專利名稱：分層吸附協(xié)同敏化的寬光譜染料敏化太陽電池的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于太陽電池尤其是染料敏化太陽電池技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一 種分層吸附協(xié)同敏化的寬光譜染料敏化太陽電池。
背景技術(shù)：
太陽電池能夠直接將太陽能轉(zhuǎn)化成電能，是太陽能的主要利用形式之一。自1991年Gratzd等在Nature上報(bào)道了染料敏化納米晶太陽電池 (dye-sensitized solar cell, DSC)的太陽能轉(zhuǎn)化效^>7%以來，DSC便受到 了廣泛的關(guān)注。與硅太陽電池、化合物半導(dǎo)體電池等其他種類相比而言， 染料敏化太陽電池具有低成本等突出優(yōu)勢。染料敏化太陽電池主要由光陽極、陰極、電解質(zhì)以及封裝部件組成。 在透明導(dǎo)電玻璃基底(或透明導(dǎo)電柔性基底、導(dǎo)線、篩網(wǎng)等基底)上沉積 的多孔Ti02 (或ZnO、 Sn02、 SrTi03、 Nb205、 Ce02等材料)膜吸附染料 后構(gòu)成光陽極。在電池的光電轉(zhuǎn)換機(jī)理中，染料吸收光子激發(fā)出光電子并 注入到TK)2導(dǎo)帶中，隨后經(jīng)由陽極導(dǎo)出到達(dá)外電路。因此，染料的光吸收 和光電轉(zhuǎn)換效果是電池實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換輸出的根源，提高染料的光吸收和光 電轉(zhuǎn)換效果是提高電池性能的根本。所以，對于拓寬染料吸收光譜范圍的研究一直是該技術(shù)領(lǐng)域的基礎(chǔ)性 重要課題，然而通過分子設(shè)計(jì)提高單一染料的光響應(yīng)特性長期以來沒有得 到跨越發(fā)展。自從1993年報(bào)道了10.5%的效率以來，2001年達(dá)到了 11.04% 的效率，最近達(dá)到了11.3%的新高。此外，從分子設(shè)計(jì)角度而言，隨著光譜響應(yīng)向長波長的拓寬，電池開路電壓下降的現(xiàn)象難以避免，因此，盡管 輸出電流得到提高，但電壓降低的現(xiàn)象會限制輸出效率的有效提高。與上述思路相比，采用多種染料共同吸附在陽極內(nèi)提高光響應(yīng)是一條 捷徑。然而，若采用染料混合吸附的方式，由于染料之間會產(chǎn)生相互抑制 的效果，使得共同敏化后的效率提高經(jīng)常受到限制。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的在于提供一種采用染料分層吸附的方式可實(shí)現(xiàn)多種染 料協(xié)同敏化，以達(dá)到提高電池效率和降低電池成本目的的染分層吸附協(xié)同 敏化的寬光譜染料敏化太陽電池。為達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是由光陽極、陰極、電解 質(zhì)以及封裝部件構(gòu)成，其特征在于光陽極內(nèi)部兩個(gè)或兩個(gè)以上的納晶多 孔半導(dǎo)體薄膜分層吸附有光吸收光譜范圍互補(bǔ)的染料。本發(fā)明的光陽極薄膜的構(gòu)成材料為Ti02、 ZnO、 Sn02、 SrTi03、 Nb205、 Ce02或含有上述至少之一的復(fù)合物;光陽極多孔納晶薄膜由顆粒狀、針狀、 棒狀、管狀或上述兩種或兩種以上的構(gòu)成單元構(gòu)成；光陽極內(nèi)依次分層吸 附不同的染料，其光吸收光譜波長范圍具有依次從太陽光譜的短波段逐段 增加的吸收光譜互補(bǔ)特征。得到以上染料敏化太陽電池的制備過程如下首先在導(dǎo)電基底表面制 備一層厚度為0.1 15拜的納晶多孔半導(dǎo)體薄膜，然后吸附第一種染料或 再經(jīng)表面絕緣處理；在其表面繼續(xù)制備一層一層厚度為0.1 15pm的納晶 多孔半導(dǎo)體薄膜，然后吸附第二種染料或再經(jīng)表面絕緣處理；依次類推， 直到制備得到所需的結(jié)構(gòu)層數(shù)的光陽極為止，然后再將光陽極、陰極、電 解質(zhì)及封裝部件封裝得到太陽電池。其中，所述的光吸收光譜范圍互補(bǔ)是指染料中的一種僅在一定的范圍 內(nèi)具有較好光電特性，而不同染料具有較好光電特性的的范圍互相不完全 相同，每種染料具有較好光電特性的光譜范圍疊加起來后會覆蓋更寬的范圍。圖1以三種染料為例進(jìn)一步說明了這種互補(bǔ)特征，由圖可以發(fā)現(xiàn)，A、 B、 C三種染料均在一定范圍內(nèi)具有較好的光電特性，此時(shí)A、 B兩種染 料具有較好的光電特性的光譜范圍或多或少地有所交叉，這樣，三種染料 具有較好光電特性的光譜范圍的疊加就覆蓋了比其中任何一種染料更寬 的范圍，從而實(shí)現(xiàn)了更寬范圍的光吸收。若A、 B兩種染料沒有交叉，那 么三種染料的疊加還會在A、 B未交叉的區(qū)域留有光電特性不好的少量區(qū) 域，然而，三種染料配合使用仍然能夠?qū)崿F(xiàn)更寬范圍的光響應(yīng)。


