專(zhuān)利名稱(chēng)：一種染料敏化太陽(yáng)能電池的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及太陽(yáng)能電池領(lǐng)域，具體為一種染料敏化太陽(yáng)能電池。
背景技術(shù)：
染料敏化太陽(yáng)能電池(DSSC)以其可持續(xù)發(fā)展性、環(huán)境友好性和簡(jiǎn)單的制備工藝 以及低成本等優(yōu)點(diǎn)已經(jīng)成為最有可能取代傳統(tǒng)的p-n結(jié)太陽(yáng)能電池的光電轉(zhuǎn)換器件。在過(guò) 去的二十年中，染料敏化太陽(yáng)能電池一直是各國(guó)能源領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)課題。在2001年和 2004年，Gi^tzel小組以納米多孔TW2薄膜為光陽(yáng)極，以釕(II)的多吡啶配合物作敏 化劑，用I3- /F氧化還原電對(duì)的電解質(zhì)體系制備染料敏化太陽(yáng)電池，其電池效率分別達(dá)到 了 10. 4 %和11.04 %。取得突破性的進(jìn)展后，研究人員對(duì)這種電池做了大量的研究，促進(jìn)了 這種結(jié)構(gòu)的太陽(yáng)電池的發(fā)展，但這些研究絕大多數(shù)都是基于Gratzel及其合作者的觀念， 所使用化學(xué)組件及電池的結(jié)構(gòu)也與他們的基本相同，而這種結(jié)構(gòu)的電池由于受到染料吸收 太陽(yáng)能光譜的范圍的限制，進(jìn)一步提高單個(gè)光敏的半導(dǎo)體電極的電池的效率極其困難。要 進(jìn)一步的提高染料敏化太陽(yáng)電池的效率，必須對(duì)設(shè)計(jì)電池的思想，電池的結(jié)構(gòu)以及電池的 各個(gè)部件上作出調(diào)整。目前對(duì)染料敏化太陽(yáng)電池的研究普遍集中在以TiO2, ZnO, SnO2等η-型半導(dǎo)體為 光陽(yáng)極材料，基本原理是染料分子吸收太陽(yáng)光后將電子迅速注入到η-型納米半導(dǎo)體的導(dǎo) 帶中；隨后擴(kuò)散至導(dǎo)電基底；經(jīng)外回路轉(zhuǎn)移至對(duì)電極，處于氧化態(tài)的染料接受電子被還原， 從而完成了電子輸運(yùn)的一個(gè)循環(huán)過(guò)程。理論上單個(gè)光敏的半導(dǎo)體電極的染料敏化電池的效率略大于30%，而包含兩個(gè)光 敏的半導(dǎo)體電極的太陽(yáng)電池的效率接近43%。因此，進(jìn)一步提高染料敏化太陽(yáng)電池效率的 最直接途徑就用光敏感的半導(dǎo)體電極取代目前普遍使用的惰性陰極進(jìn)而擴(kuò)展為串聯(lián)太陽(yáng) 電池。其方法之一使用傳統(tǒng)的P型半導(dǎo)體電極p-CdSe，p-CdTe, p-InP等來(lái)代替惰性陰 極，但是這些半導(dǎo)體在很多電解質(zhì)中不穩(wěn)定，影響了電池的性能。另一方法就是設(shè)計(jì)出納米 結(jié)構(gòu)的染料敏化光陰極進(jìn)而擴(kuò)展為串聯(lián)電池，其動(dòng)力學(xué)過(guò)程與使用η型半導(dǎo)體作為光陽(yáng)極 的染料敏化電池恰好相反，如圖1所示，即以P型納米半導(dǎo)體材料為染料敏化太陽(yáng)電池的 光陰極材料，染料吸收太陽(yáng)光后將電子轉(zhuǎn)移到氧化性的電解液中；P-型半導(dǎo)體價(jià)帶中的電 子轉(zhuǎn)到染料的最高被占用的分子軌道上從而在半導(dǎo)體價(jià)帶中產(chǎn)生空穴，空穴擴(kuò)散到底電極 經(jīng)外電路輸運(yùn)到對(duì)電極，從而完成一個(gè)空穴的循環(huán)。P型透明氧化物半導(dǎo)體Μ0，銅鐵礦結(jié)構(gòu)的ABO2 (A=Cu or Ag, B=Al, Cr, Sc, Y, etc.), SrCu2O2等材料已經(jīng)被證明帶隙大于3 eV,對(duì)可見(jiàn)光不吸收且導(dǎo)電類(lèi)型為ρ-型，同 時(shí)，這些氧化物非常穩(wěn)定。但到目前還沒(méi)有關(guān)于ABO2, SrCu2A作為光陰極的發(fā)明。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種染料敏化太陽(yáng)能電池，實(shí)現(xiàn)以ρ型透明導(dǎo)電氧化物半導(dǎo) 體納米材料作為太陽(yáng)電池的光陰極。
