纖維染料敏化的光陽極、制備方法、電池及光伏器件技術

本發明專利技術涉及柔性染料敏化光伏器件領域，公開了一種纖維染料敏化的光陽極、制備方法、電池及光伏器件，所述纖維染料敏化的光陽極包括：金屬絲(1)，所述金屬絲(1)的表面具有納米結構層(11)；二氧化鈦薄膜層(2)，設置于所述金屬絲(1)的表面，并覆蓋所述納米結構層(11)；以及二氧化鈦多孔層(3)，設置于所述二氧化鈦薄膜層(2)的表面。本發明專利技術纖維染料敏化的光陽極可提高光電轉化效率。

Fiber dye sensitized optical anode, preparation method, battery and photovoltaic device

The present invention relates to Flexible Dye-sensitized photovoltaic devices, discloses light anode, preparation method, batteries and photovoltaic devices of a fiber dye sensitized photoanode, the fiber dye sensitized include: metal wire (1), the metal wire (1) surface with nano structure layer (11); titanium dioxide thin film layer (2), arranged on the surface of the metal wire (1), and covers the nano structure layer (11); and a titanium dioxide porous layer (3), arranged on the TiO2 thin film layer (2) surface. The optical dye sensitized anode can improve the photoelectric conversion efficiency.

【技術實現步驟摘要】

本專利技術涉及柔性染料敏化光伏器件領域，具體地，涉及一種纖維染料敏化的光陽極、制備方法、電池及光伏器件。
技術介紹
能源短缺和環境污染愈來愈制約著未來社會的可持續發展，太陽能等可再生綠色能源的研究和利用對解決環境污染和能量短缺有著重要的意義。染料敏化太陽能電池(Dye-Sensitized Solar Cells，簡稱DSSCs)是于1991由瑞士洛桑高等工業學院教授等人在Nature上報道的一種基于自然界光合作用原理的新型太陽能電池，它具有光電轉換效率高、生產成本低廉、制作工藝簡單、無污染、可大面積、大規模制造等優點，是極具應用前景一類太陽能電池隨著不同材料體系電池的出現和優化，光伏器件效率逐步提高。相比于傳統的平板結構無機材料太陽能電池，柔性纖維染料敏化太陽能電池因具有三維采光特性，柔性好，質量輕，易制備和價格低廉等優點越來越受到關注，被認為是具有巨大商業化潛質的光伏器件。但是，傳統的硬質平板式DSSC的抗壓力能力差，受限制大，制約了太陽能電池的多樣性以及大面積電池模塊的運輸、安裝及使用。為解決這個問題，近年來研究人員將傳統的硬質平板導電基底替換成柔性導電基底，制成柔性DSSC。在柔性纖維染敏光伏器件領域，2008年首次報道了基于金屬纖維基底的DSSC，纏繞纖維電池結構的引入突破了透明電極的限制,可以實現活性層的直接采光。可彎曲變形特點使得柔性DSSC在制備工藝上大大簡化，同時也擴了DSSC的應用范圍。纖維DSSCs光電轉換效率雖然大幅度提高，但研究中發現電池的柔性對光電轉化效率有一定影響。例如電池彎曲
過程中會引發活性層與基底的脫離甚至局部產生間隙，從而導致歐姆阻抗和電子復合的增大以及器件使用壽命的縮短。納米晶活性層厚度需要達到23μm左右才會取得器件最佳的光電轉換效率，當器件彎曲時勢必出現活性層的擠壓和開裂，進而導致器件性能衰減甚至失效。
技術實現思路
本專利技術的目的是提供一種纖維染料敏化的光陽極，可提高光電轉化效率。為了實現上述目的，本專利技術提供一種纖維染料敏化的光陽極，所述光陽極包括：金屬絲，所述金屬絲的表面具有納米結構層；二氧化鈦薄膜層，設置于所述金屬絲的表面，覆蓋所述納米結構層；以及二氧化鈦多孔層，設置于所述二氧化鈦薄膜層的表面。本專利技術纖維染料敏化的光陽極中的納米層的設置可增加接觸面積，增加光電流密度，提高光電轉化效率；通過設置二氧化鈦薄膜層，可抑制電子的轉移，進一步提高光電轉化效率，同時利用銜接二氧化鈦多孔層，降低二氧化鈦多孔層的厚度，減輕重量。本專利技術的另一目的是提供一種纖維染料敏化的光陽極的制備方法，所述制備方法包括：將表面具有納米結構層的金屬絲放入原子層沉積系統中，使二氧化鈦薄膜層沉積至所述金屬絲的表面，并覆蓋所述納米結構層；將表面沉積有二氧化鈦薄膜層的金屬絲置于二氧化鈦膠體中，形成二氧化鈦膠體層；取出后放置在加熱臺上加熱，并除去分散介質；重復多次操作使二氧化鈦薄膜層的表面設置有一層二氧化鈦多孔層；將表面形成有二氧化鈦多孔層、二氧化鈦薄膜層的金屬絲放入敏化劑中敏化處理。本專利技術纖維染料敏化的光陽極的制備方法通過原子層沉積技術在表面具有納米結構層的金屬絲上制備二氧化鈦薄膜層，并進一步在二氧化鈦薄膜
