大面积可充式染料敏化纳米TiO2太阳能电池.pdf

第6 l 卷第1 期 2009 年2 月 有色金属 N o n f e r r o u sM e t a l s V 0 1 ．6 1 。N o ．1 F e b r u a r y200 9 大面积可充式染料敏化纳米T i 0 2 太阳能电池 姜春华1 8 ，一，杨伟光h ，宋欣h ，万发荣1 a ，1 b 1 ．北京科技大学a ．材料科学与工程学院b ．北京市新能源材料与技术重点实验室，北京1 0 0 0 8 3 ； 2 ．彩虹集团公司技术中心，北京1 0 0 0 8 5 摘 要研究大面积带有储液池、贯通孔和补液通道的可充式染料敏化纳米T i 0 2 太阳能电池的制备及性能测试。制备了两 块8 e r a 1 0 c m 和9 块9 c m X 9 c r a 电池，进行相应的串并联，装成电池窗。结果表明，电池的J 。为1 6 ．3 ～2 8 ．4 m A ．K 为4 2 2 ．3 ～ 6 0 8 ．3 m Y 。两块8 e m 1 0 e r a 的电池串联后的f 。为1 7 ．1 m A ，V 0 为1 1 0 0 m V ，并联后I 。为3 3 ．0 m A ，V 0 为5 4 6 ．2 m V 。4 块9 e m X 9 e m 的电池经过串联后f 。为1 8 ．7 m A ，亿为2 0 6 0 m V ，并联后的f 。为6 0 ．7 m A ，K 为5 0 1 ．O m V ，串并联后J 。为3 6 ．1 m A ，V 0 为 9 9 3 ．2 m V 。经过串并联的可充式电池能够驱动小型电扇。 关键词无机非金属材料；太阳能电池；纳米“0 2 ；可充式；染料敏化 中图分类号T M 9 1 4 ．4 ；0 6 4 6 ．5 4 文献标识码A 文章编号1 0 0 1 0 2 1 1 2 0 0 9 0 1 0 0 4 1 0 5 由于矿物能源不可再生及所产生的二氧化碳引 起温室效应等原因和经济发展的需要，近年来太阳 能作为取之不尽、完全洁净的能源，越来越受到的重 视。在太阳能转换为电能的热电能转换法、光化电 能转换法及光电能转换法三种方法中，光电能转换 法最受关注⋯。 传统的太阳能电池可分为固态光伏太阳能电池 和液结光电化学电池。目前，固态光伏太阳能电池 光电转换效率最高可达3 6 ％，是将两种化合物半导 体砷化镓与锑化镓重叠在一起制成的一种新型太阳 能电池旧J ，但由于固态光伏电池工艺复杂、价格昂 贵和对材料要求过高，难以普及。之后出现的液结 太阳能电池与之相比有着工艺简单、原料便宜和光 吸收能力增强的优点，目前其光电转换效率已经超 过了1 5 ％【3 J ，但这种太阳能电池同时存在着长期稳 定性差和电极光腐蚀等问题。自从瑞士的 G r a t z e l M l 等人提出染料敏化纳米薄膜半导体太阳能 电池以后，其优良的性能和低成本引起了人们的兴 趣，在近十年内得到了迅速发展，被认为是未来光伏 发电最有前景的发展方向之一。 典型的染料敏化纳米T i 0 2 太阳能电池 D y e s e n s i t i z e ds o l a rc e l l ，以下简称D S C 电池 主要由纳米 收稿日期2 0 0 7 0 9 1 9 作者简介姜春华 1 9 7 1 一 ，女，黑龙江大庆市人，高级工程师，博士， 主要从事染料敏化太阳能电池等方面的研究； 联系人万发荣 1 9 5 5 一 ，男，南昌市人，教授，博士生导师，主要 从事能源材料等方面的研究。 T i 0 2 半导体电极、染料光敏化剂、电解质、铂对电极 几部分构成。该类太阳能电池的研究大多建立在小 面积电池的基础之上，国内外实验室内关于小面积 小于0 ．5 c m 2 的报道较多H - 7J ，一方面小面积的电 池的制备在实验室内容易实现，另外一方面小面积 更容易实现较高的光电转换效率。然而，该类电池 实用化必须研究大面积电池的制备工艺，已有关于 大面积电池内部串并联方面的报道旧J 。 还有，D S C 电池一般采用液体电解质，其光电 效率较高，但是由于液态电解质比较容易挥发和泄 漏，从而容易引起电池失效。利用固态电解质代替 液体电解质可以避免这一挥发泄漏问题，但是其光 电转换效率则受到影响。为解决上述问题，课题组 前期研究设计了可充式染料敏化纳米T i 0 2 太阳能 电池 以下简称可充式D S C 电池 悃趟设计一种 具有储液池、贯通孔和补液通道的新的对电极结构， 能够有效的延长电池的使用寿命，并可以通过补充 电解质使由于液态电解质挥发泄露而失效的电池重 新恢复性能。对这种技术继续完善，制备大面积 约 8 0 c m 2 的可充式D S C 电池并进行相应的串并联，测 试其性能并开始进行长期寿命监测。 