高光电转换效率的纤维染料敏化太阳能电池及其制备方法技术

本发明专利技术属于光伏技术领域，具体为一种高光电转换效率的纤维染料敏化太阳能电池及其制备方法。本发明专利技术太阳能电池包括：钛丝；在钛丝表面沿垂直方向生长的二氧化钛纳米管阵列；在二氧化钛纳米管间隙中填充的二氧化钛纳米颗粒；由二氧化钛纳米管和二氧化钛纳米颗粒充分吸附的染料分子N719，组成光阳极；光阳极外缠绕碳纳米管纤维作为对电极，两电极置于柔性透明塑料管中，柔性透明塑料管中注有以I

【技术实现步骤摘要】
高光电转换效率的纤维染料敏化太阳能电池及其制备方法


[0001]本专利技术属于光伏
，具体涉及一种在室内光环境中具有高光电转换效率的纤维染料敏化太阳能电池及其制备方法。

技术介绍

[0002]随着柔性电子的发展，可穿戴电子设备的外型设计和功能集成的限制被逐渐打破，越来越多具有信息处理、远程通讯、健康监测等功能的可穿戴电子设备的出现提升了消费者的生活品质。这些功能的实现需要配套合适的供能模块。纤维太阳能电池可以将环境中广泛存在的光能转换为电能，并且具有柔性，可适应复杂形变，在可穿戴电子领域有广泛的应用前景。目前应用于标准太阳光环境中的纤维太阳能电池已被广泛研究。相比于户外，待在室内是现代人生活中具有与之相当的重要性和时长的状态。因此，适用于室内光环境的纤维太阳能电池也急需研究。染料敏化太阳能电池由于其光电压对光强的变化不敏感，在较弱的室内光环境中也可具有较高的光电压，理论上可以具有较高的光电转换效率，这从Freitag等（Nature Photonics, 2017,11,372
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378）和Cao等（Joule, 2018, 2, 1108
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1117）已报道的研究结果可以看出，然而目前已发展出的纤维染料敏化太阳能电池还存在一些问题，其光阳极的二氧化钛层的纳米管阵列或堆积的纳米颗粒的结构以及高碘浓度的电解液，导致其无法同时满足在室内光条件下非常重要的具有高外量子效率和有效抑制载流子复合的要求，极大地限制了器件的光电转换效率。因此，迫切需要研究出一种能够获得高外量子效率和有效抑制载流子复合的纤维染料敏化太阳能电池，而现有技术还没有使纤维太阳能电池在室内光环境中的光电转换效率超过20%。

