[发明专利]一种基于碳纳米管纤维的线状染料敏化太阳能电池及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于有机太阳能电池技术领域，具体涉及一种线状染料敏化太阳能电池及其制备方法。

背景技术

碳纳米管纤维作为碳纳米管在宏观上的组装体，由于其中碳纳米管的高度取向，显示出优异的电学、机械及电化学催化性，因此在线状光电器件中具有潜在的应用价值。^[1-5]如我们之前利用碳纳米管纤维成功制备了聚二炔/碳纳米管复合纤维，具有可逆的电致变色效应。^[2]有机太阳能电池由于其制备工艺简单、成本低等优点，引起人们的广泛关注，但是其中所用的刚性易碎的导电玻璃极大地限制了有机太阳能电池在诸多领域的应用，如便携式器件和高度集成的器件。^[6-13]近几年来，柔性的可编织线状太阳能电池引起了人们的高度重视，它们一般需要金属丝、光学纤维或聚合物纤维作为电极材料或线状基底。但是，金属丝容易被电解质或其它溶剂腐蚀，而柔性的光学或聚合物纤维几乎没有导电性，从而导致这类电池的总体性能较低。^[6-8]

本发明基于高度取向的碳纳米管纤维制备一种新型的柔性线状染料敏化太阳能电池。其中一根吸附吸光染料分子的二氧化钛/碳纳米管复合纤维作为工作电极，另外一根纯的碳纳米管纤维作为对电极，两根纤维相互缠绕在一起形成线状染料敏化太阳能电池。由于碳纳米管纤维优异的结构和性能，如高强度、高电导率和高的电化学催化活性，使得该线状电池具有较好的性能。相比于传统的平面结构的太阳能电池，这种线状染料敏化太阳能电池能够方便地编成织物或其它结构，在便携式及高度集成的光伏器件中具有潜在的应用价值。

发明内容

本发明的目的在于提供低成本、易制备的线状染料敏化太阳能电池及其制备方法。

本发明所提供的线状染料敏化太阳能电池，是基于碳纳米管纤维的，以一根吸附吸光染料分子的二氧化钛/碳纳米管（TiO₂/CNT）复合纤维作为工作电极，另外一根纯的碳纳米管（CNT）纤维作为对电极，两根纤维相互缠绕在一起，形成线状染料敏化太阳能电池。

本发明所制备线状染料敏化太阳能电池具有优异的机械性能和柔韧性，可方便地进行编织或集成到其它织物上，用于便携光伏器件的制备。 

本发明提供上述线状染料敏化太阳能电池的制备方法，具体步骤为：

（1）碳纳米管纤维的制备：使用化学气相沉积法合成可纺的碳纳米管阵列，以Fe (Fe 厚度1-2 nm)/Al₂O₃ (Al₂O₃厚度1-2 nm）作催化剂，乙烯作为碳源，氩气和氢气的混合气体作为气相载体，碳源流量为90±10 sccm，Ar流量为480±10 sccm），H₂流量为30±5 sccm；化学气相沉积得到可纺的碳纳米管阵列，高度为150~300 μm；之后，碳纳米管纤维从碳纳米管阵列中纺出，纤维的直径通过调节拉出的碳纳米管带的宽度和纺丝头的转速（1000~3000 rad/min）可控制在4~30 μm。

（2）利用浸涂法制备二氧化碳/碳纳米管（TiO₂/CNT）复合纤维，在碳纳米管纤维上涂上一层5-20微米厚的TiO₂浆料（如型号：TPP1，购买自大连七色光科技公司），之后在450±10 ^oC空气中烧结30±2分钟，待冷却至120±5 ^oC时，将该复合纤维浸入在浓度为0.3±0.05 mM的 N719在乙腈与异丙醇混合（乙腈与异丙醇体积比为1：1）溶液中，时间20±4小时。

（3）将浸过N719染料的TiO₂/CNT复合纤维取出，用乙醇冲洗掉物理吸附的染料分子，待溶剂挥发干后，将另外一根碳纳米管纤维缠绕着在该复合纤维上。

为方便测试时电极的引出，用超声波焊接机在两根纤维的端部镀上金属铟；测试前，将液态电解液（电解液组分为0.1 M的碘化锂、0.05 M的碘、0.6 M的1,2-二甲基-3丙基咪唑碘和0.5 M的4-叔丁基吡啶的乙腈溶液）滴加到两根纤维上。