[發明專利]染料敏化納米晶太陽電池光陽極薄膜的制造方法

有效

• 申請號: 200710017979.3
• 申請日: 2007-06-04
• 公開（公告）號: CN101071829A
• 公開（公告）日: 2007-11-14
• 發明（設計）人: 李長久;范圣強;楊冠軍
• 申請（專利權）人: 西安交通大學
• 主分類號: H01L31/18
• 分類號: H01L31/18;H01L51/48;H01L21/28;H01G9/20;H01G9/04;H01M14/00;H01M4/04
• 代理公司: 西安通大專利代理有限責任公司
• 代理人: 李鄭建

技術領域

本發明屬于太陽電池領域尤其是染料敏化太陽電池技術領域，具體涉及一種染料敏化納米晶太陽電池光陽極薄膜的制造方法。

背景技術

太陽電池能夠直接將太陽能轉化成電能，是太陽能的主要利用形式之一。目前所研究的太陽電池主要包括：硅太陽電池、化合物半導體電池、聚合物膜太陽電池和染料敏化納米晶太陽電池。自1991年等在Nature上報道了染料敏化納米晶太陽電池(dye-sensitized?solar?cell，DSC)的太陽能轉化效率>7％以來，DSC便受到了廣泛的關注。迄今，DSC的能量轉化效率已經超過了11％。

DSC是由光陽極、對電極和電解質組成的。在導電玻璃基底上沉積的多孔TiO₂膜吸附染料后構成光陽極。考慮到光電轉化效率是由染料采光效率、電子從染料向TiO₂膜的注入效率、電子在TiO₂膜中的傳遞并達到導電玻璃的收集效率、電解質離子在TiO2膜中傳遞過程所決定。因此，對TiO₂膜的具體要求是：(1)針狀或近球狀納米顆粒堆積成的多孔膜，以提供更大的表面積，增加染料的吸附密度，提高采光效率；(2)納米顆粒之間良好的連接，以增加電子在TiO₂膜中良好的傳遞性能，提高收集效率；(3)合適的孔隙率和孔徑分布，以保證染料吸附和膜內電解質傳遞。典型的TiO₂膜是由10—30nm的TiO₂顆粒堆積而成、厚度5—30μm、粗糙因子幾百至幾千、孔隙率一般50％以上、孔徑主要為5—30nm。在孔隙結構方面，從染料向薄膜內部的擴散吸附、電解質向薄膜內部的滲透擴散和電解質載流子擴散角度，希望孔道尺寸不能太小。

目前制備這種多孔納米晶TiO₂膜的常用方法是刮涂法，雖然目前為止刮涂法在實驗室獲得了最高的轉化效率，但該法的成膜機理決定了TiO₂膜與導電玻璃基底間、膜內顆粒間的結合較弱，以及膜內容易產生裂紋缺陷。而且由于表面活性劑的使用，薄膜也容易產生泡孔缺陷。為此，研究采用靜電沉積和模板沉積技術來制備均勻的多孔納米晶TiO₂膜。而制備大面積DSC時，也常采用絲網印刷技術制備TiO₂膜。

近來，申請人利用空氣動力學原理設計了真空冷噴涂系統，可以在室溫和kPa數量級的低成本低壓條件下將初級顆粒為微米或亞微米尺寸的TiO₂等陶瓷粉末在噴槍中加速后沉積在基底表面形成薄膜。

發明內容

本發明的目的是基于真空冷噴涂方法提出一種染料敏化納米晶太陽電池光陽極薄膜的制造方法，該方法所制備的薄膜不僅含有與初級顆粒尺寸相當的納米級孔隙，還含有比納米經顆粒的初級顆粒尺寸更大的孔隙，用以提供良好的染料擴散與均勻吸附性能、電解質擴散及其載流子傳遞等性能，同時考慮避免泡孔和裂紋等缺陷的產生。

本發明的整體技術思路上是通過初級顆粒間的不完全填充來構造尺寸與初級顆粒相當的納米級孔隙，通過更大尺寸的納米結構復合型粉末間的不完全填充來構造尺寸與復合型粉末相當的較大尺寸孔隙。

實現上述目的的技術方案是：

包括以下步驟：

首先將納米晶TiO₂分散在含有有機物的溶液中形成均勻漿體，然后經干燥、破碎制備成具有納米結構特征的整體尺寸成微米或亞微米量級的TiO₂復合粉末；

采用真空冷噴涂法將TiO₂粉末沉積在導電玻璃導電側表面，形成一定厚度的TiO₂薄膜；

最后對沉積在導電玻璃表面的TiO₂薄膜進行后處理，以去除復合型噴涂粉末中的有機物。

導電玻璃是無機導電玻璃或柔軟可變形的有機導電玻璃。

真空冷噴涂法是采用氣流在噴槍內將納米結構復合型TiO₂粉末的顆粒加速后在低壓室中噴涂撞擊導電玻璃基體表面形成TiO₂薄膜。

TiO₂復合粉末的尺寸為0.05μm～2μm，所述的納米晶TiO₂的原始顆粒尺寸為1nm～500nm。

有機物選自有機羧酸、聚乙二醇、聚乙烯醇、聚丙烯酰胺、聚乙烯吡咯烷酮、聚丙烯酸、聚甲基丙烯酸中兩種或兩種以上有機物的混合物。