專利名稱：納米晶膜太陽能電池電極及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及染料敏化太陽能電池材料領(lǐng)域，尤其涉及一種納米晶膜太陽能電池的電極及其制備方法。
背景技術(shù)：
能源一直是人們所關(guān)注的問題。礦物燃料的資源逐漸耗盡以及對環(huán)境的影響，促使人們尋找開發(fā)新的能源。占地球總能源99％以上的太陽能，具有取之不盡，沒有污染等特點而成為新能源開發(fā)的重要研究領(lǐng)域。
太陽能電池是一種將太陽能直接轉(zhuǎn)化為電能的裝置。1954年美國的貝爾實驗室成功的制造出硅太陽能電池，開創(chuàng)了光電轉(zhuǎn)換的先例。這種太陽能電池的工作原理是基于半導體的光伏效應(yīng)，所以也稱為光伏電池。雖然硅太陽能電池轉(zhuǎn)換效率高，但其工藝復雜、價格昂貴、材料要求苛刻，因而難以普及。目前僅應(yīng)用在某些特殊領(lǐng)域。二十世紀九十年代發(fā)展起來的染料敏化太陽能電池，可以克服硅太陽電池的缺點，因而成為該領(lǐng)域里的研究熱點。
染料敏化太陽能電池采用寬禁帶半導體的納米晶膜，在其表面吸附一層光敏染料。由于納米晶具有非常大的比表面積，可以吸附大量的染料，從而可有效的吸收太陽光。染料敏化太陽能電池的工作原理是當染料吸收太陽光時，電子從基態(tài)躍遷到激發(fā)態(tài)。激發(fā)態(tài)上的電子迅速轉(zhuǎn)移至半導體導帶，而空穴則留在染料中。電子隨后擴散至導電基底，經(jīng)外電路轉(zhuǎn)移至對電極。而氧化態(tài)的染料被還原態(tài)的電解質(zhì)還原。氧化態(tài)的電解質(zhì)在對電極接受電子被還原。從而完成了電子的整個輸運過程。
影響染料敏化太陽能電池光電轉(zhuǎn)化性能的因素主要有電子的注入效率、電子的收集率以及電荷的復合。電子的注入效率和電子的收集率越高，光電轉(zhuǎn)化效率也就越大；而電荷的復合越大，光電轉(zhuǎn)化效率也就越低。其中電子的注入效率和電荷的復合都是與電極表面密切相關(guān)的兩個因素。研究表明制約染料敏化太陽能電池光電轉(zhuǎn)化效率的一個因素就是光電壓過低。光電壓過低主要是由電極表面存在的電荷復合造成的。因為納米晶半導體中缺少空間電荷層，同時存在大量的表面態(tài)，導帶中的電子很容易被表面態(tài)陷阱俘獲，大大增加了與氧化態(tài)電解質(zhì)復合的幾率。因此如何降低電荷復合就成為改善光電轉(zhuǎn)換效率的關(guān)鍵。目前研究用某些有機物質(zhì)對電極表面修飾后，光電壓明顯提高。但是有機物在使用中仍出現(xiàn)穩(wěn)定性的問題。另一方面無機物具有有機物沒有的一些優(yōu)點，如穩(wěn)定性高、操作便利以及成本低。利用某些無機物來修飾二氧化鈦納米晶電極有可能改善太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換性質(zhì)。
發(fā)明內(nèi)容
發(fā)明目的本發(fā)明的目的在于提供一種納米晶膜太陽能電池電極，降低電荷復合，改善電極的光電轉(zhuǎn)換性能，提高染料敏化太陽能電池轉(zhuǎn)化效率。
本發(fā)明的目的還在于提供一種制備上述納米晶膜太陽能電池電極的方法。
技術(shù)方案本發(fā)明的納米晶膜太陽能電池電極，以寬禁帶半導體納米晶膜為基底，該基底表面吸附一層金屬離子，再在金屬離子吸附層上吸附光敏化劑。
本發(fā)明的寬禁帶半導體納米晶膜采用二氧化鈦納米晶膜。光敏化劑采用順式-二硫氰酸根-二(4，4’-二羧酸-2，2’-聯(lián)吡啶)合釕cis-dithiocyanato bis(4，4’-dicarboxy-2，2’-bipyridine)ruthenium(簡稱為N3染料)。
本發(fā)明的金屬離子選自鈧(Sc3+)，釔(Y3+)，鑭(La3+)，鈰(Ce3+)，鐠(Pr3+)，釹(Nd3+)，釤(Sm3+)，銪(Eu3+)，釓(Gd3+)，鋱(Tb3+)，鏑(Dy3+)，鈥(Ho3+)，鉺(Er3+)，銩(Tm3+)，鐿(Yb3+)，镥(Lu3+)等稀土金屬離子，或Zn2+，Al3+等離子。
