本发明专利技术公开了一种改善染料敏化太阳能电池基板界面粘结性的方法，包括以下步骤：1)FTO导电玻璃清洗处理；2)FTO导电玻璃退火处理；3)ZnO前躯体聚合物凝胶制备；4)ZnO纳米纤维薄膜应力缓冲层的构建；5)ZnO纳米纤维薄膜应力缓冲层热压处理和烧结；6)ZnO纳米纤维薄膜光电极的制备；7)纳米纤维薄膜染料敏化太阳能电池的构建。本发明专利技术构建的应力缓冲层能够有效地释放纳米纤维薄膜工作电极与导电基板之间产生的热应力，阻止烧结后ZnO纳米纤维薄膜工作电极的开裂、断裂以及工作电极从基板上的剥落，有效地改善ZnO纳米纤维薄膜工作电极与导电基板粘结性，进而改善工作电极的稳定性，提高DSSC的光电能量转换效率及使用寿命，具有重要的应用推广价值。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于太阳能电池利用
，具体涉及一种改善染料敏化ZnO纳米纤维薄膜太阳能电池光电极与导电基板界面粘结性的有效方法。
技术介绍
太阳能电池作为太阳能利用的一种方式，自90年代以来，得到了快速的发展。进入20世纪，随着光伏技术的快速发展，太阳能利用技术正在从根本上改变能源的生产、供应和消费方式。但是，传统硅太阳能电池受到转换效率的限制和原材料缺货的影响，发展受到限制，而薄膜和聚光型太阳能电池虽已进入商业化量产，但只有少数厂商能够生产。此外，因转换效率偏低和生产线设备投资金额的增长，目前仍无法在成本上产生大幅度的下降。有鉴于此，世界各国的研究机构均将目标放在第三代太阳能电池上。作为第三代太阳能电池，特别是1991年0’ Regan和M. GrStzel专利技术的染料敏化纳米晶太阳能电池(dye sensitized solar cell，DSSC)，除了构造简单外，在成本上也拥有相当让人看好的优势。根据瑞士厂商的估计，在年产10MW、转换效率为7%、面积为50cm2 的前题下，DSSC的模块成本为1. 5-1. 8$/W，而目前传统硅晶太阳能电池，模块成本为3-5$/ W。相比之下，两者模块成本有2-3倍的差距。此外，与传统的第一、第二代太阳能技术相比较，DSSC在轻质、多色彩、柔韧性、透明性等方面为设计者提供了很大的灵活性，能够被集成在不同的产品上，更适合于户外使用。这进一步为DSSC开创了新的商业机会。在看好DSSC 在质量、转换效率和封装技术改善的条件下，DSSC的市场占有率将会进一步提高，将会成为未来太阳能发电中不可或缺的一环。目前的DSSC主要以液态电解质为大宗，主要由光电极(阳极)、对电极(钼化)、 染料及电解液构成。DSSC的光电能量转换效率取决于染料分子的光捕获效率、半导体氧化物导带的电子注入效率、电子在半导体薄膜中的传输效率及FTO基板的电子捕获效率。理想的太阳能电池在光子能量范围内应该有一个很高的效率。但是，电子在传输过程由于涉及不同的界面，使得这一过程变得复杂。注入到半导体氧化物导带中的电子通过弥散在半导体中传输，传输中的电子可以与氧化态的染料分子以及电解液中的I3-离子进行复合而消耗，导致电子传输效率的降低。此外，纳米半导体氧化物与FTO导电基材粘结性较差，导致电解液中的碘离子通过渗透与弥散，传递到导电基材中，进而与电子进行复合，从而降低了电子捕获效率。因此，为了获得较高的光电能量转化效率，必须采取合适的技术手段来改善纳米氧化物工作电极和FTO导电基板之间可怜的粘结性，进而抑制或阻碍DSSC器件界面电子的复合。DSSC的光电极由沉积在导电玻璃FTO基底上的半导体氧化物(如Zn0、Ti02、Sn02) 纳米晶薄膜吸附染料后构成。为了获得理想的光电极结构，半导体氧化物纳米结构薄膜必须具备(1)高的比表面积，以增加染料分子的吸附量，提高光捕获能力；(2)组成纳米薄膜的粒子之间良好的连接性，以保证电子良好的传输性能；(3)纳米薄膜光电极与导电基板良好的粘结性，以保证导电基板优良的电子收集效率，减少界面电子的复合；(4)薄膜内部具有合适的空隙与通道，以保证染料和电解液在其内部的有效扩散。