1可充式D S C 电池的结构设计 研究的可充式D S C 电池由染料敏化的纳米 T i 0 2 半导体薄膜电极、带有均匀贯通孔的铂对电极 和带有储液池和补液通道的盖板等三层结构组成， 如图I 所示。 万方数据 4 2有色金属第6 1 卷 ●●● ●●● ●●● 6 4 7 5 l l ＼， ，_ 0 一一 摅 一 - ● 1 1 ／ 匣 一 2 一一 [ 6 6 0 1 一半导体电极；1 0 一玻璃基板；1 1 一导电薄膜；2 一纳米晶体 T i Q 薄膜；5 一液态电解质；6 一对电极；6 0 一玻璃基板；6 2 一导 电薄膜；6 4 一P t 膜；6 3 一盖板；6 1 一贯通孔；5 1 一储液池；5 2 一补 液通道；7 一密封材料 图1可充式D S C 电池的正视图和侧视图 F i g ．1 F r o n t 1 e f t a n ds i d e f i g h t o fr e c h a r g e a b l eD S Cc e l l s T i 0 2 半导体电极和铂对电极的边缘先用s u r l y n 膜热解后预先密封，然后用合适的密封剂将它们和 盖板一起进行封装。通过补液通道进行电解质的灌 注后，使储液池内充满液体电解质，经过一段时间， 储液池内的电解质通过铂对电极的贯通孔渗透到 T i 0 2 半导体电极上并分布均匀，最后用密封剂将补 液通道封好，这样即得到具有储液及补液功能的可 充式D S C 。该电池的结构有别于传统的D S C 电池 之处在于补液通道、贯通孔和储液池的设计，可以解 决该类电池由于液态电解质的挥发和泄漏导致的电 池失效的问题。 2可充式D S C 电池的制备 2 ．1 纳米T i 0 2 薄膜的制备 制备纳米T i 0 2 薄膜所用的基体材料为面电阻 为2 0 ～3 0 f l 的F T O 导电玻璃，所裁玻璃的尺寸为 8 c m 1 0 c m 和9 c m X9 c m 两种。所使用的T i 0 2 纳 米粉是工业用P 2 5 型T i 0 2 粉，平均粒径为2 5 ～ 3 0 n m ，比表面积为5 0 m 2 ／g ，T i 0 2 含量大于9 9 ．5 ％， 为锐钛矿结构与金红石结构混合物。试验中采用粉 末涂敷法制备T i 0 2 薄膜，将8 m L 去离子水与1 ．0 9 P 2 5 粉充分混合后加入几滴P E G 并充分研磨后制 成悬浊液，然后将配制好的浆料均匀的涂抹在已裁 好并清洗干净的导电玻璃上，并在4 5 0 ℃保温 6 0 m i n ⋯J 。然后将制备好的薄膜电极放人染料中浸 泡2 4 h ，所用染料为N 3 染料无水乙醇溶液，浓度为 0 ．3 9 ／LC 0 1 2 3 2 ．2 热分解法制备铂电极 将1 ．0 9 氯铂酸配成5 0 m L 异丙醇溶液，摇匀备 用。分别在经过清洗的8 c m 1 0 c m 和9 c m 9 c m 导电玻璃基片上涂成均匀的薄膜，4 0 0 ℃保温 2 0 m i n ，自然冷却，清除表面的反应残留物后得光亮 的铂镜，在上面均匀打九个直径为l m m 的孔。 2 ．3 带有储液池和补液通道的盖板的制备 将3 r a m 厚的普通玻璃表面粘上胶带，然后用铅 笔在胶带上画出所需槽和补液通道的形状及尺寸， 最后用刀片沿线刻透胶带露出需要刻蚀的部分；将 以上所得导电玻璃放入盛有融化的蜡烛的烧杯中， 迅速取出放入另一盛冷水的烧杯，按照所刻划形状 的剥掉蜡烛，露出要刻蚀的部位，然后放入浓度约为 4 0 ％的H F 溶液中，6 h 后取出，除去反应产物、胶带 和蜡烛即得到所需的带有储液池和补液通道的盖 板，洗净备用。补液通道宽2 m m ，长l c m ，储液池为 7 c m X8 c m 和8 c m 7 e m 两种尺寸o 2 ．4 电池的组装 将铂光阴极压在吸附了染料的T i 0 2 电极上，将 带有储液池和补液通道的盖板盖在铂电极的背面， 装上补液管后封装，待密封剂固化后通过补液通道 注入L i I ／1 2 0 ．5 m o l ／LL i I 0 ．5 m o l ／L1 2 ，溶剂为1 ， 2 2 丙二醇碳酸酯 电解质溶液，待储液池内的溶 液通过铂电极的贯通孔均匀渗透到T i 0 2 电极后用 密封剂将液通道的管口封好即得到可充式D S C 电 池。 ， 3单片可充式D S C 电池的性能表征 按照前面所述的方法制备两块8 c m 1 0 c m 1 2 和9 块9 c m 9 c m 3 1 1 的带有储液池、贯 通孔和补液通道的可充式D S C 电池，测试其性能如 表1 所示。