本發(fā)明涉及柔性染料敏化光伏器件領(lǐng)域，具體地，涉及一種纖維染料敏化的光陽極、制備方法、電池及光伏器件。

背景技術(shù)：

為了促進未來社會的可持續(xù)發(fā)展，太陽能等可再生綠色能源的研究和利用對解決環(huán)境污染和能量短缺有著重要的意義。隨著不同材料體系電池的出現(xiàn)和優(yōu)化，光伏器件的能量轉(zhuǎn)換效率逐步提高。與傳統(tǒng)的平板結(jié)構(gòu)無機材料太陽能電池相比，柔性纖維染料敏化太陽能電池因具有三維采光特性，柔性好，質(zhì)量輕，易制備和價格低廉等優(yōu)點越來越受到關(guān)注，被認為是具有巨大商業(yè)化潛質(zhì)的光伏器件。

在柔性纖維染敏光伏器件領(lǐng)域，2008年首次報道了基于金屬纖維基底的DSSCs(Dye-sensitized solar cells，染料敏化太陽能電池)，纏繞纖維電池結(jié)構(gòu)的引入突破了透明電極的限制,可以實現(xiàn)活性層的直接采光。纖維態(tài)DSSCs的研究進展很快，光電轉(zhuǎn)換效率得到大幅提高。研究中發(fā)現(xiàn)納米晶活性層厚度需要達到23μm左右才會取得器件最佳的光電轉(zhuǎn)換效率，而當器件彎曲時勢必出現(xiàn)活性層的擠壓和開裂，進而導(dǎo)致器件性能衰減甚至失效。

各種復(fù)合、有序的半導(dǎo)體納米結(jié)構(gòu)材料光陽極成為近年纖維染料敏化光伏器件領(lǐng)域研究開發(fā)的熱點。比如TiO2(二氧化鈦)微米錐光陽極的引入改善了電子在光陽極的傳輸速率，進一步地提高了器件性能。但其高光電轉(zhuǎn)化效率的重復(fù)率偏低且重量偏重。

目前纖維光伏器件的制備和應(yīng)用仍面臨許多的挑戰(zhàn)，如與平板染料敏化太陽能電池相比，纖維狀電池的主要應(yīng)用難題是其較低的光電轉(zhuǎn)化效率；宏 觀器件模塊與微觀納米結(jié)構(gòu)相比尺度相差懸殊，納米材料在宏觀器件的應(yīng)用研究遇到了很多問題，例如納米效應(yīng)團聚消失或降低、納米材料與電池形變的兼容性和電池材料透光性限制等。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種纖維染料敏化的光陽極，可提高光電轉(zhuǎn)化效率。

為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供一種纖維染料敏化的光陽極，所述光陽極包括：金屬絲；二氧化鈦薄膜層，設(shè)置于所述金屬絲的表面；以及二氧化鈦多孔層，設(shè)置于所述二氧化鈦薄膜層的表面。

本發(fā)明纖維染料敏化的光陽極通過在金屬絲上設(shè)置二氧化鈦薄膜層，可抑制電子的轉(zhuǎn)移，提高光電轉(zhuǎn)化效率，同時利用銜接二氧化鈦多孔層，降低二氧化鈦多孔層的厚度，減輕重量。

本發(fā)明的另一目的是提供一種纖維染料敏化的光陽極的制備方法，所述制備方法包括：將金屬絲放入原子層沉積系統(tǒng)中，使二氧化鈦薄膜層沉積至所述金屬絲的表面；將表面沉積有二氧化鈦薄膜層的金屬絲置于二氧化鈦膠體中，形成二氧化鈦膠體層；取出后放置在加熱臺上加熱，并除去分散介質(zhì)；重復(fù)多次操作使二氧化鈦薄膜層的表面形成二氧化鈦多孔層；將表面形成有二氧化鈦多孔層、二氧化鈦薄膜層的金屬絲放入敏化劑中敏化處理。

本發(fā)明纖維染料敏化的光陽極的制備方法通過原子層沉積技術(shù)在金屬絲上制備二氧化鈦薄膜層，并進一步在二氧化鈦薄膜層上制備二氧化鈦多孔層形成光陽極，制備方法簡單，操作方便，所制得的光陽極結(jié)構(gòu)簡單，光電轉(zhuǎn)化效率高。