為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案為
一種染料敏化太陽(yáng)能電池，包括有兩相對(duì)的透光導(dǎo)電基底，其特征在于一個(gè)透光導(dǎo)電 基底表面鍍有貴金屬層后作為對(duì)電極，另一個(gè)透光導(dǎo)電基底表面附有含敏化染料的P型透 明導(dǎo)電氧化物半導(dǎo)體納米材料層，所述含敏化染料的P型透明導(dǎo)電氧化物半導(dǎo)體納米材料 層作為光陰極，所述對(duì)電極和光陰極位置相對(duì)，且對(duì)電極和光陰極之間有電解質(zhì)。所述的一種染料敏化太陽(yáng)能電池，其特征在于一個(gè)透光導(dǎo)電基底表面附有含敏 化染料的η型氧化物半導(dǎo)體納米材料層，另一個(gè)透光導(dǎo)電基底表面附有含敏化染料的P型 透明導(dǎo)電氧化物半導(dǎo)體納米材料層，所述含敏化染料的η型氧化物半導(dǎo)體納米材料層作為 光陽(yáng)極，含敏化染料的P型透明導(dǎo)電氧化物半導(dǎo)體納米材料層作為光陰極，所述光陽(yáng)極和 光陰極位置相對(duì)，且光陽(yáng)極和光陰極之間有電解質(zhì)；所述透光導(dǎo)電基底、含敏化染料P型透 明導(dǎo)電氧化物半導(dǎo)體納米材料層、含敏化染料η型氧化物半導(dǎo)體納米材料層、電解質(zhì)構(gòu)成 串聯(lián)染料敏化太陽(yáng)能電池。所述的一種染料敏化太陽(yáng)能電池，其特征在于所述P型透明導(dǎo)電氧化物半導(dǎo)體 納米材料可采用NiO ；或者是銅鐵礦結(jié)構(gòu)的ABO2，其中A=Cu or Ag, B=Al, Cr, Sc, Y,；或 者是 SrCu2O2。所述的一種染料敏化太陽(yáng)能電池，其特征在于所述η型氧化物半導(dǎo)體納米材料
可采用二氧化鈦，或者是氧化鋅。本發(fā)明構(gòu)成的染料敏化太陽(yáng)能電池具有導(dǎo)電的透光導(dǎo)電基底、形成在透光導(dǎo) 電基底上的含敏化染料的P型透明導(dǎo)電氧化物半導(dǎo)體納米材料層作為光陰極；以及鍍有貴 金屬的透光導(dǎo)電基底作為對(duì)電極和在對(duì)電極、光陰極之間的電解質(zhì)層，
本發(fā)明構(gòu)成的串聯(lián)染料敏化太陽(yáng)能電池具有透光導(dǎo)電基底、形成在透光導(dǎo)電基底上的 含敏化染料的η型氧化物半導(dǎo)體納米材料作為光陽(yáng)極的第一基底部件；透光導(dǎo)電基底、形 成在透光導(dǎo)電基底上的含敏化染料的P型透明導(dǎo)電氧化物半導(dǎo)體納米材料層作為光陰極 的第二基底部件；以及在光陽(yáng)極、光陰極之間的電解質(zhì)層。本發(fā)明以ρ型透明導(dǎo)電氧化物半導(dǎo)體納米材料作為染料敏化太陽(yáng)電池的光陰極， 取代了傳統(tǒng)染料敏化太陽(yáng)電池的對(duì)電極，組裝成染料敏化太陽(yáng)能電池和既包含光陽(yáng)極又包 含光陰極的串聯(lián)染料敏化太陽(yáng)能電池，本發(fā)明降低了電池的成本，可以利用一些對(duì)于η型 半導(dǎo)體不適用的敏化染料，同時(shí)也為以后發(fā)展高效的光伏器件奠定基礎(chǔ)。


圖1是傳統(tǒng)技術(shù)光陽(yáng)極太陽(yáng)電池的示意圖。圖2是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施方案一的染料敏化太陽(yáng)電池的示意圖。圖3是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施方案二的串聯(lián)染料敏化太陽(yáng)電池的示意圖。
