本发明专利技术公开了一种激光选择性烧结制备柔性染料敏化太阳电池的光阳极的方法及装置。方法采用波长为３５５ｎｍ～３．４μｍ的激光束作用于纳米半导体颗粒多孔膜，使纳米半导体颗粒多孔膜中的纳米半导体颗粒之间以及纳米半导体颗粒与导电膜之间由物理点接触转化为颈型化学连接；激光的功率密度为１－１００瓦／ｃｍ２，扫描速度为１－９００ｍｍ／ｓ。该装置包括依次位于同一光路上的激光器、均分镜、扩束准直镜、光阑、导光镜和聚焦镜，光阑为活动安装，可以根据激光聚焦光斑的要求进行替换，均分镜为整形镜或积分镜。本发明专利技术可对柔性染料敏化太阳电池的纳米半导体颗粒多孔膜进行高温烧结热处理但不会对光阳极的柔性塑料基板造成任何损伤。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于太阳电池
，具体涉及到一种激光选择性烧结柔性太阳电池 光阳极的方法及装置，主要用于激光选择性烧结塑料基板柔性染料敏化太阳电池的纳米 颗粒膜。
技术介绍
柔性染料敏化太阳电池主要技术在于将高性能的染料与高比表面积的纳米晶薄 膜有机地结合，纳米晶薄膜的多孔性使得它的总表面积远大于其几何面积，可以吸附大 量的染料，从而可有效吸收太阳光，并转换成电能。柔性染料敏化太阳电池的结构如图1 所示，是由柔性塑料基板1、氧化物导电薄膜2、电解质3、染料4和纳米半导体多孔膜6 构成，其中，纳米半导体多孔膜6由纳米半导体颗粒5物理点接触而成(见图2所示)。由 于使用透明导电柔性塑料基板，不但大大减轻了电池重量，也降低了电池的制作成本， 其简单的制作工艺和极其低廉的成本(预计只有晶体硅太阳电池成本的1/10到1/5)和接 近产业化的效率而成为目前研究的热点。而且因其可弯曲变形，便于电池的卷轴式连续 制造工艺，大大拓展了柔性染料敏化太阳电池的应用范围，增加了新用途。特别是现代 社会对便携式电子设备需求急剧增多，如可穿戴电子产品、电子纸、灵敏标签、笔记本 电脑和手机等，也需要这种可变形、体积小和重量轻的柔性太阳电池来补充电能。在柔性染料敏化太阳电池的制备中，由柔性塑料基板1、导电薄膜2和纳米半导 体多孔膜6构成光阳极10的制备是柔性染料敏化太阳电池的关键步骤，要求沉积在导电 塑料基板(包括柔性塑料基板1和导电薄膜2)上的纳米半导体多孔膜6 (厚度约1-30 μ m) 必须在450-550°C左右进行高温烧结热处理，去除纳米半导体薄膜中的残余有机物并使纳 米半导体颗粒5之间以及纳米半导体颗粒5与导电薄膜2之间由物理点接触7 (见图3所 示)转变成颈型化学连接8 (见图4所示)，获得与导电膜之间的良好附着力，减小电子在 纳米半导体颗粒之间的传输以及由半导体颗粒膜向导电膜传输的阻力，改善纳米半导体 颗粒5之间以及纳米半导体颗粒5与导电薄膜2之间的电学连续性、从而提高电子在半导 体导带中的扩散系数和电子收集效率，从而改善染料敏化太阳电池的光电转换效率。用于制备柔性染料敏化太阳电池的塑料基板1通常是透明材料。目前常用的主 要有聚酯(PET和PEN)，它们的热稳定最高温度约为150°C，无法满足纳米薄膜450°C以 上高温烧结热处理的要求。因而目前制备透明导电柔性塑料基板的光阳极10的方法只能 在低温条件下进行。常用的制备方法有加压法、水热法、低温烧结法、紫外光(UV) 辐照法、化学气相沉积(CVD)处理和微波加热法等方法。以上这些方法虽然可以使柔性 染料敏化太阳电池的电子在半导体纳米材料颗粒之间的扩散过程和染料敏化太阳电池的 效率得到一定的改善，但仍然未达到纳米半导体颗粒5之间以及纳米半导体颗粒5与导电 薄膜2之间形成颈型化学连接的理想效果，而且还存在着工艺较复杂，加热时间长使生 产效率低，难以大规模生产等问题。因此，研究如何能使纳米半导体多孔膜6在450°C以上进行高温烧结热处理的同时又不破坏支撑半导体多孔膜6的柔性塑料基板1是柔性染料敏化太阳电池制备、发展和 应用的关键技术之一。
技术实现思路