層上制備二氧化鈦多孔層形成光陽極，制備方法簡單，操作方便，所制得的纖維染料敏化的光陽極結構簡單，光電轉化效率高。本專利技術的又一目的是提供一種太陽能電池，所述太陽能電池包括纖維染料敏化的光陽極；陰極，纏繞在所述光陽極外表面的；以及密封管，用于容置所述光陽極和陰極。本專利技術的再一目的是提供一種光伏器件，設有上述光陽極和/或太陽能電池。所述太陽能電池、光伏器件與上述纖維染料敏化的光陽極相對于現有技術所具有的優勢相同，在此不再贅述。本專利技術的其它特征和優點將在隨后的具體實施方式部分予以詳細說明。附圖說明附圖是用來提供對本專利技術的進一步理解，并且構成說明書的一部分，與下面的具體實施方式一起用于解釋本專利技術，但并不構成對本專利技術的限制。在附圖中：圖1是本專利技術纖維染料敏化的光陽極的結構主視圖；圖2是本專利技術纖維染料敏化的光陽極的局部放大圖；圖3是本專利技術太陽能電池的主視示意圖；圖4是本專利技術中納米柱的電子掃描圖；圖5是本專利技術太陽能電池與傳統電池的電流密度-電壓曲線的對比圖；圖6是本專利技術纖維染料敏化的光陽極的制備方法的流程圖。附圖標記說明1 金屬絲 2 二氧化鈦薄膜層3 二氧化鈦多孔層 4 陰極5 密封管具體實施方式以下結合附圖對本專利技術的具體實施方式進行詳細說明。應當理解的是，此處所描述的具體實施方式僅用于說明和解釋本專利技術，并不用于限制本專利技術。在本專利技術中，在未作相反說明的情況下，提到的方向用語，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，僅是參考附圖的方向。因此，使用的方向用語是用來說明并非用來限制本專利技術的保護范圍。如圖1和圖2所示，本專利技術纖維染料敏化的光陽極包括：金屬絲1，所述金屬絲1表面具有納米結構層11；二氧化鈦薄膜層2，設置于所述金屬絲1的表面，并覆蓋所述納米結構層11；以及二氧化鈦多孔層3，設置于所述二氧化鈦薄膜層2的表面。所述納米結構層11包括將所述金屬絲1浸入到酸性溶液中，并在所述金屬絲1表面形成的納米柱(如圖4所示)。其中，所述二氧化鈦薄膜層2為銳鈦礦型薄膜層，所述二氧化鈦薄膜層2的厚度為10-30nm。二氧化鈦多孔層3的厚度為5-15μm。所述金屬絲1的直徑為130-800μm；優選地，直徑為250μm。其中，所述金屬絲可為鈦、銅、鋁、鐵、鎳、鋅等中任意一者。本專利技術纖維染料敏化的光陽極通過使用金屬絲纖維，可使器件彎曲的曲率半徑減小，提高器件的柔韌性。本專利技術纖維染料敏化的光陽極中的納米層的設置可增加接觸面積，提高光電轉化效率；通過設置二氧化鈦薄膜層，可抑制電子的轉移，進一步提高光電轉化效率，同時利用銜接二氧化鈦多孔層，降低二氧化鈦多孔層的厚度，減輕重量，節省材料，降低成本。如圖3所示，本專利技術還提供一種太陽能電池，所述太陽能電池包括纖維染料敏化的光陽極；陰極4，纏繞在所述光陽極的外表面；以及密封管5，
用于容置所述光陽極和陰極4。基于原子沉積技術制備的纖維染料敏化的光陽極及太陽能電池的光電轉化效率可將原來的4.02％提高到7.88％，幅度提升為96％。如圖5(圖中A部分表示本專利技術太陽能電池的曲線，B表示傳統電池的曲線)所示，本專利技術太陽能電池與傳統電池相比，在電壓相同時，電流密度明顯提高，從而可大幅度提高光電轉化效率。此外，本專利技術還提供一種光伏器件，設有上述光陽極和/或太陽能電池。所述光伏器件與上述纖維染料敏化的光陽極相對于現有技術所具有的優勢相同，在此不再贅述。如圖6所示，本專利技術還提供一種纖維染料敏化的光陽極的制備方法，所述制備方法包括：步驟601：將表面具有納米結構層的金屬絲放入原子層沉積系統中，使二氧化鈦薄膜層沉積至所述金屬絲的表面，并覆蓋所述納米結構層。步驟602：將表面沉積有二氧化鈦薄膜層的金屬絲置于二氧化鈦膠體中，形成二氧化鈦膠體層；取出后放置在加熱臺上加熱，并除去分散介質；重復多次操作使二氧化鈦薄膜層的表面設置有一層二氧化鈦多孔層。步驟603：將表面形成有二氧化鈦多孔層、二氧化鈦薄膜層的金屬絲放入敏化劑中敏化處理。本專利技術纖維染料敏化的本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種纖維染料敏化的光陽極，其特征在于，所述光陽極包括：金屬絲(1)，所述金屬絲(1)的表面具有納米結構層(11)；二氧化鈦薄膜層(2)，設置于所述金屬絲(1)的表面，并覆蓋所述納米結構層(11)；以及二氧化鈦多孔層(3)，設置于所述二氧化鈦薄膜層(2)的表面。

