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本文选用不锈钢薄板、镍片、聚酯薄膜以及导电聚合物膜为基材，制作了4种新型对电极，分别检测了金属基材和塑料膜在电解质溶液中的耐腐蚀性和稳定性，测试了由这4种新型对电极构成的染料敏化纳米薄膜太阳电池的光电特性，并对使用不锈钢和导电聚合物膜对电极的染料敏化纳米薄膜太阳电池的长期性能稳定性进行了考察。
实验部分
1.镀铂对电极的制作
采用日本Tokuda公司的PMC-5000型等离子体多功能溅射仪，分别在洗净的不锈钢薄板、镍片、聚酯薄膜以及导电聚合物膜上沉积一层Pt膜，制得4种新型对电极，溅射电流20mA，溅射时间3min。为了将新型对电极与导电玻璃板对电极进行性能对比，采用相同的方法和条件在导电玻璃板上沉积一层pt膜，制成了镀铂导电玻璃对电极。
2.TiO2光阳极的制作
先用分子量为600的聚乙烯醇将纳米 TiO2粉进行分散，配制成TiO2浆料；然后，采用丝网印刷技术在导电玻璃板上分别制备了面积为0.2、1.0、2.2以及4.0cm2的纳米TiO2多孔膜。经干燥及450℃煅烧30min处理后，将TiO2膜置于0.05M TICl4溶液中，在70℃下浸泡30min，然后再经500℃煅烧30min。将经过以上处理的TiO2多孔膜浸入到5×10-4M染料N719的乙醇溶液中，在室温下放置一夜进行染料敏化处理。
3.分析测试
表面阻抗测定：采用四端子法在HL5500PCHallEffect测试系统上测定了5种基板以及用这些基板制作的对电极的表面阻抗(sheet resistance)。
3.1 基材耐腐蚀性和稳定性测试
为测定不锈钢薄板和镍片这两种金属基材在电解质溶液中的耐腐蚀性，先将它们在染料敏化纳米薄膜太阳电池专用的电解质溶液中浸泡3个月，然后用日本日立公司的Z-6100型原子吸收光谱仪测定浸泡液中的金属离子浓度。电解质溶液的组成为0.1M LiI、0.1MI2、0.6M 1，2-二甲基一3一丙基咪唑碘以及0.5M叔丁基吡啶的甲氧基丙腈溶。此外，分别将聚酯薄膜和导电聚合物膜浸泡于上述电解质溶液中，通过观察来判断这两种塑料薄膜在电解质溶液中的稳定性。
3.2 染料敏化纳米薄膜太阳电池光电性能测试
标准光源(氙灯，300W，Ushio公司，日本)，用滤光片滤去400nm以下的紫外光，Nova照度计(Ophiroptronics公司，日本)和标准电池BS-520，S/N 019，Bunkoh-KeikiCo.，Ltd.)用于调控照射到待测电池上的光强度为1000W/m2。TiO2膜光阳极与镀铂对电极之间放置一层50μｍ厚的Ｓｕｒｌｙｎ密封膜Ｔｏｐｏｎｔ公司，美国来分隔阳极和阴极，并用Ａｍｏｓｉｌ胶粘剂Ｓｏｌａｒｏ－ｎｉｘＳＡ公司，瑞士封闭电池的四周，制作成封闭电池。电解质溶液通过事先在对电极上钻的两个小孔注入到两电极之间。
结果与讨论
１．对电极的表面阻抗
染料敏化纳米薄膜太阳电池的性能是受电极表面阻抗直接影响的，特别是对于大面积电池。本研究中所有基板和用这些基板制作的镀铂对电极的表面阻抗列于表１中。可以看出，对于不锈钢和镍这两种金基板以及ＩＴＯ－ＰＥＮ导电聚合物膜，镀铂前后它们的表面阻抗变化不大。然而，由于聚酯薄膜本身是绝缘材料，镀铂后，其表面阻抗由１０１７Ω／ｃｍ２显著地下降为６０．８Ω／ｃｍ２，从而使其具有了导电性。由表１还可以看出，金属基板的表面阻抗很低，分别为ＦＩＤ导电玻璃板的１／１０４和ＴＯ－ＰＥＮ导电聚合物膜的１／105。
２．基板在耐电解质溶液中的稳定性
为了考察不锈钢薄板、镍片、聚酯薄膜以及导电聚合物膜用来制作染料敏化纳米薄膜太阳电池对电极的可行性，分别测试了不锈钢基板和镍片在电解质溶液中的耐腐蚀性以及聚酯薄膜和导电聚合物膜在电解质溶液中的稳定性，测试结果见表１（略）。不锈钢薄板在电解质溶液中浸泡３ｍｏｎ后，其主要成分Ｆｅ、Ｃｒ和Ｎｉ在浸泡液中的浓度都在所用原子吸光谱的检量限以下，这表明此不锈钢薄板在电解质溶液中具有较好的稳定性。因此可用来制作染料敏化纳米薄膜太阳电池的对电极，然而在镍片的浸泡液中测定出了一定量的镍离子。这表明镍片会缓慢溶解于电解质溶液中，经计算其失重率为０．０９２ｍｇ／ｃｍ２。在电解质溶液中浸３ｍｉｎ后，聚酯薄膜和１ＴＯ－ＰＥＮ导电聚合物膜都没有显示出任何变化，表明它们在电解质溶液中是稳定的。
３．由新型对电极构成的染料敏化纳米薄膜太阳电池的光电性能
