶液注入内置垂直ＦＴＯ玻璃，即掺杂氟的ＳｎＯ↓［２］导电玻璃片基板的容器中进行干燥生长处理，制成光子晶体正模板；第三步、将钛酸四正丁酯溶于无水乙醇中，高速搅拌下缓慢滴加二乙醇胺作为阻聚剂，制成前驱体胶液滴；然后在光子晶体正模板上覆盖一块洁净玻片，将前驱体胶液滴加于洁净玻片和ＦＴＯ玻璃片基板的夹缝之间，制成薄膜粗坯；第四步、将薄膜粗坯进行烧结处理，制成反模板二氧化钛薄膜，以用于染料太阳能电池电极；第五步、将反模板二氧化钛薄膜浸入染料溶液中进行敏化处理，然后在光子晶体二氧化钛薄膜上依次覆盖一层双面胶和对电极并固定后用滴管将电解液渗入其中，制成用于染料太阳能电池的光子晶体结构薄膜电极。...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：胡晓斌，邓文歆，张荻，赵斌元，
申请(专利权)人：上海交通大学，
类型：发明
国别省市：31[中国|上海]