絲網(wǎng)印刷制備染料敏化太陽(yáng)能電池

　　摘要染料敏化太陽(yáng)能電池(DSSC)是太陽(yáng)能電池研究的熱點(diǎn)領(lǐng)域之一，使用絲網(wǎng)印刷技術(shù)制備以納米晶多孔TiO2薄膜為光陽(yáng)極的DSSC具有低成本、簡(jiǎn)單的制備工藝和高的光電轉(zhuǎn)換效率(PCE)的特點(diǎn)，這類太陽(yáng)能電池受到人們廣泛關(guān)注。為了提高這類太陽(yáng)能電池的光電轉(zhuǎn)換效率，通過(guò)采用不同網(wǎng)目相同印刷膠體制備了太陽(yáng)能電池的光陽(yáng)極優(yōu)化印刷工藝十分重要，采用不同網(wǎng)目的方法研究印刷工藝對(duì)太陽(yáng)能電池光伏性能的影響是十分有效的。用溶膠-凝膠法制備了TiO2膠體，通過(guò)掃描電鏡看出TiO2薄膜具有多孔結(jié)構(gòu)，其高比表面積有利于薄膜對(duì)染料分子的吸附，也有利于提高電池對(duì)太陽(yáng)光的吸收率。經(jīng)過(guò)高溫?zé)�結(jié)后絲網(wǎng)印刷的TiO2薄膜展現(xiàn)了明顯的銳鈦礦結(jié)構(gòu)較窄衍射峰，意味著TiO2顆粒已經(jīng)完全晶化且粒徑增加。制備目數(shù)從100增到300導(dǎo)致網(wǎng)孔直徑減少而薄膜變得更加致密，使得TiO2薄膜的XRD衍射峰逐漸增強(qiáng)，而從300目增到400目時(shí)由于網(wǎng)孔過(guò)小導(dǎo)致TiO2膠體通過(guò)網(wǎng)孔數(shù)量變小使得衍射峰強(qiáng)度下降。用不同網(wǎng)目印刷了單層TiO2光陽(yáng)極研究DSSCs光伏性能的變化情況，發(fā)現(xiàn)制備目數(shù)是200目和300目印刷太陽(yáng)能電池的性能較好，而400網(wǎng)目印刷太陽(yáng)能電池的性能最差，這與XRD觀察的結(jié)果一致。再分別采用網(wǎng)目為100目、200目、300目和400目的印網(wǎng)將膠體印刷成了多層TiO2薄膜，以此為基礎(chǔ)組裝DSSC。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：通過(guò)不同組合網(wǎng)目的絲網(wǎng)印刷制備TiO2薄膜，組裝后的染料敏化太陽(yáng)能電池的光電轉(zhuǎn)換效率得到了顯著提升，其中以300目+200目+100目三層疊印時(shí)得到的優(yōu)化光陽(yáng)極的最高電池效率達(dá)到6.9%。以絲網(wǎng)印刷的方法制備電極不需要進(jìn)行任何化學(xué)處理，在較高網(wǎng)目制備底層的情況下印刷的薄膜均勻牢固，且電池制備的步驟簡(jiǎn)單、重復(fù)性好，能量轉(zhuǎn)換效率較高。

　　關(guān)鍵詞絲網(wǎng)印刷;不同網(wǎng)目;多孔TiO2薄膜

　　引言太陽(yáng)能是取之不盡的清潔能源，它的利用是解決能源危機(jī)的重要手段之一。眾多太陽(yáng)能電池中以納米晶多孔TiO2薄膜作為電極的染料敏化太陽(yáng)能電池(DSSC)有巨大的應(yīng)用前景，DSSC以轉(zhuǎn)換效率高、成本低、工藝簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)受到廣泛關(guān)注[1-4]。1991年，以Gr�|tzel研究組最先采用絲網(wǎng)印刷技術(shù)制備了以納米晶多孔TiO2薄膜為光陽(yáng)極的DSSC，光電轉(zhuǎn)換效率有了很大的提高[5-7]。

　　制備TiO2為光電極的方法有溶膠-凝膠法、電沉積法、化學(xué)沉淀法等，這些方法具有缺點(diǎn)：制備效率低，過(guò)程復(fù)雜、成本高等[8-10]。因此對(duì)光電極進(jìn)行深入研究和優(yōu)化十分必要。解東梅等采用膠體印刷技術(shù)在同網(wǎng)目不同層數(shù)的條件下制備DSSC的光電極[11]。陳增等發(fā)現(xiàn)乙基纖維素粘稠劑的使用對(duì)TiO2薄膜表面粗糙度的影響較大，能影響電池的光電轉(zhuǎn)換效率[12]。本研究采用印刷膠體在不同網(wǎng)目下印刷了TiO2光電極，探討網(wǎng)目參數(shù)對(duì)DSSC光電性能的影響。