本發(fā)明的又一目的是提供一種太陽能電池，所述太陽能電池包括纖維染料敏化的光陽極；陰極，纏繞在所述光陽極外表面的；以及毛細管，用于容 置所述光陽極和陰極。

本發(fā)明的再一目的是提供一種光伏器件，設(shè)有上述光陽極和/或太陽能電池。

所述太陽能電池、光伏器件與上述纖維染料敏化的光陽極相對于現(xiàn)有技術(shù)所具有的優(yōu)勢相同，在此不再贅述。

本發(fā)明的其它特征和優(yōu)點將在隨后的具體實施方式部分予以詳細說明。

附圖說明

附圖是用來提供對本發(fā)明的進一步理解，并且構(gòu)成說明書的一部分，與下面的具體實施方式一起用于解釋本發(fā)明，但并不構(gòu)成對本發(fā)明的限制。在附圖中：

圖1是本發(fā)明纖維染料敏化的光陽極的結(jié)構(gòu)主視圖；

圖2是本發(fā)明太陽能電池的主視示意圖；

圖3是二氧化鈦多孔層厚度為5μm的電子掃面顯像圖；

圖4是本發(fā)明太陽能電池與傳統(tǒng)電池的電流密度-電壓曲線的對比圖；

圖5是本發(fā)明纖維染料敏化的光陽極的制備方法的流程圖。

附圖標記說明

1 金屬絲 2 二氧化鈦薄膜層

3 二氧化鈦多孔層 4 陰極

5 毛細管

具體實施方式

以下結(jié)合附圖對本發(fā)明的具體實施方式進行詳細說明。應(yīng)當理解的是，此處所描述的具體實施方式僅用于說明和解釋本發(fā)明，并不用于限制本發(fā) 明。

在本發(fā)明中，在未作相反說明的情況下，提到的方向用語，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，僅是參考附圖的方向。因此，使用的方向用語是用來說明并非用來限制本發(fā)明的保護范圍。

如圖1所示，本發(fā)明纖維染料敏化的光陽極包括：金屬絲1；二氧化鈦薄膜層2，設(shè)置于所述金屬絲1的表面；以及二氧化鈦多孔層3，設(shè)置于所述二氧化鈦薄膜層2的表面。其中，所述二氧化鈦薄膜層2為銳鈦礦型薄膜層，所述二氧化鈦薄膜層2的厚度為10-35nm。二氧化鈦多孔層3的厚度為5-10μm，在本實施例中，所述二氧化鈦多孔層3的厚度為5μm(如圖3所示)，但并不以此為限。所述金屬絲1的直徑為130-800μm；優(yōu)選地，直徑為250μm。其中，所述金屬絲可為鈦、銅、鋁、鐵、鎳、鋅等中任意一者。本發(fā)明纖維染料敏化的光陽極通過使用金屬絲纖維，提高器件的柔韌性。

本發(fā)明纖維染料敏化的光陽極通過在金屬絲上設(shè)置二氧化鈦薄膜層，可抑制電子的轉(zhuǎn)移，從而提高光電轉(zhuǎn)化效率，同時利于銜接二氧化鈦多孔層，降低二氧化鈦多孔層的厚度，減輕重量，節(jié)省材料，降低成本。

如圖2所示，本發(fā)明還提供一種太陽能電池，所述太陽能電池包括纖維染料敏化的光陽極；陰極4，纏繞在所述光陽極的外表面；以及毛細管5，用于容置所述光陽極和陰極4。

基于原子沉積技術(shù)制備的纖維染料敏化的光陽極及太陽能電池的光電轉(zhuǎn)化效率可將原來的4.02％提高到7.88％，幅度提升為96％。如圖4(圖中A部分表示本發(fā)明太陽能電池的曲線，B表示傳統(tǒng)電池的曲線)所示，本發(fā)明太陽能電池與傳統(tǒng)電池相比，在電壓相同時，電流密度明顯提高，從而可大幅度提高光電轉(zhuǎn)化效率。

此外，本發(fā)明還提供一種光伏器件，設(shè)有上述光陽極和/或太陽能電池。所述光伏器件與上述纖維染料敏化的光陽極相對于現(xiàn)有技術(shù)所具有的優(yōu)勢 相同，在此不再贅述。

