丝网印刷制备染料敏化太阳能电池

所属分类：经济论文阅读次时间：2021-07-16 10:10

本文摘要：摘要染料敏化太阳能电池(DSSC)是太阳能电池研究的热点领域之一，使用丝网印刷技术制备以纳米晶多孔TiO2薄膜为光阳极的DSSC具有低成本、简单的制备工艺和高的光电转换效率(PCE)的特点，这类太阳能电池受到人们广泛关注。为了提高这类太阳能电池的光电转换效率

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　　摘要染料敏化太阳能电池(DSSC)是太阳能电池研究的热点领域之一，使用丝网印刷技术制备以纳米晶多孔TiO2薄膜为光阳极的DSSC具有低成本、简单的制备工艺和高的光电转换效率(PCE)的特点，这类太阳能电池受到人们广泛关注。为了提高这类太阳能电池的光电转换效率，通过采用不同网目相同印刷胶体制备了太阳能电池的光阳极优化印刷工艺十分重要，采用不同网目的方法研究印刷工艺对太阳能电池光伏性能的影响是十分有效的。用溶胶-凝胶法制备了TiO2胶体，通过扫描电镜看出TiO2薄膜具有多孔结构，其高比表面积有利于薄膜对染料分子的吸附，也有利于提高电池对太阳光的吸收率。经过高温烧结后丝网印刷的TiO2薄膜展现了明显的锐钛矿结构较窄衍射峰，意味着TiO2颗粒已经完全晶化且粒径增加。制备目数从100增到300导致网孔直径减少而薄膜变得更加致密，使得TiO2薄膜的XRD衍射峰逐渐增强，而从300目增到400目时由于网孔过小导致TiO2胶体通过网孔数量变小使得衍射峰强度下降。用不同网目印刷了单层TiO2光阳极研究DSSCs光伏性能的变化情况，发现制备目数是200目和300目印刷太阳能电池的性能较好，而400网目印刷太阳能电池的性能最差，这与XRD观察的结果一致。再分别采用网目为100目、200目、300目和400目的印网将胶体印刷成了多层TiO2薄膜，以此为基础组装DSSC。实验结果表明：通过不同组合网目的丝网印刷制备TiO2薄膜，组装后的染料敏化太阳能电池的光电转换效率得到了显著提升，其中以300目+200目+100目三层叠印时得到的优化光阳极的最高电池效率达到6.9%。以丝网印刷的方法制备电极不需要进行任何化学处理，在较高网目制备底层的情况下印刷的薄膜均匀牢固，且电池制备的步骤简单、重复性好，能量转换效率较高。

　　关键词丝网印刷;不同网目;多孔TiO2薄膜

太阳能电池

　　引言太阳能是取之不尽的清洁能源，它的利用是解决能源危机的重要手段之一。众多太阳能电池中以纳米晶多孔TiO2薄膜作为电极的染料敏化太阳能电池(DSSC)有巨大的应用前景，DSSC以转换效率高、成本低、工艺简单等优点受到广泛关注[1-4]。1991年，以Grtzel研究组最先采用丝网印刷技术制备了以纳米晶多孔TiO2薄膜为光阳极的DSSC，光电转换效率有了很大的提高[5-7]。

　　制备TiO2为光电极的方法有溶胶-凝胶法、电沉积法、化学沉淀法等，这些方法具有缺点：制备效率低，过程复杂、成本高等[8-10]。因此对光电极进行深入研究和优化十分必要。解东梅等采用胶体印刷技术在同网目不同层数的条件下制备DSSC的光电极[11]。陈增等发现乙基纤维素粘稠剂的使用对TiO2薄膜表面粗糙度的影响较大，能影响电池的光电转换效率[12]。本研究采用印刷胶体在不同网目下印刷了TiO2光电极，探讨网目参数对DSSC光电性能的影响。