所用测量光源为卤灯，最大功率5 0 0 W ， 用万用表测量电池的短路电流 I s c 和开路电压 V o c 。由于硅电池性能相对较为稳定，以硅太阳 能电池校准光源，通过测量T i 0 2 太阳能电池的开路 电压和短路电流来考察T i O ’太阳能电池性能的变 化。实验室固定光源高度和受光面积的情况下，制 备的可充式D S C 电池测定之前，测定硅电池的k 为2 9 ．8 m A ，V o c 为2 ．0 5 V ，以此核准光源的强度。 所测定的可充式D S C 太阳能电池的I s c 介于1 6 ．3 ～2 9 ．9 m A ，V o c 介于4 2 2 ．3 - - 6 0 8 ．3 m V 。 4可充式D S C 电池窗的制备及性能 测试 将1 和2 电池、3 一6 电池组装成的电池窗 进行相应的串并联，并和外部电路连接，见图2 ～图 3 ，测试结果如表2 和图4 ～图8 所示。 万方数据 第1 期 姜春华等大面积可充式染料敏化纳米T i 0 2 太阳能电池 4 3 表l 可充式D S C 电池的性能测试 T a b l e1P e r f o r m a n c eo fr e c h a r g e a b l eD S Ce e l l s 电池参数182 83 84 85 86 87 88 89 81 0 8 1 l8 开路电压／m V 5 4 9 ．06 0 8 ．35 0 9 ．15 2 4 ．85 2 9 ．05 3 6 ．75 0 8 ．74 2 2 ．35 1 5 ．05 6 1 ．9 5 0 8 ．4 短路电流／m A2 2 ．3 2 8 ．42 3 ．32 9 ．92 2 ．82 7 ．12 0 ．31 8 ．71 9 ．32 3 ．81 6 ．3 电池面积／c r n 2 8 08 08 18 l8 18 18 18 1 8 l8 18 1 墨 氓 卸 图21 ．2 电池组装成的可充式电池窗 F i g ．2 D S Cm o d u l ew i t h1 - 2 c e l l s 图33 ．6 电池组装成的可充式电池窗 F i g ．3 D S Cm o d u l ew i t h3 - 6 8c e l l s 电压／m V 图41 ．2 串联组件伏安特性曲线 F i g ．4 I - - Vc u r v eo f1 - 2 8i ns e r i e s { 斌 叠 电压／m v 图51 ．2 并联组件伏安特性曲线 F i g ．5 I - Vc u r v eo f1 - 2 i np a r a l l d 电压／m v 图63 ．6 串联组件伏安特性曲线 F i g ．6 I ～Vc u r v eo f3 - 6 8i ns e r i e s 电压／m V 图73 ．6 并联组件伏安特性曲 F i g ．7 I - - VC H I V eo f3 - 6 8i np a r a H e l 另外，电池组装后三个月后再次测试其性能，电 池性能保持稳定，说明该新型对电极结构有利于延 长电池的寿命，测试数据如表3 所示。 m ，斌脚 m ，糕脚 万方数据 有色金属第6 1 卷 电压／m V 图83 ．6 串并联组件伏安特性曲线 F i g ．8 I - - Vc a l v eo f3 - 6 i ns e r i e sa n dp a r a l l e l 表2 可充式D S C 电池组件的性能测试 T a b l e2P e r f o r m a n c eo fr e c h a r g e a b l eD S Cm o d u l e s 表3 可充式D S C 电池组件的性能测试 T a b l e3P e r f o r m a n c eo fr e c h a r g e a b l eD S Cm o d u l e s 参考文献 经过近两年的研究表明，用于可充式D S C 电池 的新型对电极结构的设计和制备有效地解决了由于 液体电解质的挥发和泄露问题造成的电池失效问 题，但是该类电池的产业化还要做更多的工作。就 可充式D S C 电池而言，由于面积的扩大导致相对的 光电转换效率降低，如果能够实现电池内部串并联 来制备较高光电转换效率的大面积太阳能电池，将 更有利于该类电池的实际应用。 5结论 在相同条件下制备两块8 c mx1 0 c m 和9 块 9 c m x9 c m 的大面积可充式D S C 电池，电池的I s c 为1 6 ．3 2 8 ．4 m A ，V o c 为4 2 2 ．3 ～6 0 8 ．3 m V 。两块 8 c m 1 0 c m 的电池串联后的I s c 为1 7 ．