本發(fā)明的制備納米晶膜太陽能電池電極的方法，其步驟包括1)制備金屬離子表面修飾的寬禁帶半導體納米晶膜將粒度1-50納米、1-50微米厚的寬禁帶半導體納米晶膜在0.01-2摩爾/升的金屬離子溶液中浸泡20分鐘至12小時，取出干燥；在200-600℃下燒結(jié)10分鐘至12小時，得到金屬離子表面修飾的寬禁帶半導體納米晶膜；2)敏化金屬離子表面修飾的寬禁帶半導體納米晶膜將金屬離子表面修飾的寬禁帶半導體納米晶膜在10-5-10-3摩爾/升光敏化劑的有機溶劑中浸泡5-20小時。
上述方法中的寬禁帶半導體納米晶膜為納米晶二氧化鈦膜。光敏化劑為N3染料。
上述方法通過將粒度為1-50納米的寬禁帶半導體膠體涂布在透明導電基片上形成薄膜，在200-600℃下燒結(jié)15分鐘至12小時，冷卻后重復操作直至得到1-50微米厚的寬禁帶半導體納米晶膜。其中透明導電基片為氟摻雜的二氧化錫導電玻璃。
上述方法中所述的金屬離子選自Sc3+，Y3+，La3+，Ce3+，Pr3+，Nd3+，Sm3+，Eu3+，Gd3+，Tb3+，Dy3+，Ho3+，Er3+，Tm3+，Yb3+，Lu3+等稀土金屬離子，或Zn2+，Al3+等離子。
積極效果本發(fā)明的納米晶膜太陽能電池電極以一種寬禁帶半導體納米晶膜作為基底，表面吸附一層稀土金屬離子，或Zn2+，或Al3+離子，然后在一定溫度下燒結(jié)制成。敏化劑采用N3染料。金屬離子修飾寬禁帶半導體納米晶膜電極的優(yōu)點在于在納米晶表面形成了一個勢壘。這個勢壘可以有效的降低電荷復合，從而大大改善電極的光電轉(zhuǎn)換性能。例如與單純二氧化鈦納米晶膜相比，基于金屬離子修飾二氧化鈦納米晶太陽能電池的光電轉(zhuǎn)化效率提高了5～14％。
圖1 鈥修飾二氧化鈦納米晶膜電極的光電子能譜XPS(X-photonelectron spectroscopy)方塊線形0.4摩爾濃度鈥離子修飾的二氧化鈦納米晶膜圓形線形0.8摩爾濃度鈥離子修飾的二氧化鈦納米晶膜三角線形2.0摩爾濃度鈥離子修飾的二氧化鈦納米晶膜圖2 吸附在鈥修飾二氧化鈦納米晶膜電極上的N3染料的吸收光譜三角線形N3染料吸附在二氧化鈦納米晶膜圓形線形N3染料吸附在0.2摩爾濃度鈥離子修飾的二氧化鈦納米晶膜方塊線形N3染料吸附在0.1摩爾濃度鈥離子修飾的二氧化鈦納米晶膜圖3 N3染料敏化鈥修飾二氧化鈦納米晶膜電極的光電轉(zhuǎn)換量子效率IPCE(incident to photon conversion efficiency)圖三角線形二氧化鈦納米晶膜圓形線形0.2摩爾濃度鈥離子修飾的二氧化鈦納米晶膜方塊線形0.1摩爾濃度鈥離子修飾的二氧化鈦納米晶膜圖4 N3染料敏化鈥修飾二氧化鈦納米晶膜電極的光電流(I)-光電壓(V)曲線三角線形二氧化鈦納米晶膜圓形線形0.2摩爾濃度鈥離子修飾的二氧化鈦納米晶膜方塊線形0.1摩爾濃度鈥離子修飾的二氧化鈦納米晶膜圖5 采用本發(fā)明電極的太陽能電池裝置圖1--導電玻璃光陰極；2--半導體納米晶膜；3--金屬離子修飾層；4--光敏化劑；5--碘/碘化鋰(I2/LiI)電解質(zhì)6--導電玻璃光陽極；7--鍍鉑層實施方案實例1將一個二氧化鈦納米晶膜電極在5×10-4mol/dm3N3染料的乙醇溶液中浸泡12小時敏化。在100mW/cm2的白光照射下測得電極的開路光電壓648mV、短路光電流20.61mA/cm2、填充因子0.55、能量轉(zhuǎn)換效率7.3％。
實例2將二氧化鈦膜在0.1mol/dm3Ho(NO3)3溶液浸泡1小時后，在500℃燒結(jié)30分鐘，制得鈥表面修飾的二氧化鈦納米晶膜電極。再將制備好的鈥表面修飾的二氧化鈦納米晶膜在5×10-4mol/dm3N3染料的乙醇溶液中浸泡12小時敏化。在100mW/cm2的白光照射下測得電極的開路光電壓685mV、短路光電流20.39mA/cm2、填充因子0.60、能量轉(zhuǎn)換效率8.3％。