具體實(shí)施例方式具體實(shí)施方案一
透光導(dǎo)電基底上具有光陰極本體，其含有敏化染料。光陰極本體為P型透明導(dǎo)電氧化 物半導(dǎo)體納米材料。P型透明導(dǎo)電氧化物半導(dǎo)體納米材料的例子有附0，銅鐵礦結(jié)構(gòu)的ABA (A=Cu or Ag, B=Al, Cr, Sc, Y, etc.), SrCu2O2等材料。光陰極本體的制備方式?jīng)]有特別的限制，可以是將包含P型透明導(dǎo)電氧化物半導(dǎo)體納米材料的膠涂覆在透光導(dǎo)電基底 上，然后進(jìn)行燒結(jié)還制備來(lái)制備半導(dǎo)體光陰極。涂膠的方法包括絲網(wǎng)印刷工藝、刮板工藝、 旋涂工藝等。本發(fā)明實(shí)施方案一中對(duì)于透光導(dǎo)電基底沒(méi)有特殊的限制，只要具有透光和導(dǎo)電性 質(zhì)即可。導(dǎo)電基底包括市場(chǎng)上的ITO、FTO玻璃。ρ型透明導(dǎo)電氧化物半導(dǎo)體納米材料NiO，銅鐵礦結(jié)構(gòu)的AB& (A=Cu or Ag, B=Al, Cr, Sc, Y, etc.), SrCu2O2等的制備沒(méi)有嚴(yán)格的限制?？梢允撬疅岱?、溶膠-凝膠法等。對(duì)于光陰極的厚度沒(méi)有嚴(yán)格的限制，可以是0. 1-50微米。半導(dǎo)體光陽(yáng)極的厚度在 10微米左右時(shí)可取的，厚度在0. 1-50微米有可能得到改善電池效率的光電轉(zhuǎn)換。對(duì)光陰極進(jìn)行熱處理，以便提高光陰極與透光導(dǎo)電基底的粘合強(qiáng)度，對(duì)熱處理的 時(shí)間和溫度沒(méi)有嚴(yán)格的限制，將熱處理的溫度控制在100-500度，熱處理的時(shí)間控制在 1-10小時(shí)。本發(fā)明實(shí)施方案一中對(duì)于對(duì)電極沒(méi)有特殊的限制，只要具有透光和導(dǎo)電性質(zhì)即 可。導(dǎo)電基底包括市場(chǎng)上的ITO、FTO玻璃。在對(duì)電極上鍍貴金屬層沒(méi)有特殊限制，可以是 濺射工藝、旋涂工藝等。敏化染料為一些還原性的染料，如磷卟啉、四碘熒光素或自己合成的具有還原性 的染料。對(duì)于將敏化染料粘合到光陽(yáng)極上的方法沒(méi)有特殊的限制。例如，可以將電極本體 浸入到用有機(jī)溶劑溶解的敏化染料的溶液中，然后清除有機(jī)溶劑，來(lái)將敏化染料粘合到半 導(dǎo)體光陽(yáng)極中。敏化染料的粘合量選為每克電極0.01-lmmol。若半導(dǎo)體光陽(yáng)極周?chē)嬖谖?被粘附的敏化染料，會(huì)影響電池的性能，可借助于沖洗半導(dǎo)體光陽(yáng)極來(lái)清除。沖洗溶劑為乙 醇之類(lèi)的有機(jī)溶劑。為了將大量敏化染料粘合到半導(dǎo)體光陽(yáng)極上，在浸漬之前對(duì)半導(dǎo)體光 陽(yáng)極進(jìn)行加熱時(shí)可取的，在加熱之后光陽(yáng)極到達(dá)環(huán)境溫度之前進(jìn)行浸漬，以避免水吸附到 光陽(yáng)極上影響敏化染料的吸附。電解質(zhì)層通常包含電解質(zhì)、溶劑、以及各種添加劑。電解質(zhì)的例子包括碘和碘化 物；溴和溴化物；亞鐵氰化物-氰鐵化物或二茂鐵-二茂鐵離子絡(luò)合物；聚硫化鈉或烷基硫 醇-烷基化二硫之類(lèi)的硫化合物；紫精染料等等。電解質(zhì)層的溶劑優(yōu)選是低粘性，高離子遷 移率、以及足夠離子傳導(dǎo)性的溶劑。這種溶劑包括乙烯碳酸脂和丙烯碳酸脂之類(lèi)的碳酸 脂；二惡烷和二乙基醚之類(lèi)的醚；乙烯甘醇二烷基醚、丙烯甘醇二烷基醚、聚乙烯甘醇二烷 基醚以及聚丙烯甘醇二烷基醚之類(lèi)的鏈醚等。對(duì)電解質(zhì)的厚度沒(méi)有嚴(yán)格求，可以調(diào)整到200 微米以下，這個(gè)厚度范圍有可能得到高的光電轉(zhuǎn)換效率。對(duì)于電解質(zhì)的注入沒(méi)有特殊的限制，可以在兩個(gè)基底之間提供樹(shù)脂或玻璃的密 封，然后將電解質(zhì)注入到密封空間中來(lái)制備電解質(zhì)層，在此情況下電解質(zhì)通過(guò)基底的注入 孔注入到密封的空間中。具體實(shí)施方案二
