[發明專利]固態染料敏化納米晶微晶硅復合薄膜太陽電池及其制備方法

有效

• 申請號: 201010173784.X
• 申請日: 2010-05-17
• 公開（公告）號: CN101872685A
• 公開（公告）日: 2010-10-27
• 發明（設計）人: 田漢民;田學民;王偉;楊帆;楊瑞霞;趙紅東;王立發
• 申請（專利權）人: 河北工業大學
• 主分類號: H01G9/20
• 分類號: H01G9/20;H01G9/004;H01M14/00;H01L51/42;H01L51/48
• 代理公司: 天津翰林知識產權代理事務所(普通合伙) 12210
• 代理人: 胡安朋

1.固態染料敏化納米晶微晶硅復合薄膜太陽電池，其特征在于：由透明導電基底、染料敏化納米晶多孔膜、微晶硅空穴傳輸層和背電極構成；所述透明導電基底為透明導電玻璃基底或柔性透明導電基底，染料敏化納米晶多孔膜是吸附了染料的納米晶多孔薄膜，微晶硅空穴傳輸層具備與染料相匹配的能級，背電極是鋁或銅構成的膜；所述染料敏化納米晶多孔膜被涂覆在透明導電基底上，微晶硅空穴傳輸層沉積在染料敏化納米晶多孔膜上形成固態染料敏化納米晶微晶硅復合薄膜，由鋁或銅構成的膜被鍍在固態染料敏化納米晶微晶硅復合薄膜上形成背電極。

2.根據權利要求1所述固態染料敏化納米晶微晶硅復合薄膜太陽電池，其特征在于：所述透明導電玻璃基底是摻雜氟的SnO₂透明導電玻璃基底。

3.根據權利要求1所述固態染料敏化納米晶微晶硅復合薄膜太陽電池，其特征在于：所述柔性透明導電基底是以摻雜Sn的In₂O₃為導電層的導電聚乙烯對苯二甲脂基底。

4.根據權利要求1所述固態染料敏化納米晶微晶硅復合薄膜太陽電池，其特征在于：所述染料是blackdye染料或RuL₂(NCS)₂染料。

5.根據權利要求1所述固態染料敏化納米晶微晶硅復合薄膜太陽電池，其特征在于：所述染料敏化納米晶多孔膜的厚度為1～30um，其納米晶顆粒直徑為10～100nm。

6.根據權利要求1所述固態染料敏化納米晶微晶硅復合薄膜太陽電池，其特征在于：所述染料敏化納米晶多孔膜是染料敏化TiO₂納米晶多孔膜或是染料敏化ZnO納米晶多孔膜。

7.根據權利要求1所述固態染料敏化納米晶微晶硅復合薄膜太陽電池，其特征在于：所述微晶硅空穴傳輸層的厚度為100～2000nm。

8.權利要求1所述固態染料敏化納米晶微晶硅復合薄膜太陽電池的制備方法，其特征在于：其步驟如下：

第一步，制備涂覆在透明導電基底上的染料敏化納米晶多孔膜

所制備涂覆在透明導電基底上的染料敏化納米晶多孔膜是以下兩種中的任意一種。

A.制備涂覆在透明導電基底上的染料敏化TiO₂納米晶多孔膜

A-1.涂布用TiO₂納米晶漿料的制備

以取所需量的異丙醇鈦為前驅體，按質量比為異丙醇鈦∶冰乙酸＝4.8∶1，將冰乙酸加入到攪拌中的異丙醇鈦中，室溫下攪拌5～15min后，將由此形成的混合液轉移到去離子水中，該混合液與去離子水用量的體積比為1∶10，繼續攪拌0.5～1.5h使異丙醇鈦充分水解后，再按該混合液與HNO₃用量的體積比為20∶1，加入重量百分比濃度為65％的HNO₃，然后將由此生成的懸濁液進行攪拌水浴加熱處理，在20～60min內使其自室溫均勻升溫至70～80℃，并保溫5～15min，至該液體剛好澄清形成溶膠，向該溶膠加入去離子水，該溶膠與去離子水用量的體積比為15～20∶1，取由此得到的物質200mL放入容積為300mL的高壓釜中，壓力為5～10Mpa，在210～270℃溫度范圍內熱處理12～36h，取出由此得到的含TiO₂納米晶沉淀的漿狀混合物置于另一個容器中，并按該漿狀混合物與HNO₃用量的體積比為20∶1，加入重量百分比濃度為65％的HNO₃，然后用超聲波細胞粉碎機超聲處理240min使其分散，再將由此所得漿狀懸濁液在壓力為-0.1Mpa，溫度為40℃的條件下旋轉蒸發60min，然后以轉速為12000r/min進行高速離心至干態，再用無水乙醇洗滌，重復進行一次該高速離心和用無水乙醇洗滌的操作過程，最后用去離子水洗滌一次，即獲得TiO₂納米晶半導體顆粒，將該TiO₂納米晶半導體顆粒與聚乙二醇按質量比為1～5∶1混合，按HNO₃與該TiO₂納米晶半導體顆粒的質量比為1∶5，加入重量百分比濃度為10％的HNO₃作為分散劑，同時按去離子水與該TiO₂納米晶半導體顆粒的質量比為1∶1，加入去離子水，對由此生成的混合物進行8h行星球磨混料處理后，再按Triton?X2100與該TiO₂納米晶半導體顆粒的質量比為1∶50，加入Triton?X2100乳化劑，超聲處理30min，得到涂布用TiO₂納米晶漿料；

