絲網印刷制備染料敏化太陽能電池

　　摘要染料敏化太陽能電池(DSSC)是太陽能電池研究的熱點領域之一，使用絲網印刷技術制備以納米晶多孔TiO2薄膜為光陽極的DSSC具有低成本、簡單的制備工藝和高的光電轉換效率(PCE)的特點，這類太陽能電池受到人們廣泛關注。為了提高這類太陽能電池的光電轉換效率，通過采用不同網目相同印刷膠體制備了太陽能電池的光陽極優化印刷工藝十分重要，采用不同網目的方法研究印刷工藝對太陽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，通過掃描電鏡看出TiO2薄膜具有多孔結構，其高比表面積有利于薄膜對染料分子的吸附，也有利于提高電池對太陽光的吸收率。經過高溫燒結后絲網印刷的TiO2薄膜展現了明顯的銳鈦礦結構較窄衍射峰，意味著TiO2顆粒已經完全晶化且粒徑增加。制備目數從100增到300導致網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，而從300目增到400目時由于網孔過小導致TiO2膠體通過網孔數量變小使得衍射峰強度下降。用不同網目印刷了單層TiO2光陽極研究DSSCs光伏性能的變化情況，發現制備目數是200目和300目印刷太陽能電池的性能較好，而400網目印刷太陽能電池的性能最差，這與XRD觀察的結果一致。再分別采用網目為100目、200目、300目和400目的印網將膠體印刷成了多層TiO2薄膜，以此為基礎組裝DSSC。實驗結果表明：通過不同組合網目的絲網印刷制備TiO2薄膜，組裝后的染料敏化太陽能電池的光電轉換效率得到了顯著提升，其中以300目+200目+100目三層疊印時得到的優化光陽極的最高電池效率達到6.9%。以絲網印刷的方法制備電極不需要進行任何化學處理，在較高網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單、重復性好，能量轉換效率較高。

　　關鍵詞絲網印刷;不同網目;多孔TiO2薄膜

　　引言太陽能是取之不盡的清潔能源，它的利用是解決能源危機的重要手段之一。眾多太陽能電池中以納米晶多孔TiO2薄膜作為電極的染料敏化太陽能電池(DSSC)有巨大的應用前景，DSSC以轉換效率高、成本低、工藝簡單等優點受到廣泛關注[1-4]。1991年，以Grtzel研究組最先采用絲網印刷技術制備了以納米晶多孔TiO2薄膜為光陽極的DSSC，光電轉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、化學沉淀法等，這些方法具有缺點：制備效率低，過程復雜、成本高等[8-10]。因此對光電極進行深入研究和優化十分必要。解東梅等采用膠體印刷技術在同網目不同層數的條件下制備DSSC的光電極[11]。陳增等發現乙基纖維素粘稠劑的使用對TiO2薄膜表面粗糙度的影響較大，能影響電池的光電轉換效率[12]。本研究采用印刷膠體在不同網目下印刷了TiO2光電極，探討網目參數對DSSC光電性能的影響。

　　1實驗部分

　　1.1膠體的制備

　　稱1.2g的TiO2粉末(德國Degussa公司生產)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，充分攪拌至聚乙二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光陽極制備先清洗FTO：用清洗劑清洗表面，再分別用清洗劑和無水乙醇超聲10min，用去離子水超聲兩次，每次10min，用氮氣吹干。用絲網印刷技術將膠體印刷到FTO上，絲網性能：絲網和刷子材質分別為聚酯和塑料，面積20cm×50cm，目數：100，200，300和400;絲網與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;重復上述步驟進行多層疊印，制備TiO2薄膜電極。

　　1.3對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。光陽極上滴入碘化鋰扣向對電極組成DSSC。

　　1.5染料敏化太陽能電池性能參數及表征評價太陽能電池性能有四個參數：開路電壓(Voc)，短路電流密度(Jsc)，填充因子(FF)和光電轉換效率(PCE)。光陽極表面和結構分別采用掃描電子電鏡(SEM)和X射線衍射譜(XRD)表征。

　　2結果與討論

　　2.1二氧化鈦薄膜的形貌

　　2.2二氧化鈦薄膜的結構

　　絲網印刷的TiO2薄膜經過高溫燒結后出現了明顯的銳鈦礦結構的衍射峰，表明TiO2顆粒完全晶化。當制備的目數從100目增到300目，XRD衍射峰增強，當400目時，衍射峰下降。這是由于隨著目數增加，網孔直徑減小，薄膜變的致密，因此衍射峰增強;增至400目時，由于網孔過小，通過網孔的TiO2膠體減少，厚度減小，衍射峰強度下降。

　　2.3不同網目印刷對光電性能的影響

　　通過不同網目相同印刷膠體制備了DSSC的光陽極來研究印刷工藝對器件性能的影響。從不同網目印刷單層TiO2光陽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網目電池的性能最差。

　　300網目的電池具有最大的短路電流，說明薄膜對太陽光的利用效率最高;200目電池的具有較高的開路電壓。從中可以看出利用高網目打底層組裝DSSC的光電轉換效率明顯提高，其中當目數為300+200目時器件的效率達到了4.1%。結果表明當印刷順序為300+200+100目時電池的太陽能利用率最佳，PCE達到了6.91%。

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　　3結論

　　采用不同網目100目、200目、300目和400目的印網進行不同組合印刷制備多層TiO2光陽極薄膜，并組裝成DSSC。實驗表明：通過不同組合網目的絲網印刷，DSSC的PCE提高明顯，以印刷順序為300目+200目+100目時得到光陽極的DSSC的光電轉換效率最高，達到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2，姚松業1，孟濤

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