實例3將二氧化鈦膜在0.2mol/dm3Ho(NO3)3溶液浸泡1小時后，在500℃燒結(jié)30分鐘，制得鈥表面修飾的二氧化鈦納米晶膜電極。再將制備好的鈥表面修飾的二氧化鈦納米晶膜在5×10-4mol/dm3N3染料的乙醇溶液中浸泡12小時敏化。在100mW/cm2的白光照射下測得電極的開路光電壓690mV、短路光電流18.99mA/cm2、填充因子0.58、能量轉(zhuǎn)換效率7.6％。
實例4將二氧化鈦膜在0.1mol/dm3La(NO3)3溶液浸泡1小時后，在500℃燒結(jié)30分鐘，制得鑭表面修飾的二氧化鈦納米晶膜電極。再將制備好的鑭表面修飾的二氧化鈦納米晶膜在5×10-4mol/dm3N3染料的乙醇溶液中浸泡12小時敏化。在100mW/cm2的白光照射下測得電極的開路光電壓678mV、短路光電流20.09mA/cm2、填充因子0.59、能量轉(zhuǎn)換效率8.0％。
權(quán)利要求
1.一種納米晶膜太陽能電池電極，以寬禁帶半導體納米晶膜為基底，其特征在于該基底表面吸附一層金屬離子，在金屬離子吸附層上再吸附光敏化劑。
2.如權(quán)利要求1所述的納米晶膜太陽能電池電極，其特征在于所述寬禁帶半導體納米晶膜為納米晶二氧化鈦膜。
3.如權(quán)利要求1所述的納米晶膜太陽能電池電極，其特征在于光敏化劑為N3染料。
4.如權(quán)利要求1或2或3所述的納米晶膜太陽能電池電極，其特征在于所述金屬離子選自Sc3+，Y3+，La3+，Ce3+，Pr3+，Nd3+，Sm3+，Eu3+，Gd3+，Tb3+，Dy3+，Ho3+，Er3+，Tm3+，Yb3+，Lu3+等稀土金屬離子，或Zn2+，Al3+等離子。
5.一種制備如權(quán)利要求1所述的納米晶膜太陽能電池電極的方法，其步驟包括5-1制備金屬離子表面修飾的寬禁帶半導體納米晶膜將粒度1-50納米、1-50微米厚的寬禁帶半導體納米晶膜在0.01-2摩爾/升的金屬離子溶液中浸泡20分鐘至12小時，取出干燥；在200-600℃下燒結(jié)10分鐘至12小時，得到金屬離子表面修飾的寬禁帶半導體納米晶膜；5-2敏化金屬離子表面修飾的寬禁帶半導體納米晶膜將金屬離子表面修飾的寬禁帶半導體納米晶膜在10-5-10-3摩爾/升光敏化劑的有機溶劑中浸泡5-20小時。
6.如權(quán)利要求5所述的制備納米晶膜太陽能電池電極的方法，其特征在于所述寬禁帶半導體納米晶膜為二氧化鈦納米晶膜。
7.如權(quán)利要求5所述的制備納米晶膜太陽能電池電極的方法，其特征在于所述光敏化劑為N3染料。
8.如權(quán)利要求5所述的制備納米晶膜太陽能電池電極的方法，其特征在于將粒度為1-50納米的寬禁帶半導體膠體涂布在透明導電基片上形成薄膜，在200-600℃下燒結(jié)15分鐘至12小時，冷卻后重復操作直至得到1-50微米厚的膜。
9.如權(quán)利要求8所述的制備納米晶膜太陽能電池電極的方法，其特征在于透明導電基片為氟摻雜的二氧化錫導電玻璃。
10.如權(quán)利要求5或6或7或8或9所述的制備納米晶膜太陽能電池電極的方法，其特征在于所述金屬離子選自Sc3+，Y3+，La3+，Ce3+，Pr3+，Nd3+，Sm3+，Eu3+，Gd3+，Tb3+，Dy3+，Ho3+，Er3+，Tm3+，Yb3+，Lu3+等稀土金屬離子，或Zn2+，Al3+等離子。
全文摘要
本發(fā)明屬于染料敏化太陽能電池材料領(lǐng)域,涉及一種納米晶膜太陽能電池電極及其制備方法,以寬禁帶半導體納米晶膜為基底,在該基底表面吸附一層金屬離子,再在金屬離子吸附層上吸附光敏化劑。通過金屬離子的表面修飾,該納米晶膜電極在納米晶表面形成了一個勢壘;這個勢壘可以有效的降低電荷復合,從而大大改善電極的光電轉(zhuǎn)換性能,提高太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率。與單純二氧化鈦相比,基于金屬離子修飾二氧化鈦納米晶太陽能電池的光電轉(zhuǎn)化效率提高了5～14%。可作為電極廣泛應(yīng)用于太陽能領(lǐng)域。
文檔編號H01L31/18GK1350334SQ0114022
公開日2002年5月22日 申請日期2001年12月6日 優(yōu)先權(quán)日2001年12月6日
發(fā)明者黃春輝, 楊術(shù)明, 李富友 申請人:北京大學