1 m A ，V o c 为 1 1 0 0 m V ，并联后I s c 为3 3 ．0 m A ，V o c 为5 4 6 ．2 m V 。 4 块9 e r a 9 e r a 的电池经过串联后I s c 为1 8 ．7 m A ， V o c 为2 0 6 0 m V ，并联后的I s c 为6 0 ．7 m A ，V o c 为 5 0 1 ．0 m V ，串并联后I s c 为3 6 ．1 m A ，V o c 为 9 9 3 ．2 m V 。经过串并联的可充式电池能够驱动小型 电扇。 [ 1 ] 黄昀防，吴季怀．高效染料纳晶太阳能电池[ J ] ．化工新型材料，2 0 0 0 ， 9 1 6 2 1 ． [ 2 ] 孙宝，郝彦忠，李伟，等．纳米太阳能电池研究进展[ J ] ．河北科技大学学报，2 0 0 2 ，2 3 2 1 3 1 9 ． [ 3 ] J I N GB i n g w e n ，Z H A N GM a n h u a ．A d v a n c e si nd y e s e n s i t i z e ds o l a rc e l l [ J ] ．C h i n e s eS c i e n c eB u l l e t i o n ，1 9 9 7 ，4 2 2 3 1 9 3 7 1 9 4 7 ． [ 4 ] B r i a nO ’R e g a n ，M i c h a e lG r a z e l ．Al o w - c o s t ，h i g h e f f i c i e n c ys o l a rc e l lb a s e do nd y e s e n s i t i z e dc o l l o i d a lT i 0 2f i l m s [ J ] ．N a t u r e ， 1 9 9 1 ，3 5 3 2 4 7 3 7 7 3 9 ． [ 5 ] 李学萍，张正诚，李维盈，等．T i Q 纳晶多孔薄膜固态太阳电池[ J ] ．太阳能学报，2 0 0 2 ，2 3 3 2 8 1 2 8 4 ． [ 6 ] 李维盈，康俊杰，李学萍，等．聚硅氧烷凝胶网络电解质准固态T i 0 2 纳晶太阳电池[ J ] ．科学通报，2 0 0 3 ，4 8 2 1 2 9 1 3 1 ． [ 7 ] S o n gL i q i n g ，X i eP u h m 。W a n gX u e s o n g ，e ta 1 ．S y n t h e s i so fn e wr u t h e n i u mb i p y r i d y lc o m p l e x e sa n ds t u d i e so nt h e i rp h o t o p h y s i - c a la n dp h o e l e e t r o e h e m i c a lp r o p e r t i e s [ J ] ．C h i n e s eJ o u r n a l o f C h e m i s t r y ，2 0 0 3 ，2 1 3 6 4 4 6 4 9 ． [ 8 ] 戴松元，王孔嘉，隋毅锋，等．大面积染料敏化纳米薄膜太阳电池的研制[ J ] ．太阳能学报，2 0 0 4 ，2 5 6 8 0 7 8 1 0 ． [ 9 ] 姜春华，胡宇宁，万发荣，等．染料敏化纳米晶体T i q 太阳能电池的对电极结构[ J ] ．感光科学与光化学，2 0 0 6 ，2 4 5 3 2 5 3 3 4 ． [ 1 0 ] 万发荣，胡宇宁，姜春华，等．染料敏化纳米晶体T i 0 2 太阳能电池中国，2 0 0 6 1 0 0 1 1 1 3 8 ．7 [ e ] ．2 0 0 6 1 9 ． [ 1 1 ] 胡宇宁，姜春华，万发荣，等．T i 0 2 薄膜及其染料敏化太阳电池[ C ] ／／能源材料专业论坛文集．北京北京新材料发展 中心，2 0 0 4 7 9 8 3 ． [ 1 2 ] 胡智学，戴松元，王孔嘉，等．染料在纳米T i O z 薄膜表面吸附性能的研究[ J ] ．化学研究与应用，2 0 0 2 ，1 4 3 2 7 7 2 7 9 ． 万方数据 第1 期 姜春华等大面积可充式染料敏化纳米T i 0 2 太阳能电池4 5 L a r g eS i z eR e c h a r g e a b l eD y e - s e n s i t i z e dN a n o - T i O zS o l a rB a t t e r y J I A N GC h u n ．h u a l 4 ．