　　1實(shí)驗(yàn)部分

　　1.1膠體的制備

　　稱1.2g的TiO2粉末(德國(guó)Degussa公司生產(chǎn))置于燒杯中，再加入一定量正丁醇(分析純)，磁力攪拌研磨30min至TiO2與正丁醇融合;取一定量正丁醇放入另一燒杯，再加入0.6g乙基纖維素(化學(xué)純)，攪拌并加熱至完全溶解。在燒杯中加入一定量正丁醇，稱取一定量聚乙二醇加入其中，充分?jǐn)嚢柚辆垡叶�醇完全溶解后加到溶有TiO2的燒杯中攪拌30min;再加入一定量松油醇攪拌24h之后密封保存。

　　1.2光陽(yáng)極制備先清洗FTO：用清洗劑清洗表面，再分別用清洗劑和無(wú)水乙醇超聲10min，用去離子水超聲兩次，每次10min，用氮?dú)獯蹈伞Ｓ媒z網(wǎng)印刷技術(shù)將膠體印刷到FTO上，絲網(wǎng)性能：絲網(wǎng)和刷子材質(zhì)分別為聚酯和塑料，面積20cm×50cm，目數(shù)：100，200，300和400;絲網(wǎng)與FTO距離3mm，印刷角度45°;將FTO干燥30min，然后在馬弗爐中450℃煅燒30min;重復(fù)上述步驟進(jìn)行多層疊印，制備TiO2薄膜電極。

　　1.3對(duì)電極的制備用清洗好的FTO做基材，固定兩邊，用玻璃棒在FTO(氟摻雜二氧化錫)上均勻涂布金屬鉑(Pt)漿料，干燥箱中干燥30min，然后在馬弗爐中385℃高溫下煅燒30min，然后降至室溫，即制得了染料敏化電池的對(duì)電極。

　　1.4電池的組裝將制備好的TiO2薄膜60℃干燥30min，將其浸泡在0.3mmol·L-1的N719乙醇中24h。將光陽(yáng)極取出放到乙醇中清洗表面，快速吹干得到染料敏化的電極。光陽(yáng)極上滴入碘化鋰扣向?qū)﹄姌O組成DSSC。

　　1.5染料敏化太陽(yáng)能電池性能參數(shù)及表征評(píng)價(jià)太陽(yáng)能電池性能有四個(gè)參數(shù)：開路電壓(Voc)，短路電流密度(Jsc)，填充因子(FF)和光電轉(zhuǎn)換效率(PCE)。光陽(yáng)極表面和結(jié)構(gòu)分別采用掃描電子電鏡(SEM)和X射線衍射譜(XRD)表征。

　　2結(jié)果與討論

　　2.1二氧化鈦薄膜的形貌

　　2.2二氧化鈦薄膜的結(jié)構(gòu)

　　絲網(wǎng)印刷的TiO2薄膜經(jīng)過(guò)高溫?zé)�結(jié)后出現(xiàn)了明顯的銳鈦礦結(jié)構(gòu)的衍射峰，表明TiO2顆粒完全晶化。當(dāng)制備的目數(shù)從100目增到300目，XRD衍射峰增強(qiáng)，當(dāng)400目時(shí)，衍射峰下降。這是由于隨著目數(shù)增加，網(wǎng)孔直徑減小，薄膜變的致密，因此衍射峰增強(qiáng);增至400目時(shí)，由于網(wǎng)孔過(guò)小，通過(guò)網(wǎng)孔的TiO2膠體減少，厚度減小，衍射峰強(qiáng)度下降。

　　2.3不同網(wǎng)目印刷對(duì)光電性能的影響

　　通過(guò)不同網(wǎng)目相同印刷膠體制備了DSSC的光陽(yáng)極來(lái)研究印刷工藝對(duì)器件性能的影響。從不同網(wǎng)目印刷單層TiO2光陽(yáng)極組裝得到的電池性能，可以看出200目和300目的電池性能較好，而400網(wǎng)目電池的性能最差。

　　300網(wǎng)目的電池具有最大的短路電流，說(shuō)明薄膜對(duì)太陽(yáng)光的利用效率最高;200目電池的具有較高的開路電壓。從中可以看出利用高網(wǎng)目打底層組裝DSSC的光電轉(zhuǎn)換效率明顯提高，其中當(dāng)目數(shù)為300+200目時(shí)器件的效率達(dá)到了4.1%。結(jié)果表明當(dāng)印刷順序?yàn)?00+200+100目時(shí)電池的太陽(yáng)能利用率最佳，PCE達(dá)到了6.91%。

　　太陽(yáng)能論文：青海地區(qū)太陽(yáng)能光熱發(fā)電前景分析

　　3結(jié)論

　　采用不同網(wǎng)目100目、200目、300目和400目的印網(wǎng)進(jìn)行不同組合印刷制備多層TiO2光陽(yáng)極薄膜，并組裝成DSSC。實(shí)驗(yàn)表明：通過(guò)不同組合網(wǎng)目的絲網(wǎng)印刷，DSSC的PCE提高明顯，以印刷順序?yàn)?00目+200目+100目時(shí)得到光陽(yáng)極的DSSC的光電轉(zhuǎn)換效率最高，達(dá)到6.9%。

　　References

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

　　作者：張翱1，張春梅1，吳魏霞1，王端陽(yáng)2，姚松業(yè)1，孟濤

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