[发明专利]提高染料敏化电池纳米纤维膜与导电玻璃结合牢度的方法

说明书

技术领域

本发明涉及太阳电池制造技术领域，特别涉及一种提高染料敏化电池纳米纤维膜与导电玻璃结合牢度的方法。

背景技术

随着社会、经济的持续发展，不可再生能源如石油、煤炭等日益枯竭，人类的生存和发展正面临着前所未有的挑战。寻找清洁、可再生能源已成为全球性问题。据估算，地球每年从太阳辐照获得的能量约为人类全年能源消耗量的10万倍，因此，太阳能的开发利用是新能源领域的重大课题。基于半导体硅pn结原理的太阳电池是目前技术最为成熟的光电转换器件，近年来，硅太阳电池规模化应用的步伐正逐步加快。然而，高成本依然是光伏发电一个无法回避的现实。为此，全球范围内开发新型光伏器件的努力始终没有停止。

上世纪末，随着纳米技术的兴起，一类新型的太阳电池即染料敏化太阳电池（DSSC）应运而生。1991年，Gr?tzel首次报道了以钌配合物染料为敏化剂的半导体纳米晶薄膜太阳电池，其光电转换效率高于7%，引起科学界广泛关注，被视为第三代太阳电池。经研究努力，小尺寸DSSC的最高转换效率已达11%，与非晶硅薄膜电池的水平相当，而成本不到硅电池的1/5。凭借明显的成本优势和简便的制作工艺，DSSC或将在未来光伏产业发展中成为硅电池的有力竞争者，应用潜力巨大。

DSSC由纳米结构薄膜光阳极、FTO导电玻璃基体、敏化染料、电解质及镀铂对电极组成。其工作原理如下：敏化染料吸收光能，电子由基态跃迁到激发态；FTO上的阳极膜作为电子受体接受激发态电子，同时，染料分子失去电子而呈氧化态；I^-/I₃^- 电解质中的I^- 作为电子供体向氧化态染料分子提供电子而将其还原再生，I₃^- 扩散到对电极得到电子被还原，从而完成光电化学反应循环。

其中，光阳极膜是DSSC的核心部分和重点研究对象，其作用是对染料分子激发的电子进行接收和传输。常规的光阳极膜通常以二氧化钛（TiO₂）纳米晶为原料。近20年，大量研究者对纳米晶光阳极膜进行了持续深入的研究，逐渐形成了相对成熟的实验制备工艺。但这种光阳极膜也存在着一些固有缺陷，原因是纳米晶粒间有着大量的晶界，比表面积巨大，表面悬挂键起着俘获光生电子的陷阱作用，它们会使电子的寿命和扩散距离减小，复合几率增加，制约着电池效率的提高。新型纳米结构将是DSSC光阳极膜研究的重要方向。如果以纳米线、纳米棒、纳米管等一维纳米结构代替纳米晶，由于它们的晶界较少，可有效减少其中的表面态陷阱对光生电子的俘获，抑制电荷复合，加快电子的收集、传输速率，进而提高电池的性能。

除一维纳米结构外，由静电纺丝制得的准一维TiO₂纳米纤维膜近年来也开始用于DSSC光阳极。理论上，这种光阳极膜将取得与上述一维纳米结构薄膜相类似的效果。相关工作主要集中在新加坡的S. Ramakrishna，韩国的D.Y. Kim和日本的S. Shiratori等几个小组。通常是将TiO₂前躯体溶液纺得的复合纳米纤维膜直接沉积在FTO基体上，经烧结形成光阳极。静电纺丝液主要由TiO₂前躯体，可溶性高聚物以及溶剂组成。高聚物的作用是调节纺丝液的粘度使其具有可纺性，并起着结构模板的作用。为得到纯无机的目标产物，制得的薄膜需通过烧结处理除去高聚物并形成结晶。在烧结过程中，由于薄膜收缩产生应力，加上薄膜与导电玻璃基体之间存在着明显的热膨胀差异，使得薄膜与基体之间的附着性较差，容易出现开裂及脱落现象，进而影响电池的性能和稳定性。因此，将静电纺丝法应用于DSSC光阳极膜的制备时，如何使烧结后的纳米纤维膜与FTO基体有良好的结合是亟需解决的关键问题。

对此问题，D.Y. Kim小组采用在薄膜烧结前对样品进行四氢呋喃气氛处理的办法。在有机溶剂气氛的作用下，复合纤维中的高聚物部分溶融，致使烧结后的纤维膜和FTO有较好的粘结。而S. Shiratori小组则采用在烧结前对纤维膜进行热压处理，处理后的薄膜也能较好地粘结在基体上。这两种方法虽在一定程度上解决了薄膜和基体的粘附问题，但这样的处理方式却导致纤维的结构和形貌遭到很大的破坏。因此，必须需求新的解决途径。

发明内容

本发明的目的是在确保纳米纤维膜的结构不受根本破坏的前提下，提供一种提高染料敏化电池纳米纤维膜与导电玻璃结合牢度的方法。

本发明采用的技术方案，即该制备方法的步骤如下：