[發明專利]一種基于不同形態納米金的敏化太陽能電池

有效

• 申請號: 201410096972.5
• 申請日: 2014-03-17
• 公開（公告）號: CN103871746B
• 公開（公告）日: 2017-07-14
• 發明（設計）人: 張帥;董功雨;袁寧一;丁建寧;陸泳婷
• 申請（專利權）人: 常州大學
• 主分類號: H01G9/042
• 分類號: H01G9/042;H01G9/20
• 代理公司: 南京經緯專利商標代理有限公司32200
• 代理人: 樓高潮

技術領域

本發明涉及敏化太陽能電池，特指一種基于不同形態納米金的敏化太陽能電池。

背景技術

1991年，O’Regan和Gr?tzel報道了首例染料敏化太陽能電池，其能量轉換效率為7%；至今，基于不同電解質和敏化劑的敏化太陽能電池效率已經突破11%，但其實用化仍依賴以下兩個方面的突破：更高的能量轉換效率（~15%）和更好的穩定性；短路光電流（J_sc）是影響敏化太陽能電池效率的重要因素之一，它主要由敏化劑（染料、量子點、金屬等）所捕獲光能的數量和電子在光陽極半導體中的輸運決定；針對提高短路光電流的研究一般集中在新的染料的設計開發方面，因為被廣泛使用的N719染料在600–750 nm波長范圍內的光吸收較弱，而AM 1.5的太陽光中有超過60%的能量處于600 nm波長以上的范圍內；目前，能量轉換效率領先的染料敏化太陽能電池均采用了新型染料，包括原有敏化劑的改進和給–受體取代的卟啉敏化劑（Donor–Acceptor Substituted Porphyrin）等；然而，這些染料類敏化劑通常在光照下，特別是含有紫外線的光照下并不穩定，是染料敏化太陽能電池的性能在較短時間內劣化的原因之一。

2013年，Kamat等報道了一種金納米團簇敏化的太陽能電池，其工作原理是納米金受光激發，將電子注入到光陽極TiO₂中，從而形成光電流；由于敏化劑為金納米團簇而非染料，因此這種敏化電池有望解決敏化劑在光照下分解的問題，從而提高電池的穩定性；然而，由于使用單一形態的金納米團簇，這種敏化電池的光響應性能不佳，其光響應波長大約在550 nm以下，因此不利于充分利用太陽光和進一步提高電池的能量轉換效率。

本發明針對Kamat等報道的電池存在的問題，提出利用兩種不同形態納米金共敏化的方法來提高金屬納米團簇敏化太陽能電池的光響應性能和能量轉換效率，并且該方法未見專利或非專利文獻報導。

發明內容

本發明的目的在于克服上述現有技術存在的缺陷與不足，開發一種新型的納米金敏化太陽能電池。

本發明提出的納米金敏化太陽能電池的制備方法包括以下步驟：

1）制備光陽極：首先在透明導電玻璃電極上制備一定厚度的TiO₂顆粒層或TiO₂納米棒層，接著對得到的電極進行煅燒，最后進行TiCl₄處理。

2）制備金納米棒的膠體溶液：首先，以HAuCl₄?3H₂O作為金的前驅體，以十六烷基三甲基溴化銨作為表面活性劑，以硼氫化鈉作為還原劑制備納米金種；接著，以HAuCl4?3H2O作為金的前驅體，以十六烷基三甲基溴化銨作為表面活性劑，以抗壞血酸作為還原劑，并利用上述制備的納米金種和硝酸銀生長金納米棒，最后利用離心的方法去除多余的表面活性劑，并將金納米棒分散于水中得到金納米棒的膠體溶液備用。

3）光陽極的敏化：首先，將步驟1）中制備的光陽極浸泡到一定濃度的和pH值的HAuCl₄?3H₂O水溶液中，待一定時間后取出光陽極，用水清洗后放入馬弗爐中煅燒，從而制備球狀納米金敏化的光陽極；接著，將上述制備的球狀納米金敏化的光陽極浸泡在3-巰基丙酸的水溶液中進行表面修飾，再將修飾后的光陽極浸泡在步驟2）中制備的金納米棒分散液中，浸泡后取出光陽極，清洗干燥后從而制得球狀和棒狀納米金共敏化的光陽極（如圖1所示）。

4）制備對電極：將H₂PtCl₆?3H₂O的異丙醇溶液涂敷于到事先打孔的透明導電玻璃上，待溶劑揮發后放入馬弗爐中煅燒。

5）電池的組裝：將步驟3）制備的納米金敏化光陽極和步驟4）制備的對電極用一定厚度的沙林膜在加熱的條件下進行粘合，接著將電解液通過對電極上的小孔注入到光陽極、對電極和沙林膜組成的空隙中，最后用沙林膜對對電極上的小孔進行密封，完成電池的組裝（如圖2所示）。

所述步驟1）中TiO₂光陽極的制備方法為但不限于涂布法或水熱反應法。

所述涂布法用于制備顆粒狀的TiO₂光陽極：首先將TiO₂納米顆粒加入到含有表面活性劑的混合溶劑中；接著對溶液進行超聲及攪拌，使其呈乳白色的泥漿狀；