[發明專利]一種高效能染料敏化太陽能電池

在審

• 申請號: 201711370286.2
• 申請日: 2017-12-19
• 公開（公告）號: CN108133828A
• 公開（公告）日: 2018-06-08
• 發明（設計）人: 姚伯龍;王杰;耿思瑤
• 申請（專利權）人: 江南大學
• 主分類號: H01G9/20
• 分類號: H01G9/20;H01G9/042;H01G9/025;H01G9/028
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

一種高效能染料敏化太陽能電池。本發明提供了染料敏化太陽能電池陽極和陰極電池組件，具有這些新型組件的染料敏化電池不僅比常規染料敏化電池具有更高的太陽轉化率、并且解決了液體電解質常蒸發或泄漏的問題，并采用的塑料基板克服了玻璃基板的脆性和形狀限制等缺點。

技術領域

本發明涉及一種高效能染料敏化太陽能電池的制備方法，屬于太陽能開發技術領域。

背景介紹

由于世界人口的增加和發展中國家對能源需求的不斷增長，預計未來三十年全球能源消費量將翻一番。這意味著化石燃料儲量的消耗加劇，導致環境污染進一步加劇。由于資源日益減少，預計到2050年，人類將面臨與今天的全部消費相當的14兆瓦的巨大電力供應缺口的巨大問題。預計太陽能將成為未來的能源來源。太陽為地球表面提供了約12萬太瓦，相當于目前世界能源消耗的6000倍。然而，以低成本獲取太陽能并將其轉化為電力或化學燃料(例如氫氣)并使用大量可用的原材料仍然是巨大的挑戰。預計化學將作出關鍵的貢獻，以確定對這個能源問題的環保解決方案。一個非常有前途的領域是通常被稱為“有機光伏電池”(OPV)的太陽能轉換器，其使用有機成分進行光捕獲或電荷載流子傳輸。自1985年以來，染料敏化的太陽能電池通常被認為是第三代光伏發電技術，因其低成本和環境友好的制造工藝，近年來生產研發規模不斷擴大。染料敏化的太陽能電池是唯一使用分子吸收光子并將其轉換為電荷而不需要分子間電子激發的光電器件；它也是唯一的一個將光捕獲和電荷載流子傳輸的兩個功能分開的太陽能電池，而傳統的和所有其他已知的有機光伏器件要同時執行兩種操作，這將對半導體的光學和電子性質，如帶位置、電荷載流子遷移率和光生電荷的復合時間提出了嚴格的要求，極大地限制了能夠起作用的合適材料的選擇作為高效光伏轉換器。另一方面，光吸收和載流子傳輸的分離為吸收材料開辟了大量的選擇。分子敏化劑或半導體量子點位于電子(n)和空穴(p)導電材料之間的界面，前者典型地是寬帶半導體氧化物，例如TiO₂，ZnO或SnO₂；而后者是氧化還原電解質或者p型半導體。在光激發下，敏化劑在氧化物的導帶中注入電子，并通過在電解質或p型導體中的空穴注入而再生。另外，敏化劑可以附著在p型氧化物上，例如NiO，在這種情況下，還原激發的染料，后者由還原形式通過電子轉移再生成電解質中的受體。在這兩種情況下，敏化劑的作用是吸收光并產生正電荷和負電荷載體。

發明內容

本發明提供了染料敏化太陽能電池陽極和陰極電池組件，具有這些新型組件的染料敏化電池不僅比常規染料敏化電池具有更高的太陽轉化率、并且解決了液體電解質常蒸發或泄漏的問題，并采用的塑料基板克服了玻璃基板的脆性和形狀限制等缺點。

本發明的技術方案是：

(1)將碳化鎢嵌入介孔碳中，制成染料敏化太陽能電池的陰極；陽極是由TiO₂納米顆粒改性薄膜和染料敏化材料制得。

(2)本專利中介孔碳材料摻雜碳化鎢，由于增加了交換電流密度和降低電荷轉移電阻，比傳統的鉑電極效率大大提高，解決了鉑稀缺性和耐腐蝕性的缺陷。優選的碳化鎢的量2-20％，更優選是5-6％。優選的介孔碳尺寸20-40nm，更優選20-25nm。優選的TiO₂納米顆粒薄膜中TiO₂納米顆粒含量為1-20％，更優選5-10％。染料敏化材料優選N719、Y123和FNE29，最優選是N719。

(3)陰極基板采用實驗室自制H-580塑料基板代替傳統玻璃基板，更優選的基板采用注塑工藝生產，更優選采用卷對卷(R2R)制程。

(4)采用SnF₂摻雜復合半導體材料制成電解質，其中導電材料優選聚吡咯(PPY)，聚苯胺(PANI)和聚3,4-乙烯二氧噻吩(PEDOT)，最優選是聚3,4-乙烯二氧噻吩(PEDOT)，固態電解質解決了液態電解質常蒸發和泄漏的問題，并且以空穴傳導的方式提高了傳統液態電解質的傳輸效率。

具體實施方式