[發(fā)明專利]高光電轉(zhuǎn)換效率的染料敏化太陽能電池雙層復合膜電極及制備方法

無效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201110130626.0
• 申請日: 2011-05-19
• 公開（公告）號: CN102280261A
• 公開（公告）日: 2011-12-14
• 發(fā)明（設計）人: 余家國;李清林;程蓓
• 申請（專利權）人: 武漢理工大學
• 主分類號: H01G9/04
• 分類號: H01G9/04;H01G9/20;H01M14/00;H01L51/44;H01L51/48
• 代理公司: 湖北武漢永嘉專利代理有限公司 42102
• 代理人: 張安國;伍見

技術領域

本發(fā)明涉及高光電轉(zhuǎn)換效率的染料敏化太陽能電池雙層復合膜電極及其制備方法。

技術背景

近年來，隨著能源儲備的日益縮減和環(huán)境污染的日益加重，人們對新型清潔能源的需求日益加強。在第一和第二代光伏太陽能電池的基礎上，科學家們提出并開發(fā)出了第三代太陽能電池，即染料敏化太陽能電池。與第一代和第二代太陽能電池相比，這種電池的制備工藝更加簡單、成本更加低廉、能夠負載在柔性基體上、同時對環(huán)境保護更加友好。因而，關于染料敏化太陽能電池的研究備受關注。

二氧化鈦因為其自身和染料敏化劑之間具有優(yōu)良的能級結構匹配，且具有無毒、廉價和光化學穩(wěn)定等優(yōu)點，是廣泛應用于染料敏化太陽能電池的最佳膜材料之一。為了使染料敏化太陽能電池的膜電極能夠吸收更多的染料分子以提高電池的光電轉(zhuǎn)換效率，TiO₂膜電極通常都由納米顆粒構成。但是，對于一定強度的入射光而言，由于TiO₂納米顆粒膜對入射光的散射能力極其微弱，從而使得一部分入射光透過了膜層而最終造成了光能的損失和浪費。

具備和可見光尺寸相當?shù)腡iO₂實心球形顆粒，具有很好的光散射能力，已被廣泛應用于化妝品、增白劑和涂料等領域。用這些特定尺寸的TiO₂實心球形顆粒作為光散射劑已用于染料敏化太陽能電池中。實驗結果表明，TiO₂實心球在膜層中起到散射中心的作用，通過光的散射作用增加入射光在膜層中的光程長度，進而增強入射光的吸收和減少光能的損失和浪費。但是，TiO₂實心球膜電極在進一步提高電池的光電轉(zhuǎn)換效率時也受到兩個問題的限制。首先，直接利用這些大尺寸的實心球作為膜電極時，膜電極和導電玻璃基體的電接觸很差，從而造成短路光電流的減小；其次，實心球本身不利于電解質(zhì)的快速傳輸，從而影響了整個電池過程的快速進行，進而造成開路電壓的減小。

本發(fā)明提出了具有高光電轉(zhuǎn)換效率的染料敏化太陽能電池雙層復合膜電極的有效方法，其方法是先在摻氟的氧化錫透明導電玻璃上涂覆一層氣相二氧化鈦納米顆粒料漿膜，經(jīng)過煅燒處理后，在氣相二氧化鈦納米顆粒膜上再涂覆一層TiO₂空心球散射膜層，經(jīng)過進一步煅燒，即得高光電轉(zhuǎn)換效率的染料敏化太陽能電池雙層復合膜電極。底部的氣相二氧化鈦納米顆粒膜層主要用于確保雙層復合膜電極和導電玻璃之間良好的電接觸；上層的TiO₂空心球散射層主要用于確保雙層復合膜電極具有優(yōu)良的光散射能力。同時，TiO₂空心球自身具備的分等級結構和較高的空心率和孔體積也促進了電解質(zhì)的傳輸。在雙層復合膜電極中，氣相二氧化鈦納米顆粒膜層和TiO₂空心球散射膜層發(fā)揮不同的功能，兩個膜層功能的復合使得基于該雙層復合膜電極的染料敏化太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率顯著提高。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的一個目的是根據(jù)國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀，以增強染料敏化太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率為目的，考慮到TiO₂納米顆粒膜和導電玻璃基體具有良好的電接觸，但是散射能力很微弱，而TiO₂空心球具有優(yōu)良的散射能力，能夠促進光的有效利用，同時具有較高的孔體積和孔隙率能夠促進電解質(zhì)的傳輸，提供一種具有高光電轉(zhuǎn)換效率的染料敏化太陽能電池雙層復合膜電極。

本發(fā)明的另一個目的提供一種具有高光電轉(zhuǎn)換效率的染料敏化太陽能電池雙層復合膜電極的制備方法。該方法操作簡單、環(huán)境友好、成本低廉。

實現(xiàn)本發(fā)明目的的技術方案是：

一種具有高光電轉(zhuǎn)換效率的染料敏化太陽能電池雙層復合結構膜電極，該雙層復合膜電極中的基體為摻氟的氧化錫透明導電玻璃，底層為德固賽P-25(P25)納米顆粒膜層，上層為TiO₂空心球散射膜層，整個膜層的厚度為18±1μm。

一種高效的雙層復合結構的染料敏化太陽能電池膜電極的制備方法，其特征在于：先在摻氟的氧化錫透明導電玻璃上涂覆一層P25納米顆粒漿料，形成P25納米顆粒膜層，經(jīng)過煅燒處理后，在P25納米顆粒膜上再涂覆一層TiO₂空心球散射層，經(jīng)過進一步煅燒即得雙層復合結構膜電極，制備步驟依次為：

第1、分別以商業(yè)德固賽P-25粉體(P25，氣相二氧化鈦)和實驗合成的TiO₂空心球粉體為原料，曲拉通X-100(辛基苯基聚氧乙烯醚)為粘結劑，乙酰丙酮為分散劑，乙醇為溶劑，通過混合研磨制備出含P25納米顆粒漿料和含TiO₂空心球漿料；