在半导体纳米晶薄膜光电极的构建过程中，烧结是不可缺少的一个工艺过程。由于半导体纳米薄膜和导电基板的热膨胀系数不同，烧结过程产生的拉伸应变经常引起导电基板上纳米晶薄膜的收缩，导致纳米晶薄膜开裂和断裂，或从导电基板上脱落。这些缺陷导致组成纳米薄膜的粒子之间连接性、纳米薄膜光电极与导电基板的界面粘结性都比较差，使导电基板容易与电解液直接接触，增加了电子复合的机会，降低了电子的传输性能和收集效率。此外，这些缺陷也导致单位面积上半导体纳米晶薄膜分布质量的下降，减少了染料分子的吸附量。因此，在保证纳米晶光电极具有足够气孔率的条件下，如何减少或抑制纳米晶薄膜光电极表面的开裂与断裂、改善纳米薄膜光电极与导电基板良好的粘结性，是提高DSSC光电能量转换效率的重要途径。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服现有技术的不足，提供一种改善染料敏化ZnO纳米纤维薄膜太阳能电池光电极与导电基板界面粘结性的有效方法。该方法能有效地防止烧结后ZnO 纳米纤维薄膜工作电极的开裂、断裂以及工作电极从导电基板上剥落，有助于抑制界面电子的复合，增加电子在纳米晶薄膜中的传输效率及电子在导电基板上的收集效率。为了达到上述目的，本专利技术采用电纺丝技术制备应力缓冲层的方法来改善染料敏化ZnO纳米纤维薄膜太阳能电池光电极与基板界面粘结性，即在染料敏化纳米纤维薄膜太阳能电池导电玻璃导电面构建应力缓冲层，该应力缓冲层能有效解除光电极和FTO基板界面之间产生的热应力，阻止烧结后ZnO纳米纤维薄膜光电极的开裂和断裂及从导电基板上的脱落，使纳米纤维光电极保持良好的形貌。该种改善染料敏化太阳能电池基板界面粘结性的方法，包括以下步骤1) FTO导电玻璃的清洗处理将FTO导电玻璃依次用异丙酮、酒精和去离子水反复清洗3次，每次清洗时间为 lOmin，然后用过滤净化后的热空气在干燥室内干燥；2) FTO导电玻璃的退火处理将FTO导电玻璃置于管式加热炉中进行退火热处理，以1_2°C /min速率升温至 4000C _450°C，保温时间为30-60minS，随炉自然冷却至室温；3) ZnO前躯体聚合物凝胶的制备将锌的水合盐、聚合物、溶剂及催化剂按一定比例投入烧杯中，加热至60°C ；在转速为240-400r/min下，磁力搅拌6hrs，获得均勻、透明的ZnO前躯体聚合物凝胶；4) ZnO前躯体聚合物纳米纤维薄膜应力缓冲层的构建将制备的ZnO前躯体聚合物凝胶注入注射器，通过注射泵以40-60 μ Ι/min的流量送入不锈钢喷丝头针孔内，不锈钢喷丝头与高压电源连接，外部荷载电压为10-15kV，不锈钢喷丝头针孔与接地电极收集基板间距保持在10-15cm。启动电纺丝装置，在电场作用下， ZnO前躯体聚合物纳米纤维被收集在垂直注射泵喷丝头针孔下端的FTO导电玻璃上，形成厚度为100-200nm的ZnO前躯体纳米纤维薄膜；5) ZnO前躯体聚合物纳米纤维薄膜应力缓冲层热压处理和烧结①ZnO前躯体聚合物纳米纤维薄膜热压处理将平板炉上加热至120°C _150°C的金属碟片置于SiO前躯体聚合物纳米纤维薄膜上热压10-15mins，且在金属碟片和SiO前躯体聚合物纳米纤维薄膜中间插入l_2mm厚的聚四氟乙烯薄片；②ZnO前躯体聚合物纳米纤维薄膜烧结热压处理后的ZnO前躯体聚合物纳米纤维薄膜在80°C真空干燥Mhrs，然后置于烧结炉，升温至400°C _450°C，保温时间为 30-60mins,随炉自然冷却至室温，获得ZnO前躯体聚合物纳米纤维薄膜应力缓冲层；6) ZnO前躯体聚合物纳米纤维薄膜光电极的制备 在涂覆ZnO前躯体聚合物纳米纤维薄膜应力缓冲层的FTO导电玻璃上采用湿化学法构建半导体氧化物ZnO薄膜工作电极，然后置于烧结炉，升温至400°C-450°C烧结，保温时间为30-60mins，随炉自然冷却至室温，获得染料敏化太阳能电池DSSC器件的SiO纳米纤维薄膜光电极；7)纳米纤维薄膜染料敏化太阳能电池的构建按照M. Gratzel专利技术染料敏化纳米晶太阳能电池所采用的构建方本文档来自技高网...