圖1是具有光吸收光譜范圍互補(bǔ)特征的多種染料的光響應(yīng)圖； 圖2是內(nèi)部分層吸附兩種染料的光陽極的制備過程。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說明。 以下是發(fā)明人給出的實(shí)施例，但本發(fā)明并不局限于這些實(shí)施例。 實(shí)施例l:JK2與SQ1兩種染料具有一定的光響應(yīng)互補(bǔ)性。參見圖2，在第一層 陽極Ti02薄膜上吸附JK2染料(或進(jìn)行4-tBP絕緣處理)后構(gòu)成了單層的 初步的光陽極，在其表面采用真空冷噴涂法制備一層Ti02薄膜后再吸附 SQ1染料(或再經(jīng)絕緣處理)，構(gòu)成了具有兩種染料分兩層吸附的光陽極， 與陰極、電解質(zhì)和封裝部件封裝后構(gòu)成本發(fā)明所述的電池。實(shí)施例2:方酸菁染料在600-700nm具有較好的光吸收，與N719染料的光響應(yīng) 具有一定互補(bǔ)性。在第一層陽極Ti02薄膜上吸附N719染料(或進(jìn)行4-tBP 絕緣處理)后構(gòu)成了單層的初步的光陽極，在其表面采用壓膜法制備一層 ZnO薄膜后吸附方酸菁染料(或在經(jīng)絕緣處理)，構(gòu)成了具有兩種染料分 兩層吸附的光陽極，與陰極、電解質(zhì)和封裝部件封裝后構(gòu)成本發(fā)明所述的 電池。實(shí)施例3:基于實(shí)施例2所述的光陽極，繼續(xù)在其表面制備一層Nb205包覆的 Sn02薄膜，再吸附具有更長波長范圍光響應(yīng)特性的第三種染料后，再組裝 的電池具有三種染料分層吸附的協(xié)同敏化效果。重復(fù)上述類似步驟，還可 制作更多染料分層吸附的高效低成本太陽電池。實(shí)施例4:采用真空冷噴涂法制備10拜厚的Ti02薄膜經(jīng)熱處理與T1CU處理后 并吸附N719染料后組裝電池，短路電流密度達(dá)到15mA/cm2，對上述陽極 表面采用真空冷噴涂法制備5拜厚的Ti02薄膜并吸附黑染料后組裝得到 本發(fā)明所述的電池，由于黑染料在700nm以上具有更好的光響應(yīng)特性，因 此短路電流密度達(dá)到16.5mA/cm2，得到顯著提高。本發(fā)明所帶來的積極技術(shù)效果是第一，采用光譜響應(yīng)具有互補(bǔ)特征的多種染料實(shí)現(xiàn)更寬范圍的光吸 收，以此提高電池效率，屬于提高電池性能的根本途徑之一。第二，與采用單一染料相比，采用多種染料可以降低對每種染料吸光 特性的要求，從而利于大幅度降低染料的合成成本，有利于推進(jìn)染料敏化 太陽電池的繼續(xù)低成本化。第三，與目前公開的染料混合吸附(具體包括在同一光陽極多孔半導(dǎo) 體膜中直接吸附兩種染料的混合溶液或先后依次吸附幾種染料)相比，可 以克服染料之間的相互不利影響，從而為染料之間能夠真正實(shí)現(xiàn)協(xié)同敏化 提供了保證?？傊摪l(fā)明對推動DSC的進(jìn)一步高效化和低成本化起到積極的促 進(jìn)作用。
權(quán)利要求
1、一種分層吸附協(xié)同敏化的寬光譜染料敏化太陽電池，由光陽極、陰極、電解質(zhì)以及封裝部件構(gòu)成，其特征在于光陽極內(nèi)部兩個(gè)或兩個(gè)以上的納晶多孔半導(dǎo)體薄膜分層吸附有光吸收光譜范圍互補(bǔ)的染料。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的分層吸附協(xié)同敏化的寬光譜染料敏化太陽 電池，其特征在于，所述的光陽極薄膜的構(gòu)成材料為Ti02、 ZnO、 Sn02、 SrTi03、 Nb205、 Ce02或含有上述至少之一的復(fù)合物。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的分層吸附協(xié)同敏化的寬光譜染料敏化太陽 電池，其特征在于，所述的光陽極多孔納晶薄膜由顆粒狀、針狀、棒狀、 管狀或上述兩種或兩種以上的構(gòu)成單元構(gòu)成。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的分層吸附協(xié)同敏化的寬光譜染料敏化太陽 電池，其特征在于，所述的光陽極內(nèi)依次分層吸附不同的染料，其光吸收 光譜波長范圍具有依次從太陽光譜的短波段逐段增加的吸收光譜互補(bǔ)特 征。
全文摘要
一種分層吸附協(xié)同敏化的寬光譜染料敏化太陽電池，由光陽極、陰極、電解質(zhì)以及封裝部件構(gòu)成，光陽極內(nèi)部分層吸附具有光譜范圍互補(bǔ)特征的多種染料。這些分層吸附的染料，不僅實(shí)現(xiàn)了更寬的光譜吸收和光電轉(zhuǎn)換，而且可以避免染料混合吸附時(shí)造成的染料之間的不利影響及其所帶來的電壓降低的問題。還可實(shí)現(xiàn)更寬范圍的光吸收因而具有更高的輸出輸出電流和能量轉(zhuǎn)換效率。本發(fā)明不僅可以用于導(dǎo)電玻璃基底電池的高效化和低成本化，還可以用于柔性電池的高效化和低成本化。這些特征，均利于提高電池的輸出電流和能量轉(zhuǎn)換效率并降低電池成本。
文檔編號H01G9/20GK101320631SQ200810150278
公開日2008年12月10日 申請日期2008年7月8日 優(yōu)先權(quán)日2008年7月8日
發(fā)明者李長久, 楊冠軍, 范圣強(qiáng) 申請人:西安交通大學(xué)