[发明专利]柔性染料敏化太阳电池纳晶薄膜的制造方法

说明书

技术领域

本发明属于太阳电池领域尤其是染料敏化太阳电池技术领域，具体涉及一种用于在柔性有机高分子导电基底上的柔性染料敏化太阳电池的纳米晶光阳极薄膜的制造方法。

背景技术

太阳电池能够直接将太阳能转化成电能，是太阳能的主要利用形式之一。目前所研究的太阳电池主要包括：硅太阳电池、化合物半导体电池、聚合物膜太阳电池和染料敏化纳米晶太阳电池。自1991年Grtzel等在Nature上报道了染料敏化纳米晶太阳电池(dye-sensitized solar cell，DSC)的太阳能转化效率＞7％以来，DSC便受到了广泛的关注。迄今，DSC的能量转化效率已经超过了11％。根据电解质材料的状态不同，分为液态DSC和固态DSC两类，最近发展的半固态DSC宏观上具有固态特征而微观上具有液态特征。

目前制备的DSC大多是以硬质的导电玻璃为基底，因此电池不能弯折。若以柔性的透明有机材料基材为基底，则DSC具有可挠区可弯折等特性，这将大幅拓展DSC的使用范围。同时，液态DSC以脆性导电玻璃为基底时，可能会出现由于硬物撞击或挠区过大等原因造成开裂，从而造成液态电解质的泄漏，对环境造成一定的破坏。若以柔性基底制备DSC，则电池泄漏的几率显著降低。同时，有机基底重量轻，可实现卷轴式连续生产，从而又可进一步降低制造成本。

电池是由光阳极、对电极和电解质组成的。在导电玻璃等基底上沉积的多孔TiO₂膜吸附染料后构成光阳极。考虑到光电转化效率是由染料采光效率、电子从染料向TiO₂膜的注入效率、电子在TiO₂膜中的传递并达到导电基体的收集效率、电解质离子在TiO2膜中传递过程所决定。因此，对TiO₂膜的具体要求是：

(1)针状或近球状纳米颗粒堆积成的多孔膜，以提供更大的表面积，增加染料的吸附密度，提高采光效率；

(2)合适的孔隙率和孔径分布，以保证染料吸附和膜内电解质传递。

(3)纳米颗粒之间良好的连接，以增加电子在TiO₂膜中良好的传递性能，提高收集效率；典型的TiO₂膜是由10-30nm的TiO₂颗粒堆积而成、厚度5-30μm、粗糙因子几百至几千、孔隙率一般50％以上、孔径主要为5-30nm。在孔隙结构方面，从染料向薄膜内部的扩散吸附、电解质向薄膜内部的渗透扩散和电解质载流子扩散角度，希望孔道尺寸不能太小。

在DSC的TiO₂膜制备方面，目前已经广泛研究并取得较大进展的常用制备方法包括刮涂法、丝网印刷法、旋转涂覆法、高温溶胶喷射沉积等方法。这些方法均难以用于柔性基底，因为一般有机物柔性基底耐温约150℃，而上述方法的共同之处是基底材料必须经历450℃～550℃的高温处理过程，用以实现去除膜中的残留有机成分、将TiO₂非晶成分结晶化、去除TiO₂晶体中的若干晶体缺陷、使TiO₂纳米颗粒间具有较好的连接状态、增强膜与基底材料间的结合等目的。

针对DSC中最关键的光阳极多孔纳晶薄膜的低温制备，上述要求中前两条比较容易实现，但第三条具有较强的挑战性。迄今已有的低温制膜方法有机械压膜法、低温水热法、薄膜转移法、化学沉积法、电泳沉积法、胶体涂膜直接低温烧结法、热液法等。

近年来，申请者基于真空冷喷涂方法，采用PEG与P25制备的尺寸为亚微米的多孔型纳米结构粉末为喷涂材料，制备了TiO₂薄膜，薄膜经400℃～500℃热处理去除PEG和TiCl₄烧结处理后即可得到满足DSC要求的高性能纳晶多孔薄膜。

发明内容

本发明的目的是提出一种柔性染料敏化太阳电池纳晶薄膜的制造方法，该方法采用涉及高温热处理的过程制备特殊结构设计的多孔型纳米结构喷涂粉末，通过粉末制备过程保证每颗多孔型纳米结构粉末内部的初级纳米颗粒间具有良好的连接状态，然后采用真空冷喷涂方法实现低温制膜过程，采用高速气流将多孔型纳米结构粉末加速后高速撞击在基体表面沉积形成薄膜，通过多孔型纳米结构粉末与基体表面的高速撞击压力和局部瞬时温升共同促进粉末间的结合，因而涂层与基体、涂层内部颗粒间具有良好的结合。该法制备的薄膜，由于在柔性基体上的涂层制备过程中不涉及传统的高温过程，且薄膜制备后也可不经历高温过程，同时使薄膜具有内部颗粒间结合良好的特性，因此可用于高效柔性染料敏化太阳电池电极的高性能薄膜的制备。