[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

技術領域

本發明的技術方案涉及專門適用于將光能轉換為電能的半導體器件，具體地說是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。

背景技術

能源問題關系到全球的可持續發展，成為制約社會發展的關鍵因素。太陽能利用是新能源領域中最具潛力的產業之一。低價高效并長期穩定的太陽電池是利用太陽能實現大規模光電轉換的基礎。

一類太陽電池是染料敏化太陽電池(Dye-sensitized?Solar?Cell，簡稱DSSC)。該類電池以硅電池十分之一的成本實現了與硅電池接近的光電轉換效率具應用前景。

1991年將高比表面積的納米多孔TiO₂膜應用于染料敏化太陽電池上，光電轉換效率到達7.1％。納米晶TiO₂多孔膜比平滑TiO₂膜面積增加了近千倍，使得只用染料單分子層就能達到足夠的光吸收。1993年，等人再次報道了光電轉換效率達10％的染料敏化太陽電池，到1997年，其光電轉換效率達到了10％～11％。97年研制的blackdye比N3染料的吸收光譜范圍向紅外區拓寬了100nm。2005年組又報道了光電轉換效率達11.04％的染料敏化太陽電池。這料敏化納米薄膜太陽電池的實驗室光電轉換效率接近商業化的非晶硅太陽電池，被業界稱為電池，成為發展一種低價和高效太陽電池的重要新方向，例如CN1819276公開的染料敏化納米晶體TiO₂太陽能電池，CN101013730公開的一種納米晶薄膜的染料敏化太陽能電池及其制備方法，CN101101969公開的一種染料敏化納米晶太陽能電池及其制備方法和CN101354970公開的一種染料敏化納米晶太陽能電池的制備方法，都是這一類電池。

然而現有染料敏化太陽電池的長期穩定性都較差，有礙于其被用作能夠在戶外使用的太陽能發電設備。其原因是，現有的染料敏化太陽電池都基于液體電解質。由有機溶劑和含有I^-/I^3-氧化還原對構成的液體電解質造成的泄漏、蒸發及有機物自身的降解等因素是損害現有染料敏化太陽電池穩定性的主要原因。另外，現有染料敏化太陽電池還存在光電轉換效率較低和大面積化的技術缺陷問題。

固態的染料敏化太陽電池的研究處于探索階段，目前研究得最多的固態電解質主要有P型空穴傳輸材料CuI、CuSCN和導電高聚物。固態電解質的光電轉換效率不理想，原因是：①固態電解質的自身穩定性，如由于CuI本身的退化，導致電池的穩定性很差，穩定時效只有5h；②固態電解質電導率低；③半導體與空穴傳輸材料不能很好的接觸。

另一類太陽電池是微晶硅薄膜太陽電池，具有性能高度穩定的固態光生電子空穴傳輸材料。比如，在微晶硅薄膜太陽電池中，P型微晶硅薄膜層就是性能穩定的空穴傳輸材料。微晶硅是微晶粒、晶粒間界和非晶相共存的混合相材料，其帶隙隨著晶相比的不同而不同，由1.2eV到1.7eV連續可調，而且幾乎沒有光致衰退效應，可制備成性能優良的太陽電池。例如，CN101415861公開的微晶硅膜形成方法以及太陽電池，CN101488560公開的有機染料分子敏化非晶硅/微晶硅太陽電池的制備方法(只是對微晶硅太陽電池的I層，即本征層做了化學敏化處理)和CN101540352公開的微晶硅太陽能電池的制造方法，都是這一類電池。

但是，現有微晶硅薄膜太陽電池面臨制備工藝和成本較高的諸多問題。如微晶硅薄膜太陽電池的本征層厚度需1～3.5um左右，其制備環節的沉積速率多在0.1～10nm/s左右，這使得沉積速率成為制約其發展的主要問題之一；微晶硅薄膜沉積速率的提高往往需要提高功率密度，但帶來的問題就是電子溫度過高，并引起離子的能量過高及高能量的離子過多，高能離子的轟擊是薄膜質量變差的重要原因。目前的微晶硅薄膜太陽電池的制備速度過慢，導致制備成本高，扼制了其大規模生產和應用。

染料敏化太陽電池和微晶硅薄膜太陽電池雖然是當前太陽電池研究中最受矚目的兩種新型薄膜電池，分別具有低成本和性能穩定的優勢，但又分別存在液態穩定性差和低制備速率導致制備成本高的缺點。如果將染料敏化納米晶材料和微晶硅復合薄膜材料結合，既利用了染料敏化納米晶工作電極的多數載流子傳輸對晶體結構完整性的要求不甚嚴格的特性，獲得低成本電極，又吸取了P型微晶硅薄膜成熟穩定的特性，具有開拓低價高效新型太陽電池實用化的前景。

發明內容