为了解决上述问题，本专利技术提供了一种激光选择性烧结制备塑料基板柔性染料 敏化太阳电池光阳极的方法，该方法可对柔性染料敏化太阳电池的半导体多孔膜进行高 温烧结热处理而不会对光阳极的柔性塑料基板造成任何损伤；本专利技术还提供了实现该方 法的装置。本专利技术提供的一种激光选择性烧结制备柔性太阳电池光阳极的方法，其特征在 于，该方法采用波长为355nm 3.4 μ m的激光束作用于纳米半导体颗粒多孔膜，使纳米 半导体颗粒多孔膜中的纳米半导体颗粒之间以及纳米半导体颗粒与导电膜之间由物理点 接触转化为颈型化学连接；激光的功率密度为1-100瓦/cm2，扫描速度为l-900mm/S。实现上述方法的装置，其特征在于，该装置包括依次位于同一光路上的激光 器、均分镜、扩束准直镜、光阑、导光镜和聚焦镜，光阑为活动安装，能够根据激光聚 焦光斑的要求进行替换，均分镜为整形镜或积分镜。本专利技术提供的一种激光选择性烧结柔性染料敏化太阳电池的纳米半导体颗粒多 孔膜的方法，该方法利用激光可选择性以及快速加热和冷却特点，对柔性染料敏化太阳 电池的纳米半导体颗粒多孔膜进行烧结而又不损伤光阳极的柔性塑料基板，从而可解决 以上瓶颈问题。其基本原理是利用激光单色性的特点和纳米半导体颗粒多孔膜(如Ti02、 NiO或其它ρ型纳米颗粒材料)、柔性塑料基板(如PEN或PET)以及导电薄膜(如 ITO、FTO或AZO)对某段波长的激光具有不同吸收和透射率特性，使激光大部分能量只 被纳米半导体颗粒吸收而不被柔性塑料基板和导电薄膜吸收，通过精确控制激光功率密 度、作用时间和作用方式使纳米半导体颗粒在极短的时间内(微纳秒时间)被迅速加热到 450 600C°左右，实现纳米半导体颗粒之间颈型化学连接以及纳米半导体颗粒与导电 薄膜之间产生良好附着力，从而提高电子在纳米半导体材料导带中的扩散系数和染料敏 化太阳电池的效率。由于激光仅与纳米半导体颗粒产生作用，而且作用时间极短(可在 微纳秒时间内完成)以及柔性塑料基板和导电薄膜对激光具有较高的透射性，因此，激 光对纳米半导体颗粒450C°以上高温烧结热处理时，柔性塑料基板的温度依然保持在室 温范围左右，从而达到既满足纳米半导体颗粒多孔膜高温烧结的需求，又不会损伤柔性 塑料基板的要求。同时，通过光学系统设计，对激光光束进行扩束准直和整形以及选形 聚焦，使激光光束形成所需要的光斑尺寸以及在光斑尺寸内的能量密度分布均勻化，并 与纳米半导体膜的尺寸相匹配，可保证在激光高速烧结纳米半导体膜的同时，烧结质量 的稳定性和一致性，以突破目前柔性染料敏化太阳电池制备工艺所遇到的瓶颈障碍。综 上所述，激光选择性烧结柔性塑料基板染料敏化太阳电池的纳米半导体颗粒多孔膜技术 具有如下优点(1)在一定温度范围内，可实现任意温度烧结纳米半导体颗粒多孔膜而不损坏导 电薄膜和柔性塑料基板；(2)极短的激光烧结时间可实现快速激光扫描烧结纳米半导体颗粒多孔膜，大大 提高纳米半导体颗粒多孔膜烧结效率，实现印刷制备纳米结构光阳极方式的高效大规模生产；(3)通过光学系统调制，可实现所需要的激光光斑尺寸和均勻的能量密度分部， 在通过激光束烧结过程中，确保一定宽度尺寸和厚度的纳米半导体颗粒膜在迅速通过激 光束时，能达到所需要的烧结效果的一致性和稳定性。附图说明图1柔性染料敏化太阳电池结构示意图；图2柔性染料敏化太阳电池中光阳极结构示意图；图3柔性染料敏化太阳电池中光阳极的纳米半导体颗粒之间以及纳米半导体颗 粒与导电膜之间物理点接触示意图；图4柔性染料敏化太阳电池中纳米半导体颗粒之间以及纳米半导体颗粒与导电 膜之间颈型化学连接示意图；图5为实施本专利技术方法的一种装置具体实施例的结构示意图。图6为实施本专利技术方法的另一种装置具体实施例的结构示意图。具体实施例方式本专利技术方法采用波长为355nm 3.4 μ m的激光束在基材上进行扫描，激光束穿 过柔性塑料基板和导电薄膜作用于纳米半导体颗粒多孔膜或直接照射纳米半导体颗粒多 孔膜，使纳米半导体颗粒多孔膜中的纳米半导体颗粒之间由物理点接触转化为颈型化学 连接本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种激光选择性烧结制备柔性太阳电池光阳极的方法，其特征在于，该方法采用波长为３５５ｎｍ～３．４μｍ的激光束作用于纳米半导体颗粒多孔膜，使纳米半导体颗粒多孔膜中的纳米半导体颗粒之间以及纳米半导体颗粒与导电膜之间由物理点接触转化为颈型化学连接；激光的功率密度为１－１００瓦／ｃｍ↑［２］，扫描速度为１－９００ｍｍ／ｓ。
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：段军，程一兵，曾晓雁，王鸣魁，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：83
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