【技術特征摘要】
1.一種纖維染料敏化的光陽極，其特征在于，所述光陽極包括：金屬絲(1)，所述金屬絲(1)的表面具有納米結構層(11)；二氧化鈦薄膜層(2)，設置于所述金屬絲(1)的表面，并覆蓋所述納米結構層(11)；以及二氧化鈦多孔層(3)，設置于所述二氧化鈦薄膜層(2)的表面。2.根據權利要求1所述的纖維染料敏化的光陽極，其特征在于，所述納米結構層(11)包括將所述金屬絲(1)浸入到酸性溶液中在所述金屬絲(1)表面形成的納米柱。3.根據權利要求1或2所述的纖維染料敏化的光陽極，其特征在于，所述二氧化鈦薄膜層(2)為銳鈦礦型薄膜層。4.根據權利要求1-3中任一項所述的纖維染料敏化的光陽極，其特征在于，所述二氧化鈦薄膜層(2)的厚度為10-30nm。5.根據權利要求1-4中任一項所述的纖維染料敏化的光陽極，其特征在于，二氧化鈦多孔層(3)的厚度為5-15μm。6.根據權利要求1-5中任一項所述的纖維染料敏化的光陽極，其特征在于，所述金屬絲(1)的直徑為130-800μm。7.根據權利要求1-6中任一項所述的纖維染料敏化的光陽極，其特征在于，所述金屬絲可為鈦、銅、鋁、鐵、鎳、鋅中任意一者。8.一種纖維染料敏化的光陽極的制備方法，其特征在于，所述制備方
\t法包括：將表面具有納米結構層的金屬絲放入原子層沉積系統中，使二氧化鈦薄膜層沉積至所述金屬絲的表面，并覆蓋所述納米結構層；將表面沉積有二氧化鈦薄膜層的金屬絲置于二氧化鈦膠體中，形成二氧化鈦膠體層；取出后放置在加熱臺上加熱，并除去分散介質；重復多次操作使二氧化鈦薄膜層的表面設置有一層二氧化鈦多孔層；將表面形成有二氧化鈦多孔層、二氧化鈦薄膜層的金屬絲放入敏化劑中敏化處理。9.根據權利要求8所述的纖維染料敏化的光陽極的制備方法，其特征在于，所述二氧化鈦膠體的制備方法包括：攪拌鈦酸正丁酯和乙酸成混合試劑，將混合試劑加入到水中，隨后加入濃硝酸并恒溫攪拌；恒溫攪拌后的混合溶液進行恒溫反應，使用第一有機試劑進行超聲分散；其中，所述鈦酸正丁酯、乙酸、水以及濃硝酸的體積比為6：1：30：0.25。10.根據權利要求8或9所述的纖維染料敏化的光陽極的制備方法，其特征在于，所述納米結構層包括納米柱，所述納米柱的制備方法包括：將所述金屬絲浸入酸性溶液中攪拌設定時間后取出，使用超純水沖洗至PH值為7。11.根據權利要求10所述的纖維...

【專利技術屬性】
技術研發人員：鄒德春，宋衛星，劉桂成，王輝，
申請(專利權)人：北京納米能源與系統研究所，
類型：發明
國別省市：北京;11