为了考察对电极基材对由其构成的染料敏化纳米薄膜太阳电池光性能的影响，这部分工作中所使用的ＴｉＯ２膜都是采用丝网印刷技术同一批制备的，因此可以认为这些ＴｉＯ２多孔膜有着相同的微结构。表２列出了由不同基材制作的对电极与面积为０．２ｃｍ２的ＴｉＯ２膜组装成的染料敏化纳米薄膜太阳电池的光电性能参数，相应的伏安曲线见图１（略）。
由表２（略）可以看出，由不锈钢薄板、镍片和导电聚合物膜对电极构成的太阳电池的光电转换效率分别为４．８％、４．７％和４．９％，与由导电玻璃对电极构成的电池５．３％的转化率相当；这表明用不锈钢薄板、镍片和电聚合物膜作为基材来制作染料敏化纳米薄膜太阳电池的对电极是可行的，而且都具有较好的性能。由聚酯薄膜对电极构成的太阳电池的转化效率相对较低，仅为３．３％。聚酯薄膜对电极的表面阻抗比其它基板对电极的表面阻抗要高得多见表１。但聚酯薄膜的价格比其它几种基材要低得多，适应于对光电转化率要求不高的低成本太阳电池市场。因为这些新型对电极是用可弯曲的金属基材和塑料薄膜制作的，它们可用于组装可弯曲性染料敏化纳米薄膜太阳电池，从而有助于促进染料敏化纳米薄膜太阳电池的高效率且低成本的滚动生产ｒｏｌｌ ｔｏ ｒｏｌｌ ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ工艺的实现。
注：电池有效面积为０．２ｃｍ２；光照强度为１０００Ｗ／ｍ２；光电转换效率测定误差约为±０．５％。
４．金属基板与导电玻璃的对电极性能对比
鉴于金属基材具有优异的导电性能，不锈钢薄板和镍片的表面阻抗远低于导电玻璃板的表面阻抗，为了探讨金属基板对电极对不面积染料敏化纳米薄膜太阳电池性能的影响，我们分别考察了在电池面积为０．５、１．０、２．２和４．０ｃｍ２时，由不锈钢对电极和导电玻璃对电极构成的染料敏化纳米薄膜太阳电池的光电转换效率随电池面积变化的情况，如图２所示。可以看出，染料敏化纳米薄膜太阳电池的转换效率随着电池面积的增大而显著下降，然而，由不锈钢对电极构成的太阳电的下降趋势比由导电玻璃对电极构成的电池的下降趋势要缓慢些。这表明在大面积染料敏化纳米薄膜太阳电池中使用不锈钢对电极，可以通过降低电池内阻来改善电池的光电转换效率。这个实验结果同样也说明了降低电极的表面阻抗对改进大面积太阳电池的性能是十分重要的。
５．由新型对电极构成的染料敏化纳米薄膜太阳电池的长期稳定性
通过在连续照射下监测电池的伏安特性随光照时间的变化，我们考察了由不锈钢对电极和ＩＴＯ－ＰＥＮ导电聚合物对电极构成的染料敏化纳米薄膜太阳电池的性能稳定性这部分工作中所用ＴｉＯ２膜是由ＳＴ－０１米ＴｉＯ２粉调配的浆料制作的。测试时间为５５３ｈ，测试结果见图３（略）。可以看出，对于这两种对电极构成的染料敏化纳米薄膜太阳电池，它们的开路电压在考察时间内基本上没有发生明显变化，然而电池的光电转化率却随时间的延长而逐渐下降。到测试结束，由不锈钢对电极构成的池的光电转化率下降了５２％，由ＩＴＯ－ＰＥＮ对电极构成的电池下降了。相反，由导电玻璃对电极构成的参比太阳电池的性能在整个考察时间内是稳定的。由不锈钢为基材的对电极构成的染料敏化太阳电池的性能下降，是因为所使用的镀铂不锈钢对电极上只是涂覆了一层极薄的Ｐｔ膜约２ｎｍ，电解液会透过Ｐｔ膜与不锈钢基材接触，可能出现由不锈钢与金属铂再加上液体电解质而构成腐蚀电池的情况，从而影响了该电池的长期性能稳定性。因此，增加不锈钢基材表面Ｐｔ膜的厚度和致密性有利于提高由镀铂不锈钢对电极构成的染料敏化电池的长期性能稳定性。制作封闭电池困难以及铂膜在塑料基材表面附着性较差，是造成１ＴＯ－ＰＥＮ为基材的对电极构成的太阳电池性能下降的原因。可见，以塑料为基材的太阳电池的封装技术以及在塑料薄膜上沉积铂膜的工艺有待于进一步研究。
结 论
我们研究了采用金属基板和塑料薄膜为基材制作的新型对电极及其构成的染料敏化纳米薄膜太阳电池的性能。不锈钢薄板、聚酯薄膜及ＩＴＯ－ＰＥＮ导电膜在电解质溶液的浸泡中呈现出较好的稳定性，而镍片在电解质溶液中会缓慢溶解。由不锈钢、镍片以及ＩＴＯ－ＰＥＮ对电极构成的染料敏化纳米薄膜太阳电池具有较高的光电转换效率，与由传统导电玻璃对电极构成的电池的光电转化率基本相当。镀铂不锈钢对电极因优异的导电性而具有通过降低内阻来改善大面积太阳电池光电转换效率的优势。此外，要提高由不锈钢对电极和ＩＴＯ－ＰＥＮ导电聚合物对电极成的染料敏化太阳电池的长期性能稳定性，有待于在增加不锈钢基材表面Ｐｔ膜的厚度和致密性、以塑料为基材的太阳电池的封装技术以及在塑料薄膜上沉积铂膜的工艺等方面进一步研究。
文／方晓明 张正国 马婷丽
华南理工大学化工与能源学院
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