專利名稱：一種用于染料敏化太陽電池的對電極及其制備方法
技術領域：
本發(fā)明涉及太陽電池技術領域，尤其是涉及一種用于染料敏化太陽電池的對電極及其 制備方法。
(二)
背景技術：
能源和環(huán)境是確保人類持續(xù)穩(wěn)定發(fā)展的關鍵因素，特別是能源目前己經(jīng)成為全人 類生存與發(fā)展面臨的嚴峻挑戰(zhàn)，發(fā)展新能源、開發(fā)新門類能源材料，是人類進入21
世紀必須解決的重大課題，其中開發(fā)清潔能源尤為重要。太陽能作為一種可再生能源，
具有較大的優(yōu)勢，與化石燃料相比，太陽能取之不盡、用之不竭；與核能相比，太陽 能更為安全；與風能相比，太陽能成本相對較低。近些年太陽電池受到了全世界的廣 泛關注。1991年瑞士洛桑高等工業(yè)學院Gratzel教授小組提出了 一種新太陽電
池---染料敏化太陽電池(Dye-Sensitized Solar Cell，即DSC)，這種光電化學
太陽電池成本低，制造工藝簡單，對環(huán)境污染小，雖然其轉(zhuǎn)化效率和穩(wěn)定性在現(xiàn)階段 還有待提高，但是該電池仍被認為是最有應用前景的一類太陽電池。
染料敏化太陽電池的結(jié)構(gòu)主要由工作電極、液態(tài)電解質(zhì)和對電極組成，其工作電 極就是在導電玻璃上刷一層納米Ti0a膜，經(jīng)過溫度燒結(jié)，然后再浸漬一定厚度的染料； 液態(tài)電解質(zhì)一般采用12/XI7有機溶劑或離子液體電解質(zhì)；對電極通常采用在導電玻璃
上鍍Pt、 C。染料敏化太陽電池的工作原理為當太陽光照射時，染料分子吸收光子 從基態(tài)躍遷到激發(fā)態(tài)；激發(fā)態(tài)的染料分子不穩(wěn)定，釋放出電子，然后電子迅速注入到 納米半導體的導帶中，隨后擴散至導電基底，經(jīng)外回路轉(zhuǎn)移至對電極；失去電子的染
料被還原態(tài)的電解質(zhì)(r)還原再生；氧化態(tài)的電解質(zhì)(13—)在對電極接受電子被還
原，從而完成了電子傳輸?shù)恼麄€循環(huán)過程。
對電極在光化學反應過程中，決定電解質(zhì)的還原速度、影響電池的串聯(lián)電阻以及 生產(chǎn)成本。目前染料敏化太陽電池常用的對電極主要有以下幾種1)在氟摻雜二氧 化錫導電玻璃上通過濺射法、熱分解法、電沉積法鍍上一層Pt; 2)如專利
200410037799. 8所述的在襯底的一側(cè)面上固接一鎳基合金層，在鎳基合金層的外側(cè)面 上再固接一超薄金屬層；3)如專利200510105677. 2所述的將納米結(jié)構(gòu)的、大比表面 積的介孔金屬材料用非離子表面活性劑電沉積法、陽離子表面活性劑電沉積法，或化 學法沉積于基底材料上制備介孔金屬電極，并將介孔金屬電極應用作為染料敏化太陽 能電池的對電極；4)如專利200610135370.1所述的高性能金屬/石墨復合對電極， 其以石墨為基本材料，與小尺寸無機固體微粒相混合，在一定壓力下將混合物壓入多 孔金屬網(wǎng)格中，形成高比表面積的多孔電極材料為對電極；5)如專利200710009239. 5所述的導電聚合物對電極；6)如專利200710133450.8 、 200710177810.4 、 200610114581. 7所述的介孔碳對電極。以上幾種染料敏化太陽電池的對電極一般采用 導電玻璃為基底，其中導電玻璃的成本大約占染料敏化太陽電池成本的1/3，而且通 常使用制備溫度高、成本較高的氟摻雜二氧化錫導電玻璃為襯底，而這種導電玻璃的 獲得目前主要靠進口。此外，為了減少沉積時間、縮短生產(chǎn)周期和降低生產(chǎn)成本，二 氧化錫薄膜的厚度一般較薄，因此方塊電阻較高， 一般為10 15Q，這樣必然導致電 池的串聯(lián)電阻增大，電池的填充因子和輸出功率減小，電池內(nèi)耗增加，光電轉(zhuǎn)換效率 相應降低。目前染料敏化太陽電池常用的上述對電極的缺點是電阻大、成本高并且所 用氟摻雜二氧化錫導電玻璃需要靠進口。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是針對上述存在問題，提供一種結(jié)構(gòu)新穎、制備方法簡單且成本低、反 射率高、電導率高和光電轉(zhuǎn)換效率高的用于染料敏化太陽電池的對電極及其制造方法。
