[發(fā)明專利]染料敏化太陽能電池工作電極及其制備方法

無效

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• 申請日: 2010-02-09
• 公開（公告）號: CN101872681A
• 公開（公告）日: 2010-10-27
• 發(fā)明（設計）人: 祝名偉;陳延峰;葛海雄;袁長勝;盧明輝
• 申請（專利權）人: 南京大學
• 主分類號: H01G9/04
• 分類號: H01G9/04;H01G9/20;H01M14/00;H01L51/44;H01L51/48
• 代理公司: 南京蘇高專利商標事務所(普通合伙) 32204
• 代理人: 柏尚春

技術領域

本發(fā)明涉及染料敏化太陽能電池領域，具體地說是染料敏化太陽能電池工作電極及其制備方法。

背景技術

自從1991年瑞士科學家等人發(fā)明低成本的染料敏化納米晶太陽能電池(即電池)以來，染料敏化太陽能電池得以快速發(fā)展。染料敏化太陽能電池的優(yōu)點在于廉價的成本和簡單的工藝及穩(wěn)定的性能。其制作成本僅為硅太陽電池的1/5～1/10，并且環(huán)保。然而，光電效率相對較低是其一大弱點，目前染料敏化太陽能電池仍然沒有達到商業(yè)應用的要求。

染料敏化太陽能電池主要由工作電極、電解質(zhì)和對電極三部分組成。其工作原理為：染料分子吸收太陽光能躍遷到激發(fā)態(tài)，激發(fā)態(tài)不穩(wěn)定，電子快速注入到緊鄰的半導體的導帶，染料中失去的電子很快從電解質(zhì)中得到補償，進入半導體導帶中的電于最終進入導電膜，然后通過外回路產(chǎn)生光電流。在這些光電轉(zhuǎn)換、輸運環(huán)節(jié)中，電子的收集與輸運是決定染料敏化太陽能電池效率的重要環(huán)節(jié)。目前效率最高的染料敏化太陽能電池的工作電極都采用吸附染料的納米晶半導體，其主要優(yōu)點是很大的比表面積可以極大提高染料的吸附量，使得光子與電子間的轉(zhuǎn)化量顯著提高，從而提高電池的效率。然而，納米晶提高比表面積的同時，也帶來負面作用。主要表現(xiàn)為，由于晶界等的散射作用及勢壘，電子在其中輸運能力下降，電子在納米晶工作電極中的擴散距離很短(小于光的穿透深度)，從而有大量電子在未到達外電極前被復合湮滅，這極大限制了染料敏化太陽能電池效率的進一步提高。因此，需要新的結構設計及可行的制備方法解決這些問題。

發(fā)明內(nèi)容

發(fā)明目的：為解決現(xiàn)有技術的問題和不足，本發(fā)明的目的是提供一種染料敏化太陽能電池工作電極，該工作電極通過在半導體納米晶層中埋入導電微米線或納米線提高電子的捕獲、收集和傳輸效率，從而提高太陽能電池的效率等性能指標。本發(fā)明的另一目的是提供該工作電極的制備方法。

技術方案：本發(fā)明所述的染料敏化太陽能電池工作電極，包括導電基底、半導體納米晶薄層I、導電微米線或納米線和半導體納米晶薄層II；其中導電微米線或納米線平行于導電基底并埋入半導體納米晶薄層I和半導體納米晶薄層II之間，導電微米線或納米線直徑為30nm～10μm，其一端或兩端附著在導電基底上，且相互之間距離為500nm～100μm。

所述半導體納米晶薄層I的材料為TiO₂、ZnO、SnO、Zr氧化物、Sr氧化物、In氧化物、Ga氧化物、Al氧化物、Y氧化物、W氧化物、V氧化物、Mo氧化物、Sc氧化物、Sm氧化物、Mg氧化物、Nb氧化物、La氧化物中的任意一個或幾個的組合。

所述半導體納米晶薄層II的材料為TiO₂、ZnO、SnO、Zr氧化物、Sr氧化物、In氧化物、Ga氧化物、Al氧化物、Y氧化物、W氧化物、V氧化物、Mo氧化物、Sc氧化物、Sm氧化物、Mg氧化物、Nb氧化物、La氧化物中的任意一個或幾個的組合。

所述半導體納米晶薄層I和半導體納米晶薄層II可以是同一種材料，也可以是不同材料。

所述導電微米線或納米線的材料為金屬、半導體或?qū)щ娋酆衔铩?/p>

本發(fā)明所述的染料敏化太陽能電池工作電極的制備方法，包括以下步驟：

A、在導電基底表面涂覆一層厚度為500nm～50μm的半導體納米晶薄層I；

B、在半導體納米晶薄層表面通過光刻結合濺射、印刷、直寫等方法或其任意組合制備導電微米線或納米線；

C、在表面制備導電微米線或納米線的半導體納米晶薄層I表面制備厚度為500nm～50μm的半導體納米晶薄層II。

所述步驟A和C中，涂覆的方式為絲網(wǎng)印刷、旋涂、刮涂、噴涂等涂膜方式中的任意一種或幾種的組合。

所述步驟B中，制備導電微米線或納米線的方法有光刻結合濺射、印刷、直寫等方法中的任意一種或幾種的組合。

本發(fā)明的原理是：對于染料敏化太陽能電池，半導體納米晶的主要功能是負載染料及捕獲和輸運電子，但電子在半導體納米晶中的傳輸距離短，大量電子并沒有到達外電極。因此，本發(fā)明針對電子輸運這一環(huán)節(jié)，基于如何在電子湮滅之前將電子導出，提高電子的輸出效率和輸出量的思想，提出了在染料敏化太陽能電池的工作電極中增加起捕獲、收集和傳輸電子的導電微米線或納米線。

有益效果：本發(fā)明與現(xiàn)有技術相比，可提高電子的收集與輸運效率，提高染料敏化太陽能電池的短路電流與效率，突破電子擴散距離對工作電極厚度的限制，增大染料敏化太陽能電池單位面積的功率，可制備適合于強光的染料敏化太陽能電池；設計可行性高，便于實施。

附圖說明