如圖5所示，本發(fā)明還提供一種纖維染料敏化的光陽極的制備方法，所述制備方法包括：步驟501：將金屬絲放入原子層沉積系統(tǒng)中，使二氧化鈦薄膜層沉積至所述金屬絲的表面。步驟502：將表面沉積有二氧化鈦薄膜層的金屬絲置于二氧化鈦膠體中，形成二氧化鈦膠體層；取出后放置在加熱臺上加熱，并除去分散介質(zhì)；重復(fù)多次操作使二氧化鈦薄膜層的表面形成二氧化鈦多孔層。步驟503：將表面形成有二氧化鈦多孔層、二氧化鈦薄膜層的金屬絲放入敏化劑中敏化處理。

本發(fā)明纖維染料敏化的光陽極的制備方法還包括：將金屬絲放入第二有機試劑中進行超聲清洗，并吹干。

其中，所述金屬絲的直徑為130-800μm，優(yōu)選地，所述直徑為250μm。所述第二有機試劑包括丙酮、異丙酮以及乙醇中至少一者，一般情況下，需要上述三者分別對金屬絲進行超聲清洗，以最大程度除去所述金屬絲上的雜質(zhì)。此外，可通過氮氣將超聲清洗后的金屬絲吹干，但并不以此為限。

步驟501中：在得到二氧化鈦薄膜層后，還需要將表面沉積有二氧化鈦薄膜層的金屬絲置于馬沸爐內(nèi)，在煅燒溫度為450-500℃、煅燒時間為30min的條件下，對二氧化鈦薄膜層進行煅燒，使其由無定型二氧化鈦轉(zhuǎn)化為銳鈦礦型二氧化鈦。

其中，所述使二氧化鈦薄膜層沉積的條件包括：選取含鈦的有機金屬化合物為前驅(qū)體、水為氧化劑；且含鈦的有機金屬化合物和/或水的吸附時間為0.1-0.5s，清洗時間為6-10s，反應(yīng)腔的溫度為150-300℃。

所述含鈦的有機金屬化合物為四氯化鈦。獲得的二氧化鈦薄膜層的厚度為10-35nm。通過原子層沉積技術(shù)，實現(xiàn)材料接觸界面的優(yōu)化，得到沉積的二氧化鈦薄膜層，可抑制電子的轉(zhuǎn)移，提高光電轉(zhuǎn)化效率，同時利用銜接二氧化鈦多孔層，降低二氧化鈦多孔層的厚度，減輕重量。

其中，步驟501的具體操作可為：將所述金屬絲放入原子層沉積系統(tǒng)中，分別采用四氯化鈦作為前驅(qū)體、水作為氧化劑；四氯化鈦和水的吸附時間分別為0.l-0.5S，氮氣清洗時間為6-10S，反應(yīng)腔的溫度為150-300℃，反應(yīng)一段時間后，得到需要的致密、均一的二氧化鈦薄膜層，所述二氧化鈦薄膜層的厚度10-35nm；將表面沉積有二氧化鈦薄膜層的金屬絲放入500℃馬弗爐內(nèi)煅燒30min，使無定型二氧化鈦轉(zhuǎn)化為銳鈦礦型。

步驟502中：所述二氧化鈦膠體的制備方法包括：攪拌鈦酸正丁酯和乙酸成混合試劑，將混合試劑加入到水中，隨后加入濃硝酸并恒溫攪拌；恒溫攪拌后的混合溶液進行恒溫反應(yīng)，使用第一有機試劑進行超聲分散。

其中，所述鈦酸正丁酯、乙酸、水以及濃硝酸的體積比為6：1：30：0.25；所述恒溫攪拌的條件為：在80℃油浴中，攪拌時間為2h；所述恒溫反應(yīng)的條件包括：將恒溫攪拌后的混合溶液放置在高壓釜中，高壓釜內(nèi)溫度為180-220℃，反應(yīng)時間為8-16h。

在使用第一有機試劑超聲分散之前還包括：將恒溫反應(yīng)后的溶液冷卻，除去上層懸浮液。所述第一有機試劑可為聚乙二醇，但并不以此為限。

在得到二氧化鈦多孔層后還包括：將表面形成有二氧化鈦多孔層、二氧化鈦薄膜層的金屬絲置于馬沸爐內(nèi)，煅燒溫度為450-500℃，煅燒時間為30min的條件下，對二氧化鈦薄膜多孔層進行煅燒。