【技术保护点】
１．一种改善染料敏化太阳能电池基板界面粘结性的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：１）ＦＴＯ导电玻璃的清洗处理将ＦＴＯ导电玻璃依次用异丙酮、酒精和去离子水反复清洗３次，每次清洗时间为１０ｍｉｎｓ，然后用过滤净化后的热空气在干燥室内干燥；２）ＦＴＯ导电玻璃的退火处理将ＦＴＯ导电玻璃置于管式加热炉中进行退火热处理，以１－２℃／ｍｉｎ速率升温至４００℃－４５０℃，保温时间为３０－６０ｍｉｎｓ，随炉自然冷却至室温；３）ＺｎＯ前躯体聚合物凝胶的制备将锌的水合盐、聚合物、溶剂及催化剂按一定比例投入烧杯中，加热至６０℃；在转速为２４０－４００ｒ／ｍｉｎ下，磁力搅拌６ｈｒｓ，获得均匀、透明的ＺｎＯ前躯体聚合物凝胶；４）ＺｎＯ前躯体聚合物纳米纤维薄膜应力缓冲层的构建将制备的ＺｎＯ前躯体聚合物凝胶注入注射器，通过注射泵以４０－６０μｌ／ｍｉｎ的流量送入不锈钢喷丝头针孔内，不锈钢喷丝头与高压电源连接，外部荷载电压为１０－１５ｋＶ，保持不锈钢喷丝头针孔与接地电极收集基板间距在１０－１５ｃｍ；启动电纺丝装置，在电场作用下，ＺｎＯ前躯体聚合物纳米纤维被收集在垂直注射泵喷丝头针孔下端的ＦＴＯ导电玻璃上，形成厚度为１００－２００ｎｍ的前躯体聚合物应力缓冲层纳米纤维薄膜；５）ＺｎＯ前躯体聚合物纳米纤维薄膜应力缓冲层热压处理和烧结①ＺｎＯ前躯体聚合物纳米纤维薄膜热压处理：将平板炉上加热至１２０℃－１５０℃的金属碟片置于ＺｎＯ前躯体聚合物纳米纤维薄膜上热压１０－１５ｍｉｎｓ，且在金属碟片和ＺｎＯ前躯体聚合物纳米纤维薄膜中间插入１－２ｍｍ厚的聚四氟乙烯薄片；②ＺｎＯ前躯体聚合物纳米纤维薄膜烧结：热压处理后的ＺｎＯ前躯体聚合物纳米纤维薄膜在８０℃真空干燥２４ｈｒｓ，然后置于烧结炉，升温至４００℃－４５０℃，保温时间为３０－６０ｍｉｎｓ，随炉自然冷却至室温，获得ＺｎＯ前躯体聚合物纳米纤维薄膜应力缓冲层；６）ＺｎＯ前躯体聚合物纳米纤维薄膜光电极的制备在涂覆ＺｎＯ前躯体聚合物纳米纤维薄膜应力缓冲层的ＦＴＯ导电玻璃上采用湿化学法构建半导体氧化物ＺｎＯ薄膜工作电极，然后置于烧结炉，升温至４００℃－４５０℃烧结，保温时间为３０－６０ｍｉｎｓ，随炉自然冷却至室温，获得染料敏化太阳能电池器件的ＺｎＯ纳米纤维薄膜光电极；７）纳米纤维薄膜染料敏化太阳能电池的构建采用Ｎ３或Ｎ７１９染料对制备的ＺｎＯ纳米纤维薄膜光电极进行敏化；随后对铂化的带孔对电极和半导体工作电极进行封装处理，利用毛细吸附原理注入含碘离子的电解液，最后密封对电极上用于注射电解液的小孔，获得染料敏化太阳能电池ＤＳＳＣ器件。...
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：云斯宁，
申请(专利权)人：西安建筑科技大学，
类型：发明
国别省市：87
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