本發(fā)明的技術方案
一種用于染料敏化太陽電池的對電極，其特征在于由基片、金屬層、阻隔層和催化 層構(gòu)成，金屬層、阻隔層和催化層依次沉積于基片上，金屬層用于反射可見光且降低電極
電阻，阻擋層位于金屬層與催化層之間且具有耐腐蝕、導電和透光性能；當染料敏化太陽
電池所采用的電解質(zhì)對金屬層無腐蝕性時，不設阻隔層，即催化層直接鍍敷在金屬層表面。 所述基片的材料為玻璃、不銹鋼或塑料。
所述金屬層的材料為鋁、銀、錫、鐵、鈦或鎳；金屬層的厚度不小于100nm。 所述催化層的材料為鉑或碳；催化層的厚度大于lnm。
所述阻隔層的材料為氧化鋅、氟摻雜二氧化錫、銦錫氧化物或聚二氧乙基噻吩；阻隔 材料層的厚度為0 100nm。
一種用于染料敏化太陽電池的對電極的制備方法，其特征在于步驟包括-
1) 基片的清洗將基片用電子清洗劑洗凈，然后用去離子水將基片沖洗干凈，
再依次用乙醇、石油醚、乙醇分別超聲清洗各15分鐘，干燥后待用；
2) 金屬層的制備在清洗干凈的基片上沉積金屬層的方法為蒸發(fā)法、濺射法或 電子束蒸發(fā)法；
3) 阻隔層的制備在金屬層表面沉積阻隔層的方法因阻隔層的材料不同而異， 氧化鋅的制備采用金屬有機化學氣相沉積法、濺射法或超聲噴霧法，銦錫氧化物的制 備采用濺射法或蒸發(fā)法，氟摻雜二氧化錫的制備采用金屬有機化學氣相沉積法、濺射 法或超聲噴霧法，聚二氧乙基噻吩的制備采用旋涂法或浸漬提拉法；當染料敏化太陽 電池所采用的電解質(zhì)對金屬層無腐蝕性時，該步驟3)省略。
4) 催化層的制備在阻隔層或金屬層表面鍍敷催化層的方法為電鍍法、絲網(wǎng)印刷法、 熱分解法或濺射法。
本發(fā)明的優(yōu)點是1)對可見光具有高的反射率，它可以將染料沒有完全吸收的太陽光反射回來，增加光程、提高太陽光的利用率和染料的吸收率；2)高的電導率，可以顯 著降低電池串聯(lián)電阻和電池內(nèi)耗，改善歐姆接觸，提高電池的填充因子和輸出功率；3) 基底材料的選擇范圍廣，制備方法簡單且成本低；4)金屬層的制備簡單，沉積溫度選擇 范圍寬，易于實現(xiàn)大規(guī)模、高速率沉積；5)可以顯著提高染料敏化太陽電池的光電轉(zhuǎn)換 效率，具有廣泛的應用前景。 具體實施方式
實施例1:
以普通玻璃為基片，首先用電子清洗劑(華星牌電子清洗劑，山東長城電子清洗科技 有限公司生產(chǎn))擦洗10分鐘，然后用去離子水將基片沖洗干凈，再依次用乙醇、石油醚、 乙醇分別超聲清洗各15分鐘，吹干；用蒸發(fā)法在玻璃上蒸出厚度為400nm的鋁層；在鋁 層上用勻膠機甩制(旋涂法)20nm的聚二氧乙基噻吩有機導電材料；然后再在其上濺射 100nm的鉑層即可獲得所需的對電極。由于該太陽電池所用的電解質(zhì)(組成為乙腈、I2、、 Lil、、四叔丁基吡啶)對鋁金屬層有腐蝕性，故設有阻隔層。將該法制備的對電極應用于 染料敏化太陽電池中，經(jīng)檢測顯示其反射率約為采用二氧化錫導電玻璃的4倍，其方塊 電阻的阻值僅為二氧化錫的千分之四。
實施例2:
以PET塑料為基片，首先用電子清洗劑(同上)擦洗20分鐘，然后用去離子水將基片沖 洗干凈，再依次用乙醇、石油醚、乙醇分別超聲清洗各15分鐘，吹干；用蒸發(fā)法在PET上 蒸發(fā)厚度為200nm的銀層；在銀層上用濺射法在其上制備厚度為200nm的氧化鋅；再用絲網(wǎng) 印刷法在其上制備50nm的碳層即可獲得所需的對電極。由于該太陽電池所用的電解質(zhì)(組 成為3甲氧基丙腈、12、 1丙基-3甲基咪唑碘、四叔丁基吡啶、聚偏氟乙烯)對銀金屬層 有腐蝕性，故設阻隔層。將該法制備的對電極應用于染料敏化太陽電池中，經(jīng)檢測顯示 其反射率約為采用二氧化錫導電玻璃的4倍，其方塊電阻的阻值僅為二氧化錫千分之四。
實施例3:
