[發明專利]一種半導體納米晶敏化太陽能電池及其制備方法

有效

• 申請號: 201210585101.0
• 申請日: 2012-12-28
• 公開（公告）號: CN103021668A
• 公開（公告）日: 2013-04-03
• 發明（設計）人: 林紅;申何萍;焦星劍
• 申請（專利權）人: 清華大學
• 主分類號: H01G9/20
• 分類號: H01G9/20;H01G9/042
• 代理公司: 北京眾合誠成知識產權代理有限公司 11246
• 代理人: 王小會

技術領域

本發明屬于綠色可再生能源技術領域，特別涉及了一種半導體納米晶敏化太陽能電池及其制備方法。

背景技術

半導體納米晶敏化太陽能電池是一種新型光伏電池，它采用半導體納米晶作為吸光物質，當納米晶的尺寸小于其波爾半徑時即成為量子點。量子點是一種準零維的納米材料（通常為窄禁帶半導體材料），其內部電子在各方向上的運動都受到了局限，具有顯著的量子限域效應，從而具有如下優點：（1）能通過調控量子點粒徑來改變禁帶寬度，從而實現對太陽光全光譜吸收；（2）無機半導體的可選種類較多，成本較低，工藝簡單；（3）與有機染料相比，半導體化合物的長期穩定性較好；（4）無機半導體化合物的摩爾吸光系數高。但目前所使用的半導體納米晶大多為鎘或鉛的化合物（如硫化鎘、硒化鎘、硫化鉛、硒化鉛等），由于重金屬鎘或鉛的具有較大的毒性，對環境具有巨大的危害，因此需要探索無毒半導體材料作為敏化劑。Ag₂S具有毒性小和光譜響應范圍寬的優點，其禁帶寬度約為1.1eV，光譜響應范圍約為350-1100nm，因而有望吸收更多的太陽光而獲得更高的光電轉換效率。獲得高效率的無毒納米晶敏化太陽能電池對光伏領域的發展及其推廣其實際應用具有舉足輕重的作用。

發明內容

本發明的目的是提出了一種半導體納米晶敏化太陽能電池及其制備方法。

本發明提供的半導體納米晶敏化太陽能電池，電池結構包括以下部分：（1）透明導電基板；（2）光陽極；（3）電解質；（4）對電極，其特征在于：光陽極使用硫化銀納米晶敏化。

所述光陽極為多孔氧化錫薄膜或者為經氧化物包覆處理的多孔氧化錫薄膜，所述包覆處理是指多孔氧化錫薄膜上覆蓋一層氧化物薄層，包覆的氧化物包括但不限于氧化鈦、氧化鎂、氧化鋁、氧化鈮、氧化鋅、氧化鎢、氧化鎳等。氧化物包覆薄層厚度可以為1~10nm。

所述的半導體納米晶敏化太陽能電池使用的電解質的氧化還原電對包括但不限于無機多硫電解質、有機多硫電解質、鈷電解質、碘電解質等。

所述的半導體納米晶敏化太陽能電池，使用的對電極材料包括但不限于鉑、硫化鈷、硫化鎳、硫化亞銅、硫化鉛、硫化亞鐵、碳納米管、石墨烯、石墨、PEDOT中的一種或者其中任意兩種形成的多元化合物。

本發明還提供上述半導體納米晶敏化太陽能電池的制備方法，如下：

在透明導電基板（FTO、ITO、AZO等）的導電面上制備一層多孔氧化錫薄膜，并對其進行硫化銀納米晶的敏化，或者，在透明導電基板的導電面上制備一層多孔氧化錫薄膜，對多孔氧化錫薄膜進行氧化物包覆處理后，再對其進行硫化銀納米晶的敏化。然后再與對電極進行組裝，并注入電解質，得到半導體納米晶敏化太陽能電池。

硫化銀納米晶的制備方法包括但不限于連續吸附離子反應、化學沉積法、化學浴前驅體旋涂法、電沉積法、熱蒸鍍法、磁控濺射法、氣相沉積法等制備方法。

采用化學沉積法進行半導體敏化的步驟可以為：配制A溶液和B溶液，A溶液為0.01~0.1?mol/L的硫代硫酸鈉溶液；B溶液為向0.05~0.5?mol/L的硝酸銀溶液中加入適量氨水使其先變渾濁再澄清的溶液；控制A溶液與B溶液體積比范圍為（1：20）~（1：2）之間，將兩者均勻混合得混合液，然后將制備了一層多孔氧化錫薄膜的透明導電基板放入上述混合液中，或者多孔氧化錫薄膜進行氧化物包覆處理后再將透明導電基板放入上述混合液中，敏化1~10?min后取出，用去離子水沖洗，即完成了Ag₂S納米晶的沉積。

Ag₂S納米晶敏化光陽極后還可進行硫化鋅的包覆處理。

氧化錫薄膜的制備方法包括但不限于絲網印刷、電化學沉積、水熱法、電紡絲法、陽極氧化法等。所制備的氧化錫薄膜的厚度為500?nm-20?μm，最好是2?μm?-18?μm。

上述制備半導體納米晶敏化太陽能電池的方法中，采用絲網印刷方法制備多孔氧化錫薄膜時，使用的氧化錫漿料由氧化錫顆粒、乙基纖維素以及溶劑均勻混合而成，其中的氧化錫的固相含量為10%~40%之間，最好是15~30%之間。乙基纖維素的含量為5%~30%之間，最好是8~20%之間。溶劑使用但不限于松油醇、乙醇、異丙醇等。

本發明有益效果：使用硫化銀納米晶敏化太陽能電池光陽極，無毒性，所制備的硫化銀納米晶太陽能電池是一種綠色無毒且環境友好的器件，制備工藝簡單，同時由于硫化銀具有合適的禁帶寬度，獲得了優異的電池光電性能，制備的電池具有優異的光伏性能。