- ，Y A N GW e i - g u a n g h ，S O N G 溉挖，W A NF a ．t o n g l a , 1 6 1 ．口．C o l l e g eo fM a t e r i a l sS c i e n c ea n dE n g i n e e r i n g ，b ．B e i j i n gK e yL a bo fA d v a n c e dE n e r g yM a t e r i a la n d T e c h n o l o g y ，U n i v e r s i t yo fS c i e n c ea n dT e c h n o l o g yB e i j i n g ，B e i j i n g1 0 0 0 8 3 ，C h i n a ；2 ．S t a t eA p p r o v e d T e c h n o l o g yC e n t e r ，I r i c oG r o u pC o r p ，B e i j i n g1 0 0 0 8 5 ，C h i n a A b s t r a c t T h ep r e p a r a t i o na n dp e r f o r m a n c em e a s u r i n go ft h el a r g es i z ed y e s e n s i t i z e dn a n o - T i 0 2s o l a rb a t t e r yw i t h l i q u o rr e c h a r g i n gh o l e s ，c h a n n e l sa n ds t o r a g ep o o lf i l ei n v e s t i g a t e d ．T w op i e c eb a t t e r i e si n8 c m 1 0 c ma n d9 p i e c e si n9 c m 9 c ma r em a d ea n dt h em o d u l e sa r ea s s e m b l e di ns e r i e sc o n n e c t i n ga n dp a r a l l e lc o n n e c t i n g ．T h e r e s u l t ss h o wt h a tt h eI s ea n dV o eo ft h eb a t t e r i e sa r er a n g e di n1 6 ．3 - 2 8 ．4 m Aa n d4 2 2 ．3 ～6 0 8 ．3 m V ．r e s p e c ． t i v e l y ．T h eI s ca n dV o co ft h em o d u l ea s s e m b l e db yt w op i e c e8 c m 1 0 c mb a t t e r i e si ns e r i e sc o n n e c t i n ga r e 1 7 ．1 m Aa n d1 1 0 0 m V ，r e s p e c t i v e l y ，a n d3 3 ．0 m Aa n d5 4 6 ．2 m Vf o rp a r a l l e lc o n n e c t i n gm o d u l e ．T h eI s ca n d V o co ft h em o d u l e sa s s e m b l e db y4p i e c e9 c m 9 c mb a t t e r i e si ns e r i e s ．p a r a l l e la n ds e r i e s - p a r a l l e lc o n n e c t i n ga r e 1 8 ．7 m Aa n d2 0 6 0 m V ，6 0 ．7 m Aa n d5 0 1 ．0 m V ，3 6 ．1 m Aa n d9 9 3 ．2 m V ，r e s p e c t i v e l y ．T h em o d u l e sc a nb eu s e d t od r i v et h em i n ie l e c t r i cf a n ． K e y w o r d s i n o r g a n i cn o n m e t a lm a t e r i a l ；s o l a rb a t t e r y ；n a n o - T i 0 2 ；r e c h a r g e a b l e ；d y e ．s e n s i t i z e d 万方数据