以不銹鋼為基片，首先用電子清洗劑(同上)擦洗30分鐘，然后用去離子水將基片
沖洗干凈，再依次用乙醇、石油醚、乙醇分別超聲清洗各15分鐘，晾干；用濺射法在基
底上制備厚度為200nm的鈦層；再在其上用熱分解法制備20nm的鉑層即可獲得所需的對 電極。由于該太陽電池所用的電解質(zhì)(組成為1,2 二甲基-3丙基咪唑碘、12、 Lil、四 叔丁基吡啶)對鈦金屬無腐蝕性，故未設阻隔層。將該法制備的對電極應用于染料敏化太 陽電池中，經(jīng)檢測顯示其反射率約為采用二氧化錫導電玻璃的3倍，其方塊電阻的阻值 僅為二氧化錫的百分之一。
權(quán)利要求
1.一種用于染料敏化太陽電池的對電極，其特征在于由基片、金屬層、阻隔層和催化層構(gòu)成，金屬層、阻隔層和催化層依次沉積于基片上，金屬層用于反射可見光且降低電極電阻，阻擋層位于金屬層與催化層之間且具有耐腐蝕、導電和透光性能；當染料敏化太陽電池所采用的電解質(zhì)對金屬層無腐蝕性時，不設阻隔層，即催化層直接鍍敷在金屬層表面。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于染料敏化太陽電池的對電極，其特征在于基片的材料 為玻璃、不銹鋼或塑料。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于染料敏化太陽電池的對電極，其特征在于金屬層的材 料為鋁、銀、錫、鐵、鈦或鎳；金屬層的厚度不小于100nm。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于染料敏化太陽電池的對電極，其特征在于催化層的材 料為鉑或碳；催化層的厚度大于lnm。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于染料敏化太陽電池的對電極，其特征在于阻隔層的材 料為氧化鋅、氟摻雜二氧化錫、銦錫氧化物或聚二氧乙基噻吩；阻隔材料層的厚度為0 100nm。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于染料敏化太陽電池的對電極的制備方法，其特征在于步 驟包括1) 基片的清洗將基片用電子清洗劑洗凈，然后用去離子水將基片沖洗干凈， 再依次用乙醇、石油醚、乙醇分別超聲清洗各15分鐘，干燥后待用；2) 金屬層的制備在清洗干凈的基片上沉積金屬層的方法為蒸發(fā)法、濺射法或 電子束蒸發(fā)法；3) 阻隔層的制備在金屬層表面沉積阻隔層的方法因阻隔層的材料不同而異， 氧化鋅的制備采用金屬有機化學氣相沉積法、濺射法或超聲噴霧法，銦錫氧化物的制 備采用濺射法或蒸發(fā)法，氟摻雜二氧化錫的制備采用金屬有機化學氣相沉積法、濺射 法或超聲噴霧法，聚二氧乙基噻吩的制備采用旋涂法或浸漬提拉法；當染料敏化太陽 電池所采用的電解質(zhì)對金屬層無腐蝕性時，該步驟3)省略。4) 催化層的制備在阻隔層或金屬層表面鍍敷催化層的方法為電鍍法、絲網(wǎng)印刷法、 熱分解法或濺射法。
全文摘要
一種用于染料敏化太陽電池的對電極，由基片、金屬層、阻隔層和催化層構(gòu)成，其制備方法是金屬層、阻隔層和催化層依次沉積于基片上；當染料敏化太陽電池所采用的電解質(zhì)對金屬層無腐蝕性時，在金屬層與催化層之間不設阻隔層，即催化層直接鍍敷在金屬層表面。本發(fā)明的優(yōu)點是可將染料沒有完全吸收的太陽光反射回來，增加光程、提高太陽光的利用率和染料的吸收率；可顯著降低電池串聯(lián)電阻和電池內(nèi)耗，改善歐姆接觸，提高電池的填充因子和輸出功率；基底材料的選擇范圍廣，制備方法簡單且成本低；金屬層的制備簡單，沉積溫度選擇范圍寬，易于實現(xiàn)大規(guī)模、高速率沉積；可顯著提高染料敏化太陽電池的光電轉(zhuǎn)換效率，具有廣泛的應用前景。
文檔編號H01G9/04GK101320629SQ20081005381
公開日2008年12月10日 申請日期2008年7月11日 優(yōu)先權(quán)日2008年7月11日
發(fā)明者健 孫, 張建軍, 張曉丹, 熊紹珍, 寧 蔡, 穎 趙, 魏長春 申請人:南開大學