[發明專利]具有金屬納米結構的等離子體增強的疊層染料敏化太陽能電池

有效

• 申請號: 201410225481.6
• 申請日: 2014-05-26
• 公開（公告）號: CN104240958B
• 公開（公告）日: 2019-08-09
• 發明（設計）人: 吳兆鵬;胡志文;李振聲
• 申請（專利權）人: 香港城市大學
• 主分類號: H01G9/042
• 分類號: H01G9/042;H01G9/20
• 代理公司: 北京尚誠知識產權代理有限公司 11322
• 代理人: 顧小曼;龍淳

本發明涉及等離子體增強的疊層染料敏化太陽能電池系統。該系統具有與光陽極和光陰極兩者一體化的等離子體納米結構，以增強各自的電子和空穴載體傳遞。

技術領域

本發明涉及太陽能電池系統，尤其涉及具有金屬納米結構的等離子體增強的疊層染料敏化太陽能電池及其制備方法。

背景技術

傳統的染料敏化太陽能電池(DSSC)使用染料分子作為僅有的集光活性成分來捕獲正在到來的太陽能輻射。因為存在兩個數量級的差異：染料分子的尺寸就典型的N719釕染料而言為約2nm，而AM1.5太陽光譜為400nm至2000nm，因此染料分子單獨的入射光收集效率通常較低。盡管可以通過增加光陽極層的厚度來補償這種錯配，但厚度的增加妨礙總透明度，因此使光陽極的性能變差。

本發明試圖提供一種解決這些問題或增加太陽能電池系統的效率的系統，或至少向公眾提供一種可替代的選擇。

發明內容

根據本發明的第一個方面，提供一種等離子體增強的疊層染料敏化的太陽能電池系統，其包含與光陽極以及光陰極一體化的等離子體納米結構，以增強各電子和空穴載流子的傳遞。

優選地，光陽極可以包含布置在透明導電基質上的介孔n型半導體材料、與起到電子受體材料作用的n型半導體材料一體化的等離子體納米結構、以及起到電子供體材料作用的染料敏化劑；且光陰極可以包含布置在透明導電基質上的介孔p型半導體材料、與作為空穴受體材料起到p型半導體作用的p型半導體材料一體化的等離子體納米結構、以及起到空穴供體材料作用的染料敏化劑；介孔n型和p型半導體材料可以處于層的形式，等離子體納米結構包含多個等離子體納米島，該等離子體納米島經由物理氣相沉積(PVD)和之后的自組裝熱退火而合成并與介孔半導體光活性層一體化。

適當地，起到電子供體材料作用的染料敏化劑可以包括選自釕(Ru)、鋨(Os)、錸(Re)、鉑(Pt)、鐵(Fe)、銅(Cu)的金屬復合物及其各自的金屬復合物衍生物；和/或卟啉、葉綠素、酞菁染料及其各自的衍生物；和/或選自香豆素染料、吲哚染料、四氫喹啉染料、三芳胺染料、雜蒽染料、咔唑染料、N,N-二烷基苯胺染料、半菁染料、部花菁染料、方酸菁染料、苝染料、蒽醌染料、氟硼二吡咯(boradiazaindacene)染料、寡聚噻吩染料、聚合型染料的有機染料。聚合型染料可以選自聚苯胺、聚噻吩、聚吡咯及其各自的衍生物。

在實施方式中，起到電子受體材料作用的n型半導體材料可以包括選自鈦氧化物、鋅氧化物、鎢氧化物、鉬氧化物的n型半導體金屬氧化物。

在一個實施方式中，起到空穴供體材料作用的染料敏化劑可以包括“推-拉”染料，該染料具有作為電子“推”部分的羧酸衍生的三芳胺核，和電子接受基團(例如，二-/三-氰基亞乙烯、1,3-二乙基-2-硫代巴比妥酸)，以及作為電子“拉”部分的2-(3,5,5-三甲基環己-2-烯亞基)-丙二腈。

在另一個實施方式中，起到空穴供體材料作用的染料敏化劑可以包括“供體敏化劑”染料，其具有共價附于錨定發色團部分(例如，羧基衍生的苝單酰亞胺單元(PMI))的次級電子受體(例如，萘二酰亞胺(NDI)、富勒烯(C₆₀)等)。

起到空穴受體材料作用的染料敏化劑可以包括p型半導體金屬氧化物。例如，p-摻雜的金屬氧化物可以是p-摻雜的鋅氧化物或p-摻雜的鈦氧化物，或者p型半導體材料可以包括可以選自鎳氧化物、銅氧化物、鍶銅氧化物、鍶鈦氧化物、鋁銅氧化物、鎵銅氧化物的金屬氧化物。

至少一種等離子體納米結構可以包括選自金、銀、銅和鋁的金屬；等離子體納米結構可以包括多個金、銀、銅、鋁或其組合的自組裝納米島，等離子體納米結構可以包括金、銀、銅、鋁的納米柱陣列，等離子體納米結構可以包括金、銀、銅、鋁的納米空穴陣列，和/或等離子體納米結構可以包括由金、銀、銅、鋁制得的金屬絕緣納米殼與由硅氧化物、鈦氧化物、鋅氧化物制得的絕緣核。