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)；二氧化鈦薄膜層(2)，設置于所述金屬絲(1)的表面；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。

【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
為了促進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。隨著不同材料體系電池的出現和優化，光伏器件的能量轉換效率逐步提高。與傳統的平板結構無機材料太陽能電池相比，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。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DSSCs(Dye-sensitized solar cells，染料敏化太陽能電池)，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。纖維態DSSCs的研究進展很快，光電轉換效率得到大幅提高。研究中發現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，而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。各種復合、有序的半導體納米結構材料光陽極成為近年纖維染料敏化光伏器件領域研究開發的熱點。比如TiO2(二氧化鈦)微米錐光陽極的引入改善了電子在光陽極的傳輸速率，進一步地提高了器件性能。但其高光電轉化效率的重復率偏低且重量偏重。目前纖維光伏器件的制備和應用仍面臨許多的挑戰，如與平板染料敏化太陽能電池相比，纖維狀電池的主要應用難題是其較低的光電轉化效率；宏
觀器件模塊與微觀納米結構相比尺度相差懸殊，納米材料在宏觀器件的應用研究遇到了很多問題，例如納米效應團聚消失或降低、納米材料與電池形變的兼容性和電池材料透光性限制等。
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；二氧化鈦薄膜層，設置于所述金屬絲的表面；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通過在金屬絲上設置二氧化鈦薄膜層，可抑制電子的轉移，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；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形成二氧化鈦多孔層；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；以及毛細管，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是本專利技術太陽能電池的主視示意圖；圖3是二氧化鈦多孔層厚度為5μm的電子掃面顯像圖；圖4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5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 毛細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，并不用于限制本發
明。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所示，本專利技術纖維染料敏化的光陽極包括：金屬絲1；二氧化鈦薄膜層2，設置于所述金屬絲1的表面；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。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10-35nm。二氧化鈦多孔層3的厚度為5-10μm，在本實施例中，所述二氧化鈦多孔層3的厚度為5μm(如圖3所示)，但并不以此為限。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，提高器件的柔韌性。本專利技術纖維染料敏化的光陽極通過在金屬絲上設置二氧化鈦薄膜層，可抑制電子的轉移，從而提高光電轉化效率，同時利于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2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；以及毛細管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4(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5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501：將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。步驟502：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形成二氧化鈦多孔層。步驟503：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還包括：將金屬絲放入第二有機試劑中進行超聲清洗，并吹干。其中，所述金屬絲的直徑為130-800μm，優選地，所述直徑為250μm。所述第二有機試劑包括丙酮、異丙酮以及乙醇中至少一者，一般情況下，需要上述三者分別對金屬絲進行超聲清洗，以最大程度除去所述金屬絲上的雜質。此外，可通過氮氣將超聲清洗后的金屬絲吹干，但并不以此為限。步驟501中：在得到二氧化鈦薄膜層后，還需要將表面沉積有二氧化鈦薄膜層的金屬絲置于馬沸爐內，在煅燒溫度為450-500℃、煅燒時間為30min的條件下，對二氧化鈦薄膜層進行煅燒，使其由無定型二氧化鈦轉化為銳鈦礦型二氧本文檔來自技高網...

【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)；二氧化鈦薄膜層(2)，設置于所述金屬絲(1)的表面；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)；二氧化鈦薄膜層(2)，設置于所述金屬絲(1)的表面；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，所述二氧化鈦薄膜層(2)為銳鈦礦型薄膜層。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)的厚度為10-35nm。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，二氧化鈦多孔層(3)的厚度為5-10μm。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，所述金屬絲(1)的直徑為130-800μm。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，所述金屬絲可為鈦、銅、鋁、鐵、鎳、鋅中任意一者。7.一種纖維染料敏化的光陽極的制備方法，其特征在于，所述制備方法包括：將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；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
\t使二氧化鈦薄膜層的表面形成二氧化鈦多孔層；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。8.根據權利要求7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，然后使用第一有機試劑進行超聲分散；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。9.根據權利要求7或8所述的纖維染料敏化的光陽極的制備方法，其特征在于，在得到二氧化鈦薄膜層后還包括：將表面沉積有二氧化鈦薄膜...

【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