[發明專利]納米晶太陽電池光陽極的制備方法

有效

• 申請號: 200910197299.3
• 申請日: 2009-10-16
• 公開（公告）號: CN101692470A
• 公開（公告）日: 2010-04-07
• 發明（設計）人: 陶俊超;陳鑫;孫艷;戴寧
• 申請（專利權）人: 中國科學院上海技術物理研究所
• 主分類號: H01L31/18
• 分類號: H01L31/18;H01L31/0224
• 代理公司: 上海新天專利代理有限公司 31213
• 代理人: 郭英

技術領域

本發明涉及太陽能電池技術，具體指一種納米晶太陽電池光陽極的制備方法。

背景技術

能源與新材料、生物技術、信息技術一起構成了文明社會的四大支柱。能源是推動社會發展和經濟進步的主要物質基礎，能源技術的每次進步都推動了人類社會的發展。隨著經濟和社會的不斷發展，煤、石油、天然氣等不可再生能源的日益枯竭，能源需求的持續增長，能源問題已經成為全人類生存與發展面臨的嚴重挑戰。發展新能源及新能源材料是解決能源危機和環境保護問題的金鑰匙，是人類進入21世紀必須解決的重大課題。太陽能具有取之不盡、用之不竭，安全可靠，無污染，不受地理環境制約等優點，愈來愈受到廣泛的重視。新近發展的納米晶太陽電池因其制作工藝簡單，原材料便宜，生產成本低，適合在非直射光、多云等弱光條件下及光線條件不足的室內應用，以及可以使用柔性基底等優點受到了科學家和工業界的青睞。然而，目前納米晶太陽電池的光電轉換效率還不足以滿足該電池大規模的商業化應用的需求。

改善納米晶太陽電池的光陽極，增強太陽光的收集效率，是提高納米晶太陽電池轉換效率和加快納米晶太陽電池實用化進程的重要途徑之一。增加光陽極的比表面積使其吸附更多的敏化功能材料，利用光散射介質增加太陽光在光陽極中的傳輸路徑，是兩種改善光陽極光收集效率的有效手段。已有報道中，采用大比表面的有序介孔材料作為光陽極，充分利用了介孔材料大的比表面積提高光收集效率，但是該電極對太陽光的散射效應基本可以忽略。也有報道采用納米微球作為納米晶太陽電池的光陽極，雖然充分利用了微球的光散射性能，但是犧牲了光陽極的比表面積和空隙率，從而不能得到理想的光電轉換特性。鑒于此，探索新方法制備一種既能吸附敏化功能材料，又能參與電子輸運，同時還能增強光散射特性的高效光陽極，對提高納米晶太陽電池的轉換效率具有較大意義。

發明內容

本發明的目的是提供一種簡單可行的制備新型高效的納米晶太陽電池光陽極的方法，解決了單一微球光陽極僅有較小比表面積的問題，克服了難以得到同時具備較大比表面積和良好光學散射特性的高效光陽極的困難。

本發明的方法是利用化學溶液法，以嵌段聚合物為模板，結合快速退火工藝和旋涂法在FTO(摻氟的氧化錫)導電玻璃上制備大表面積的介孔TiO₂厚膜。將TiO₂納米微球均勻分散在鈦前驅溶膠中，高溫熱處理后TiO₂微球分散在TiO₂膜中，并和周圍的納米顆粒緊密接觸。最終得到的納米晶太陽電池光陽極同時具有介孔材料大的比表面積和微球的良好的光散射特性。光陽極的厚度可由旋涂和快速退火工藝的次數由幾百納米至十幾個微米內控制。

本發明制備的納米晶太陽電池光陽極的方法包括如下步驟：

1.鈦前驅溶膠的制備

將1～3克的嵌段聚合物溶于15-30ml的無水乙醇中，完全溶解后滴加1.0～3.0ml的濃鹽酸和0.2～1.0ml的乙酰丙酮，攪拌30分鐘；然后邊攪拌邊滴加5～15ml鈦前驅體溶液，30分鐘后再加入0～1ml去離子水；在室溫下攪拌0.5～6小時即可得到鈦前驅溶膠。

鈦前驅體溶液為鈦酸四正丁酯或鈦酸異丙酯或鈦酸乙酯。

嵌段聚合物為三嵌段共聚物聚氧乙烯-聚氧丙烯-聚氧乙烯或兩嵌段共聚物聚苯乙烯-聚氧乙烯。

無水乙醇可用正丁醇或異丙醇替代。

2.TiO₂微球和鈦前驅復合溶膠的制備

將TiO₂納米微球加入到鈦前驅溶膠中，采用超聲波分散溶膠20-60分鐘，使得TiO₂微球充分分散均勻。其中TiO₂納米微球尺寸為200-800nm，質量分數為0.5-20％。

3.納米晶太陽電池光陽極的制備

利用旋涂法成膜，將2所得的復合驅溶膠在FTO導電玻璃上成膜，轉速為1000～3000轉/分鐘，旋涂時間為20～60秒；

成膜后，將導電玻璃上的膜在空氣氛圍中400～500℃溫度下快速退火5～30分鐘，自然冷卻至室溫；

多次重復以上旋涂和快速退火工藝步驟可獲得厚度在幾百納米至十幾個微米的TiO₂膜；最后TiO₂厚膜在400～500℃熱處理2-4小時，自然冷卻到室溫，即得可到具有大比表面積和良好光散射特性的納米晶太陽電池光陽極。

其中FTO導電玻璃為在玻璃上沉積摻氟的氧化錫導電層。

本發明利用多次旋涂和快速退火工藝可在幾百納米到十幾微米范圍內調控納米晶太陽電池光陽極的厚度。