　　1实验部分

　　1.1胶体的制备

　　称1.2g的TiO2粉末(德国Degussa公司生产)置于烧杯中，再加入一定量正丁醇(分析纯)，磁力搅拌研磨30min至TiO2与正丁醇融合;取一定量正丁醇放入另一烧杯，再加入0.6g乙基纤维素(化学纯)，搅拌并加热至完全溶解。在烧杯中加入一定量正丁醇，称取一定量聚乙二醇加入其中，充分搅拌至聚乙二醇完全溶解后加到溶有TiO2的烧杯中搅拌30min;再加入一定量松油醇搅拌24h之后密封保存。

　　1.2光阳极制备先清洗FTO：用清洗剂清洗表面，再分别用清洗剂和无水乙醇超声10min，用去离子水超声两次，每次10min，用氮气吹干。用丝网印刷技术将胶体印刷到FTO上，丝网性能：丝网和刷子材质分别为聚酯和塑料，面积20cm×50cm，目数：100，200，300和400;丝网与FTO距离3mm，印刷角度45°;将FTO干燥30min，然后在马弗炉中450℃煅烧30min;重复上述步骤进行多层叠印，制备TiO2薄膜电极。

　　1.3对电极的制备用清洗好的FTO做基材，固定两边，用玻璃棒在FTO(氟掺杂二氧化锡)上均匀涂布金属铂(Pt)浆料，干燥箱中干燥30min，然后在马弗炉中385℃高温下煅烧30min，然后降至室温，即制得了染料敏化电池的对电极。

　　1.4电池的组装将制备好的TiO2薄膜60℃干燥30min，将其浸泡在0.3mmol·L-1的N719乙醇中24h。将光阳极取出放到乙醇中清洗表面，快速吹干得到染料敏化的电极。光阳极上滴入碘化锂扣向对电极组成DSSC。

　　1.5染料敏化太阳能电池性能参数及表征评价太阳能电池性能有四个参数：开路电压(Voc)，短路电流密度(Jsc)，填充因子(FF)和光电转换效率(PCE)。光阳极表面和结构分别采用扫描电子电镜(SEM)和X射线衍射谱(XRD)表征。

　　2结果与讨论

　　2.1二氧化钛薄膜的形貌

　　2.2二氧化钛薄膜的结构

　　丝网印刷的TiO2薄膜经过高温烧结后出现了明显的锐钛矿结构的衍射峰，表明TiO2颗粒完全晶化。当制备的目数从100目增到300目，XRD衍射峰增强，当400目时，衍射峰下降。这是由于随着目数增加，网孔直径减小，薄膜变的致密，因此衍射峰增强;增至400目时，由于网孔过小，通过网孔的TiO2胶体减少，厚度减小，衍射峰强度下降。

　　2.3不同网目印刷对光电性能的影响

　　通过不同网目相同印刷胶体制备了DSSC的光阳极来研究印刷工艺对器件性能的影响。从不同网目印刷单层TiO2光阳极组装得到的电池性能，可以看出200目和300目的电池性能较好，而400网目电池的性能最差。

　　300网目的电池具有最大的短路电流，说明薄膜对太阳光的利用效率最高;200目电池的具有较高的开路电压。从中可以看出利用高网目打底层组装DSSC的光电转换效率明显提高，其中当目数为300+200目时器件的效率达到了4.1%。结果表明当印刷顺序为300+200+100目时电池的太阳能利用率最佳，PCE达到了6.91%。

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　　3结论

　　采用不同网目100目、200目、300目和400目的印网进行不同组合印刷制备多层TiO2光阳极薄膜，并组装成DSSC。实验表明：通过不同组合网目的丝网印刷，DSSC的PCE提高明显，以印刷顺序为300目+200目+100目时得到光阳极的DSSC的光电转换效率最高，达到6.9%。

　　References

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　　[5]BrainO’Regan，MichaelGrtzel.Nature，1991，353(24)：737.

　　[6]PengWang，ShaikMZakeeruddin，JacquesEMoser，etal.NatureMaterials，2003，2：402.

　　[7]WeiweiZhang，YongzhenWu，HeeWonBahng.EnergyEnviron.Sci.，2018，11：1779.

　　作者：张翱1，张春梅1，吴魏霞1，王端阳2，姚松业1，孟涛