[发明专利]基于不锈钢基体的染料敏化太阳能电池保护方法及电池

说明书

技术领域

本发明属于太阳能电池技术领域。

背景资料

太阳能作为一种可再生能源，具有其它能源所不可比拟的优点，在当 今能源危机的严峻形式下，世界各国政府对太阳能的研究和应用越来越重 视。自瑞士洛桑高等工业学院的教授研制出染料敏化纳米晶TiO₂太阳能电池(Dye-sensitized-TiO₂ thin film solar cells，简称DSSC) 以来，对染料太阳能电池的研究逐渐引起了国内外学者的广泛关注。该类 电池主要由光阳极、电解液、对极组成。其中，光阳极与对极均是制作在 导电玻璃上，目前，研究小组研究的玻璃基体DSSC最高转换效率 达到11.5％。

传统的玻璃基体DSSC吸引人的特点是其廉价的原材料和简单的制作 工艺，且性能稳定、衰减少。但是其同样存在一些问题，如玻璃比较沉重 并且易碎，给电池的制作、运输、安装带了不便，并限制了它的应用范围。 因此，一种以柔性材料代替玻璃基体的染料敏化太阳电池逐渐受到人们的 关注。金属基体由于具有柔性、可弯曲，很好的导电性，电阻较小，在电 子传输过程中有利于电子的传输，大大地扩大了电池的应用范围。不锈钢 作为最常用的金属材料之一，具有一定的耐腐蚀性。以不锈钢作为DSSC光 阳极基体材料，该电池具有可弯曲性，导电性好，电阻小等优点，电池结 构参见图1。同时，虽然不锈钢具有一定的耐腐蚀性，但不锈钢基体表面 直接浸泡在电解液中，其抗腐蚀性也会随着时间的延长而减低，最终，不 锈钢表面被电解液腐蚀，影响电池的光电转换性能和其长期稳定性。

发明内容

本发明提出一种基于不锈钢基体的染料敏化太阳能电池保护方法及 电池，通过在不锈钢光阳极DSSC基体背面增加一种新的结构，用于保护不 锈钢基体，防止基体被电解液腐蚀，克服不锈钢基体被电解液腐蚀、DSSC 长期稳定性不好的缺点。

本发明的技术方案如下：

本发明提出的基于不锈钢基体的染料敏化太阳能电池保护方法是选择 一种其电极电位比染料敏化纳米晶TiO₂太阳能电池的不锈钢基体电极电位 更负的活泼金属(合金)，把它连接到不锈钢背面，在两者间密封一定的电 解液，并用导线实现两基体的电连接，建立原电池结构，这种负电位的活 泼金属(合金)在所构成的电化学电池中为阳极而优先腐蚀溶解，释放出 的电子形成负电流，使不锈钢基体阴极极化，电位降至自腐蚀电位以下， 从而抑制不锈钢基体腐蚀，起到基体保护作用。为了使不锈钢基体表面得 到最好的保护。

基于此方法形成的不锈钢基体染料敏化太阳能电池结构是这样的，它 包括光阳极、氧化还原电解液、对极，在作为光阳极的不锈钢基体的背面 连接有电极电位比不锈钢基体的电极电位更负的活泼金属或合金材料，在 所述活泼金属或合金材料和不锈钢基体之间密封有电解液，并在活泼金属 或合金材料和不锈钢基体之间用导线进行电连接。

为了对不锈钢基体形成更好的保护作用，新增的活泼金属或合金材料 与不锈钢基体形成的原电池结构中，活泼金属或合金材料需要满足一定的 要求：须有足够负的稳定电位，在工作过程中阳极极化率小，材料的理论电 容量要大，自腐蚀速率小，且电流分布均匀，表面不会沉积难溶的腐蚀产 物，原材料丰富，成本低。工程中常用的新增金属基体电极材料包括：镁 和镁合金、锌和锌合金、铝合金三大类，这三类材料的金属板材都能对DSSC 中不锈钢基体起到一定的保护作用，其中，合金板材较纯金属板材腐蚀速 度更快，电子产生速率相应的更快，更易于保护不锈钢基体，同时镁的活 泼性比锌和铝更强，镁合金的稳定电位-1.3～-1.2v，锌合金稳定电位 -1.04～-0.8v，铝合金-1.18～-0.8v)，与不锈钢开路电位差更大，更有利 于不锈钢表面产生阴极极化，因此，选用镁合金板材作为不锈钢基DSSC结 构中新增金属基体是最优的。

上述结构中，电解液大致可以分为三类，即水溶液、有机溶剂溶液、 熔融盐。普通自来水是最常用的溶剂，介电常数大，且成本最低。以普通 自来水作为镁合金与不锈钢基体间的电解液，在电池两电极的电位差的驱 动作用下，阳极/电解液界面处发生氧化反应，镁失去电子形成镁离子，镁 离子释放出电子后进入电解液，电子留在镁合金表面，在电场作用下，通 过导线到达不锈钢基体，不锈钢基体表面电位降低至腐蚀电位以下，能够 达到阴极保护的作用。