經(jīng)過上述步驟制備的所述二氧化鈦薄膜多孔層的厚度為5-10μm，厚度減小，可減輕器件的重量，減少使用材料，降低生產(chǎn)成本。以5μm為例，相對于傳統(tǒng)的纖維電池所需的23μm左右的多孔層，所用材料減少了76％，大大降低了器件重量和生產(chǎn)成本。其中，所述在加熱臺上加熱的條件包括：加熱溫度為360℃，加熱時間為2-10min。

其中，步驟502的具體操作可為：分別量取12.0ml的鈦酸正丁酯和2.0ml乙酸，利用磁力攪拌器混合均勻得到混合試劑；然后以400n/min的攪拌 速度攪拌并緩慢加入到60.0ml的水中，隨后加入0.5ml濃硝酸；將該體系放置在80℃油浴中恒溫攪拌2小時；之后放入高壓釜中，在180-220℃下恒溫反應(yīng)8-16h；冷卻取出后除去上層懸浮液，加入1.2g聚乙二醇并超聲分散；持續(xù)攪拌下保存膠體防止團聚，得到二氧化鈦膠體。將表面沉積有二氧化鈦薄膜層的鈦絲放入二氧化鈦膠體中，形成二氧化鈦膠體層。將表面形成有二氧化鈦膠體層、二氧化鈦薄膜層的金屬取出后放在360℃加熱臺上加熱2-10min，并除去分散介質(zhì)；再放入二氧化鈦膠體中，如此反復(fù)多次至獲得所需的二氧化鈦多孔層，所述二氧化鈦多孔層的厚度為5-10μm。一般情況下，還需將將表面形成有二氧化鈦多孔層、二氧化鈦薄膜層的金屬絲置于500℃的馬沸爐內(nèi)，煅燒30min。

步驟503中：在敏化處理之后還包括：使用第三有機試劑進行沖洗，并進行干燥處理。

所述第三有機試劑可為乙醇。其中，敏化處理的時間為2-48h，所述敏化劑為N719乙醇溶液，濃度為0.2×10^-3mol/L至0.5×10^-3mol/L。

通過上述步驟可獲得纖維染料敏化的光陽極，該光陽極結(jié)構(gòu)簡單，光電轉(zhuǎn)化效率高。本發(fā)明纖維染料敏化的光陽極的制備方法通過原子層沉積技術(shù)在金屬絲上制備二氧化鈦薄膜層，并進一步在二氧化鈦薄膜層上制備二氧化鈦多孔層得到光陽極，制備方法簡單，操作方便，成品率高，生產(chǎn)成本低。

下面以具體實施例詳細介紹本發(fā)明纖維染料敏化的光陽極的制備方法的流程。

實施例一：

(1)鈦絲的預(yù)處理：將250微米直徑的鈦絲先后放置于丙酮、異丙醇、乙醇中分別超聲30min清洗，然后氮氣吹干獲得鈦絲基底。

(2)二氧化鈦薄膜層的制備：將上述預(yù)處理的鈦絲基底放入原子層沉積系統(tǒng)，分別采用四氯化鈦作為前驅(qū)體、水作為氧化劑，且四氯化鈦和水的 吸附時間分別為0.1S，氮氣清洗時間為6S，反應(yīng)腔的溫度為150℃。反應(yīng)一段時間后，可得到需要的致密、均一的二氧化鈦薄膜層，所述二氧化鈦薄膜層的厚度10nm。將表面貼覆有二氧化鈦薄膜層的鈦絲基底放入500℃馬弗爐內(nèi)煅燒30min，使無定型二氧化鈦薄膜層轉(zhuǎn)化為銳鈦礦型薄膜層。

(3)二氧化鈦膠體的配制：分別量取12.0ml的鈦酸正丁酯和2.0ml乙酸，利用磁力攪拌器混合均勻得到混合試劑；然后在劇烈攪拌下(例如400n/min)緩慢加入到60.0ml的水中，隨后加入0.5ml濃硝酸；將該體系放置在80℃油浴中恒溫攪拌2小時；之后放入高壓釜中，在180℃下恒溫反應(yīng)12h；冷卻取出后除去上層懸浮液，加入1.2g聚乙二醇并超聲分散。持續(xù)攪拌下保存膠體防止團聚。