A-2.透明導電基底的處理

所述透明導電基底是透明導電玻璃基底或柔性透明導電基底，將透明導電玻璃基底或柔性透明導電基底先用通用的清洗劑清洗干凈，再用丙酮和乙醇超聲波清洗20min，然后用去離子水沖洗，沖洗后的透明導電玻璃基底或柔性透明導電基底浸泡在無水乙醇中0.5h，隨后去取出用氮氣吹干，放入摩爾濃度為40mmol/L的TiCl₄水溶液中，在70℃水浴條件下處理30min，待用；

A-3.涂覆

用半自動涂布機將A-1步得到的涂布用TiO₂納米晶漿料涂覆在經A-2步處理后的透明導電玻璃基底或柔性透明導電基底上面，涂布濕膜厚度為80μm，涂布完畢放入63℃烘箱中烘烤60min取出，重復上述涂覆和烘烤工藝操作過程2～5次，得到干燥的涂覆了TiO₂納米晶漿料的透明導電玻璃基底或柔性透明導電基底；

A-4.熱處理

該熱處理工藝是指以下兩種熱處理工藝中的任意一種：

涂覆了TiO₂納米晶漿料的透明導電玻璃基底的熱處理步驟如下：將A-3步得到的干燥的涂覆了TiO₂納米晶漿料的透明導電玻璃基底放入馬弗爐中進行熱處理，采用多段式加熱和10℃/min的升溫速率熱處理方法，程序是：從室溫加熱至260℃并保溫5min，再加熱至375℃并保溫5min，再加熱至450℃并保溫15min，再加熱至500℃并保溫15min，得到涂覆在透明導電玻璃基底上的TiO₂納米晶多孔膜；

涂覆了TiO₂納米晶漿料的柔性透明導電基底的熱處理步驟如下：將A-3步得到的干燥的涂覆了TiO₂納米晶漿料的柔性透明導電基底放入摩爾濃度為50mmol/L的TiCl₄水溶液中，在70℃水浴條件下處理30min，然后將處理后的涂覆了TiO₂納米晶漿料的柔性透明導電基底浸入盛有丙酮、乙醇與去離子水的溶液的容器中，乙醇與丙酮與水的體積比為0.2∶1∶1，并將該容器放置于多功能振蕩器內，振蕩0.5h，然后把經振蕩清洗后的涂覆了TiO₂納米晶漿料的柔性透明導電基底放入烘箱中進行熱處理，熱處理采用2℃/min的升溫速率，多段式加熱，程序是：室溫加熱至59℃并保溫5min，再加熱至80℃并保溫30min，再加熱至105℃并保溫15min，得到涂覆在柔性透明導電基底上的TiO₂納米晶多孔膜；

A-5.吸附染料

將A-4步熱處理得到涂覆在透明導電玻璃基底或柔性透明導電基底上的TiO₂納米晶多孔膜放入摩爾濃度為40mmol/L的TiCl₄水溶液中，在70℃水浴條件下處理30min，然后在溫度500℃下燒結30min，當該涂覆在透明導電玻璃基底或柔性透明導電基底上的TiO₂納米晶多孔膜溫度降至80℃時將其浸入摩爾濃度為0.5mmol/L的blackdye染料或RuL₂(NCS)₂染料的無水乙醇溶液中，避光浸泡24h，制得涂覆在透明導電玻璃基底或柔性透明導電基底上的染料敏化TiO₂納米晶多孔膜，其厚度為1um～30um，其納米晶顆粒直徑為10nm～100nm；

