[发明专利]一种高性能线状染料敏化太阳能电池的制备方法

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

线状有机太阳能电池由于在轻便的能量生成器件、织物集成光伏器件等领域具有潜在的应用价值，近来受到极大的关注。^[1]与传统的平面太阳能电池不同，线状有机太阳能电池具有较好的柔性和独特的一维线状结构，可以编织成各种类型的织物。^[2-8]通常情况下，在一根线状有机太阳能电池中，一根涂覆有光活性层的电极作为工作电极，另一根金属线（如铂，铜，钢等）作为对电极。^[2-8]由于碳纳米管具有优异的电性能和催化性能，可取代贵金属材料（如铂）作为染料敏化太阳能电池的对电极来催化I^-/I₃^-的氧化还原反应以及外电路电子的收集，从而得到高效的染料敏化太阳能电池。^[9,10]碳纳米管纤维作为碳纳米管宏观组装体，具有较高的电导率、催化性能和强度，另外还具有质轻和柔性等优点，是制备线状染料敏化太阳能电池理想的候选材料^[11-14]。 

发明内容

本发明的目的在于提供一种低成本、易制备的线状染料敏化太阳能电池的制备方法。 

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，其工作电极为负载染料分子的外层辐射生长了二氧化钛纳米管的钛丝，对电极为碳纳米管纤维；两根纤维相互缠绕，形成一种新型的线状染料敏化太阳能电池。该类线状染料敏化太阳能电池的能量转换效率可达3.9%，远高于基于铂丝的线状电池（0.9%）。此外，该线状染料敏化太阳能电池具有较高的稳定性，弯曲成各种形状而不会降低其光伏性能。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，在便携及高度集成的光伏器件中具有潜在的应用价值。 

本发明的线状染料敏化太阳能电池具有高的能量转换效率和较好的稳定性，同时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

首先利用化学气相沉积法在管式炉中合成可纺碳纳米管阵列。一种典型的合成方法如下，通过电子束蒸发在硅片上分别沉积Fe (厚度0.8-1.6 nm)/Al₂O₃ (厚度1-4nm）作为催化剂，乙烯作为碳源（碳源流量为90±10 sccm），Ar（Ar流量为480±10 sccm）和H₂（H₂流量为A30±5 sccm）的混合气体作为载气，在750±5 ^oC下反应。可纺阵列的高度为170~250 mm。碳纳米管纤维通过一可旋转的探头从碳纳米管阵列中直接纺出，纺丝过程中探头的旋转速率为1000~3000 rad/min，纤维的直径可控制在4~30μm。

（2）辐射生长取向TiO₂纳米管阵列的钛丝 

取向TiO₂纳米管阵列的钛丝利用二电极系统通过电化学阳极氧化法制备，钛丝（直径0.127-0.25 mm），纯度99.9%）和铂丝分别作为阳极和阴极，电解液为含有氟化铵的乙二醇溶液（氟化铵的质量百分比为0.25±0.05%），其中水的体积含量为0.5 %~2 %，电压分别为40V--80V（如40V、60V和80V），阳极氧化时间为2~10小时。钛丝经阳极氧化后，外层即生长了一层高度为10~40μm的取向TiO₂纳米管阵列。

（3）基于碳纳米管纤维对电极的线状染料敏化太阳能电池的制备 

经阳极氧化后的钛丝用去离子水清洗除去电解质，在500±10^oC下空气中烧结60±2 分钟，得到锐钛矿晶型的TiO₂。然后将烧结后的样品放入0.04M TiCl₄水溶液中，70±2^oC下浸泡30±1分钟；之后用去离子水清洗干净后在450±10 ^oC下退火30±1分钟，待冷却到120±2 ^oC时，将TiO₂纳米管阵列包裹的钛丝浸入0.3±0.05mM浓度的 N719的乙醇和异丙醇的混合溶液（乙醇和异丙醇的体积比可为1:1）中，过夜。