(4)二氧化鈦多孔層的制備：將步驟(2)中獲得的表面形成有二氧化鈦薄膜層的鈦絲基底放入二氧化鈦膠體中，在二氧化鈦薄膜層的表面形成二氧化鈦膠體層，取出放在360℃熱臺上加熱2min，除去分散介質(zhì)；再放入膠體中，如此反復(fù)多次至獲得二氧化鈦多孔層，所述二氧化鈦多孔層的厚度約5μm(如圖3所示)；并將帶有二氧化鈦多孔層、二氧化鈦薄膜層的鈦絲基底放入500℃馬沸爐中燒結(jié)30min。

(5)光陽極的制備：將步驟(4)中獲得的表面形成有二氧化鈦多孔層、二氧化鈦薄膜層的鈦絲基底放入0.2×10^-3mol/L的N719乙醇溶液中敏化12小時，之后用乙醇沖洗，干燥后得到纖維染料敏化電池的光陽極。

實施例二：

(1)鈦絲的預(yù)處理：將250μm直徑的鈦絲先后放置于丙酮、異丙醇、乙醇中分別30min的超聲清洗，然后氮氣吹干。

(2)二氧化鈦薄膜層的制備：將上述預(yù)處理后的鈦絲基底放入原子層沉積系統(tǒng)，分別采用四氯化鈦作為前驅(qū)體、水作為氧化劑，且四氯化鈦和水的吸附時間分別為0.2S，氮氣清洗時間為6S，反應(yīng)腔的溫度為200℃；在 反應(yīng)一段時間后，可得到需要的致密、均一的二氧化鈦薄膜層，所述二氧化鈦薄膜層的厚度為10nm；取出后放入500℃馬弗爐內(nèi)煅燒30min，使無定型二氧化鈦轉(zhuǎn)化為銳鈦礦型。

(3)二氧化鈦膠體的配制：分別量取12.0ml的鈦酸正丁酯和2.0ml乙酸，利用磁力攪拌器混合均勻得到混合試劑；然后在劇烈攪拌下(例如400n/min)緩慢加入到60.0ml的水中，隨后加入0.5ml濃硝酸；將該體系放置在80℃油浴中恒溫攪拌2小時；之后放入高壓釜中，在200℃下恒溫反應(yīng)10h；冷卻取出后除去上層懸浮液，加入1.2g聚乙二醇并超聲分散；持續(xù)攪拌下保存膠體防止團聚。

(4)二氧化鈦多孔層的制備：將步驟(2)中制備的表面沉積有二氧化鈦薄膜層的鈦絲基底放入二氧化鈦膠體中，在二氧化鈦薄膜層的表面形成二氧化鈦膠體層，取出放在360℃熱臺上加熱3min，除去分散介質(zhì)；再放入膠體中，如此反復(fù)多次獲得所二氧化鈦多孔層，所述二氧化鈦多孔層的厚度為10μm；然后放入到將500℃馬沸爐中燒結(jié)30min。

(5)光陽極的制備：將步驟(4)中制備的表面形成有二氧化鈦多孔層、二氧化鈦薄膜層的鈦絲基底放入0.5×10^-3mol/L的N719乙醇溶液中敏化12小時，之后用乙醇沖洗，干燥后得到纖維染料敏化電池的光陽極。

本發(fā)明纖維染料敏化的光陽極的制備方法通過原子層沉積在在金屬絲基底上制備二氧化鈦薄膜層，并進一步在二氧化鈦薄膜層上制備二氧化鈦多孔層形成光陽極，制備方法簡單，操作方便，成品率高，成本低；所制得的光陽極結(jié)構(gòu)簡單、重量輕，光電轉(zhuǎn)化效率高。

以上結(jié)合附圖詳細描述了本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，但是，本發(fā)明并不限于上述實施方式中的具體細節(jié)，在本發(fā)明的技術(shù)構(gòu)思范圍內(nèi)，可以對本發(fā)明的技術(shù)方案進行多種簡單變型，這些簡單變型均屬于本發(fā)明的保護范圍。

另外需要說明的是，在上述具體實施方式中所描述的各個具體技術(shù)特 征，在不矛盾的情況下，可以通過任何合適的方式進行組合，為了避免不必要的重復(fù)，本發(fā)明對各種可能的組合方式不再另行說明。

此外，本發(fā)明的各種不同的實施方式之間也可以進行任意組合，只要其不違背本發(fā)明的思想，其同樣應(yīng)當視為本發(fā)明所公開的內(nèi)容。