B.制備涂覆在透明導電基底上的染料敏化ZnO納米晶多孔膜

B-1.涂布用ZnO納米晶漿料的制備

將等質量的摩爾濃度均為0.5mol/L的醋酸鋅溶液和碳酸鈉溶液混合，經攪拌反應1h后，過濾分離出沉淀，該沉淀先用摩爾濃度為0.1mol/L的稀氨水洗滌，再用無水乙醇洗滌三次，最后在溫度60℃下烘干，再在溫度350℃下焙燒1h，得到ZnO粉體，按1g∶6.25mL的比例，取所需量的該ZnO粉體放入相應體積的乙醇中，超聲分散制備成涂布用ZnO納米晶漿料；

B-2.透明導電基底的處理

同A-2；

B-3.涂覆

用半自動涂布機將B-1步得到的涂布用ZnO納米晶漿料涂覆在經B-2步處理后的透明導電玻璃基底或柔性透明導電基底上面，涂布濕膜厚度為80μm，晾干，得到干燥的涂覆了ZnO納米晶漿料的透明導電玻璃基底或柔性透明導電基底；

B-4.熱處理

將B-3步得到的干燥的涂覆了ZnO納米晶漿料的透明導電玻璃基底或柔性透明導電基底放入直接放入馬沸爐中于溫度350℃下焙燒1h，得到涂覆在透明導電玻璃基底或柔性透明導電基底上的ZnO納米晶多孔膜；

B-5.吸附染料

待B-4步得到的覆在透明導電玻璃基底或柔性透明導電基底上的ZnO納米晶多孔膜冷卻至80℃時，趁熱放入摩爾濃度為0.5mmol/L的blackdye染料或RuL₂(NCS)₂染料的無水乙醇溶液中，避光浸泡2h，取出用乙醇沖洗掉多余染料，制得涂覆在透明導電玻璃基底或柔性透明導電基底上的染料敏化ZnO納米晶多孔膜，其厚度為1～30um，其納米晶顆粒直徑為10～100nm；

第二步，制備固態染料敏化納米晶微晶硅復合薄膜

將第一步制得的涂覆在透明導電基底上的染料敏化納米晶多孔膜在無水乙醇中沖洗3min，然后將其取出用氮氣吹干，以此涂覆在透明導電基底上的染料敏化納米晶多孔膜為襯底，在電容渦合式等離子體化學氣相沉積系統中沉積微晶硅薄膜層，反應氣體是體積百分比為SiH₄∶BH₃∶SiH₄∶H₂＝1∶0.4∶0.4∶98.2的混合氣體，上述襯底的溫度固定為170℃，射頻功率為50～80W，沉積氣壓為50～200Pa，氣體總流量為200毫升/分鐘，沉積時間是60～150min，由此制得微晶硅固態染料敏化納米晶微晶硅復合薄膜，其中空穴傳輸層的厚度為100～2000nm，該微晶硅空穴傳輸層具備與染料相匹配的能級；

第三步，制備固態染料敏化納米晶微晶硅復合薄膜太陽電池

將由鋁或銅構成的膜鍍在第二步制得的固態染料敏化納米晶微晶硅復合薄膜上形成背電極，并最終制得固態染料敏化納米晶微晶硅復合薄膜太陽電池，方法是，采用以下兩種工藝中的任意一種：

A.磁控濺射方法

采用超真空直流磁控濺射設備進行鍍膜，濺射靶采用質量百分比純度＞99.99％的Al或Cu，以質量百分比純度為99.999％的Ar作為濺射氣體通入濺射腔內，在真空度為4.0×10^-4Pa、氬氣流量為20cm³/S、靶基距為10cm和工作電流為1A的條件下，濺射60～90min后，即在第二步制得的固態染料敏化納米晶微晶硅復合薄膜襯底上獲得鋁或銅薄膜背電極，最終制得固態染料敏化納米晶微晶硅復合薄膜太陽電池；

B.熱蒸鍍方法

在150～175V的電壓下使用電阻絲加熱真空鍍膜機，用蒸發鍍鋁或銅的方法，蒸鍍12秒，即在第二步制得的染料敏化納米晶微晶硅復合薄膜襯底上獲得鋁或銅薄膜背電極，最終制得固態染料敏化納米晶微晶硅復合薄膜太陽電池。