技术实现思路

[0003]本专利技术的目的在于提供一种在室内光环境中光电转换效率超过20%的纤维染料敏化太阳能电池及其制备方法。
[0004]本专利技术提供的在室内光环境中光电转换效率超过20%的纤维染料敏化太阳能电池，包括：作为基底的钛丝；在钛丝表面沿垂直方向生长的二氧化钛纳米管阵列；在二氧化钛纳米管的间隙中均匀填充的二氧化钛纳米颗粒；由二氧化钛纳米管和二氧化钛纳米颗粒充分吸附的染料分子N719，由此组成光阳极；光阳极外缠绕碳纳米管纤维作为对电极，两电极置于柔性透明塑料管中，柔性透明塑料管中注有以I
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作为氧化还原电对的电解液。
[0005]具体通过在钛丝基底上沿表面垂直生长二氧化钛纳米管阵列，而后在纳米管的间隙中填充二氧化钛纳米颗粒，二氧化钛纳米管与纳米颗粒吸附染料分子N719得到光阳极，而后外面缠绕对电极碳纳米管纤维，将两电极装入柔性透明塑料管中，随后在管中注入低碘浓度的电解液，用热熔胶封堵管口，得到该纤维染料敏化太阳能电池。
[0006]本专利技术提供的在室内光环境中光电转换效率超过20%的纤维染料敏化太阳能电池的制备方法，具体步骤为：（1）依次用丙酮、异丙醇和去离子水超声清洗钛丝并干燥，然后通过阳极氧化法在
钛丝表面生长二氧化钛纳米管阵列，然后高温退火；（2）将乙醇和二氧化钛纳米颗粒混合，通过超声分散，得到二氧化钛纳米颗粒的乙醇分散液，将生长有二氧化钛纳米管阵列的钛丝浸入分散液中，随后以一定速度提拉出，重复浸入和提出数次（如1
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6次），使二氧化钛纳米管的间隙被二氧化钛纳米颗粒填充；室温干燥；然后高温退火，得到光阳极纤维；再将其浸泡在N719染料溶液中；（3）取出浸泡在染料溶液中的光阳极纤维，将碳纳米管纤维缠绕在光阳极纤维上，放置于柔性透明塑料管中，两电极留出适当长度于管外；注入电解液，用热熔胶封堵管口，即得到所需纤维染料敏化太阳能电池。
[0007]进一步地，本专利技术中：所述电解液中，具体包括碘、碘化锂、1,2
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二甲基
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丙基碘化咪唑鎓和4
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叔丁基吡啶和溶剂，其中，碘的浓度为0.002M~0.02M，碘化锂的浓度为0.02M~0.5M，1,2
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二甲基
‑3‑
丙基碘化咪唑鎓的浓度为0.1M~1M，4
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叔丁基吡啶的浓度为0.2M~1.5M；溶剂为乙腈、丙腈、丁腈、戊腈、戊二腈、3
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甲氧基丙腈中的一种或几种混合。
[0008]所述钛丝直径为0.1mm~1mm。
[0009]所述二氧化钛纳米管的长度为10μm~40μm，外径为120nm~360nm，内径为80nm~300nm，管壁厚为10nm~60nm。
[0010]所述二氧化钛纳米颗粒粒径为5nm~60nm，二氧化钛纳米颗粒负载的线密度为4mg/m~20mg/m。
[0011]所述碳纳米管纤维直径为20μm~500μm，碳纳米管外径为5nm~30nm。
[0012]所述柔性透明塑料管材料为聚乙烯或乙烯与其他单体的共聚物、聚四氟乙烯、氟化乙烯丙烯共聚物、聚碳酸酯中的一种，塑料管内径为0.4mm~2mm，管壁厚为0.2mm~1mm。
[0013]进一步地，步骤（1）中所述阳极氧化法在钛丝表面生长二氧化钛纳米管阵列，其中，阳极氧化电解液以乙二醇为溶剂，含5%~10%质量分数的水和0.1%~0.5%质量分数的氟化铵，阳极氧化电压为40V~80V，温度为20℃~60℃，所生长二氧化钛纳米管的长度为10μm~40μm，外径为120nm~360nm，内径为80nm~300nm，管壁厚为10nm~60nm，所述高温退火，退火程序为：从室温以3℃/min~16℃/min升温速率升至450℃~550℃，随后保持恒温0.5h~5h。
[0014]进一步地，步骤（2）中，所述二氧化钛纳米颗粒的乙醇分散液，二氧化钛纳米颗粒的质量分数为30%~60%；生长有二氧化钛纳米管阵列的钛丝从分散液提拉出的速度为10cm/min~500cm/min；二氧化钛纳米管填充所负载的二氧化钛纳米颗粒的线密度为2mg/m~20mg/m；高温退火的程序为：从室温以3℃/min~16℃/min升温速率升至450℃~550℃，随后保持恒温0.5h~5h。所述N719染料溶液以乙腈和叔丁醇的混合物为溶剂，其中乙腈的体积分数为30%~70%，N719的浓度为0.1mM~0.5mM；光阳极纤维在N719染料溶液中浸泡时间大于12h。
[0015]进一步地，步骤（3）中，所述碳纳米管纤维缠绕在光阳极纤维上，缠绕螺距大于2mm。例如，可以为2mm~25mm。
[0016]与已有技术相比，本专利技术的有益效果为：（1）本专利技术使用纳米管/纳米颗粒复合结构光阳极，相比于传统的纳米管结构光阳极，具有高的染料负载密度，导致高的外量子效率；而相比于另一种传统的纳米颗粒结构光阳极，具有垂直的管状结构，缩短电子传输路径，可有效地抑制载流子的复合；（2）本专利技术使用低碘浓度的电解液，相比于传统的高碘浓度的电解液，由于室内光
光强弱带来的光生载流子浓度低，在同样可以保证电荷高效传输的前提下，可降低电解液对入射光的吸收，从而提高光阳极对入射光的捕获和转化本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种高光电转换效率的纤维染料敏化太阳能电池，其特征在于，包括：作为基底的钛丝；在钛丝表面沿垂直方向生长的二氧化钛纳米管阵列；在二氧化钛纳米管的间隙中均匀填充的二氧化钛纳米颗粒；由二氧化钛纳米管和二氧化钛纳米颗粒充分吸附的染料分子N719，由此组成光阳极；光阳极外缠绕碳纳米管纤维作为对电极，两电极置于柔性透明塑料管中，柔性透明塑料管中注有以I
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作为氧化还原电对的电解液；所述纤维染料敏化太阳能电池在室内光环境中光电转换效率超过20%的纤维染料敏化太阳能电池。2.根据权利要求1所述的纤维染料敏化太阳能电池，其特征在于，所述钛丝直径为0.1mm~1mm。3.根据权利要求1所述的纤维染料敏化太阳能电池，其特征在于，所述二氧化钛纳米管的长度为10μm~40μm，外径为120nm~360nm，内径为80nm~300nm，管壁厚为10nm~60nm。4.根据权利要求1所述的纤维染料敏化太阳能电池，其特征在于，所述二氧化钛纳米颗粒粒径为5nm~60nm，二氧化钛纳米颗粒负载的线密度为4mg/m~20mg/m。5.根据权利要求1所述的纤维染料敏化太阳能电池，其特征在于，所述碳纳米管纤维直径为20μm~500μm，碳纳米管外径为5nm~30nm。6.根据权利要求1所述的纤维染料敏化太阳能电池，其特征在于，所述柔性透明塑料管材料为聚乙烯或乙烯与其他单体的共聚物、聚四氟乙烯、氟化乙烯丙烯共聚物、聚碳酸酯中的一种，塑料管内径为0.4mm~2mm，管壁厚为0.2mm~1mm。7.根据权利要求1所述的纤维染料敏化太阳能电池，其特征在于，所述光阳极外缠绕碳纳米管纤维碳，缠绕螺距大于2mm。8.根据权利要求1所述的纤维染料敏化太阳能电池，其特征在于，所述电解液包括碘、碘化锂、1,2
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二甲基
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丙基碘化咪唑鎓和4
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叔丁基吡啶和溶剂，所述溶剂为乙腈、丙腈、丁腈、戊腈、戊二腈、3
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甲氧基丙腈中的一种或几种混合；碘的浓度为0.002M~0.02M，碘化锂的浓度为0.02M~0.5M，1,2
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二甲基
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丙基碘化咪唑鎓的浓度为0.1M~1M，4
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叔丁基吡啶的浓...

【专利技术属性】
技术研发人员：彭慧胜，翟伟杰，陈培宁，孙雪梅，王兵杰，
申请(专利权)人：珠海复旦创新研究院，
类型：发明
国别省市：