如圖3所示，根據(jù)本發(fā)明實(shí)施方案二的新型串聯(lián)染料敏化太陽(yáng)電池包括第一基底部 件、第二基底部件、以及電解質(zhì)層。第一基底部件具有透光導(dǎo)電基底，形成在基底表面上的 且其中包含敏化染料的η型氧化物半導(dǎo)體納米材料層的光陽(yáng)極。第二基底部件具有透光導(dǎo) 電基底以及形成在基底上且包含敏化染料的P型透明導(dǎo)電氧化物半導(dǎo)體納米材料的光陰 極。
本發(fā)明實(shí)施方案二中對(duì)于透光導(dǎo)電基底沒(méi)有特殊的限制，只要具有透光和導(dǎo) 電性質(zhì)即可。導(dǎo)電基底包括市場(chǎng)上的IT0、FT0玻璃。第一部件中基底上具有的光陽(yáng)極本體，其含有敏化染料。光陽(yáng)極本體為η型氧化 物半導(dǎo)體納米材料。η型氧化物半導(dǎo)體納米材料的例子有二氧化鈦、氧化鋅等。光陽(yáng)極的制 備方式?jīng)]有特別的限制，可以是將包含η型氧化物半導(dǎo)體納米材料的膠涂覆在透光導(dǎo)電基 底上，然后進(jìn)行燒結(jié)還制備來(lái)制備光陽(yáng)極。涂膠的方法包括絲網(wǎng)印刷工藝、刮板工藝、旋涂
工藝等。對(duì)于光陽(yáng)極的厚度沒(méi)有嚴(yán)格的限制，可以是0. 1-50微米。光陽(yáng)極的厚度在10微 米左右時(shí)可取的，厚度在0. 1-50微米有可能得到改善電池效率的光電轉(zhuǎn)換。對(duì)光陽(yáng)極進(jìn)行熱處理，以便提高半導(dǎo)體電極與透光導(dǎo)電基底的粘合強(qiáng)度，對(duì)熱處 理的時(shí)間和溫度沒(méi)有嚴(yán)格的限制，將熱處理的溫度控制在100-500度，熱處理的時(shí)間控制 在1-10小時(shí)。敏化染料為一些氧化性的染料，如Ν-719，黑染料等。對(duì)于將敏化染料粘合到光陽(yáng) 極上的方法沒(méi)有特殊的限制。例如，可以將電極本體浸入到用有機(jī)溶劑溶解的敏化染料的 溶液中，然后清除有機(jī)溶劑，來(lái)將敏化染料粘合到光陽(yáng)極中。敏化染料的粘合量選為每克電 極0. Ol-Immol。若光陽(yáng)極周?chē)嬖谖幢徽掣降拿艋玖?，?huì)影響電池的性能，可借助于沖洗 光陽(yáng)極來(lái)清除。沖洗溶劑為乙醇之類(lèi)的有機(jī)溶劑。為了將大量敏化染料粘合到光陽(yáng)極上， 在浸漬之前對(duì)光陽(yáng)極進(jìn)行加熱時(shí)可取的，在加熱之后光陽(yáng)極到達(dá)環(huán)境溫度之前進(jìn)行浸漬， 以避免水吸附到光陽(yáng)極上影響敏化染料的吸附。第二部件中基底上具有的光陰極本體，其上粘合有敏化染料。光陰極為ρ型透明 導(dǎo)電氧化物半導(dǎo)體納米材料。P型透明導(dǎo)電氧化物半導(dǎo)體納米材料的例子Μ0，銅鐵礦結(jié)構(gòu) 的ABO2 (A=Cu or Ag, B=Al, Cr, Sc, Y, etc.), SrCu2O2等材料。光陰極極本體的制備方 式?jīng)]有特別的限制，可以是將包含P型透明導(dǎo)電氧化物半導(dǎo)體納米材料的膠涂覆在透光導(dǎo) 電基底上，然后進(jìn)行燒結(jié)還制備來(lái)制備半導(dǎo)體光陽(yáng)極。涂膠的方法包括絲網(wǎng)印刷工藝、刮板 工藝、旋涂工藝等。ρ型透明導(dǎo)電氧化物半導(dǎo)體納米材料NiO，銅鐵礦結(jié)構(gòu)的AB& (A=Cu or Ag, B=Al, Cr, Sc, Y, etc.), SrCu2O2等的制備沒(méi)有嚴(yán)格的限制?？梢允撬疅岱?、溶膠-凝膠法等。同樣，對(duì)于光陰極的厚度沒(méi)有嚴(yán)格的限制，可以是0. 1-50微米。半導(dǎo)體光陽(yáng)極的 厚度在10微米左右時(shí)可取的，厚度在0. 1-50微米有可能得到改善電池效率的光電轉(zhuǎn)換。對(duì)光陰極進(jìn)行熱處理，以便提高光陰極與透光導(dǎo)電基底的粘合強(qiáng)度，對(duì)熱處理的 時(shí)間和溫度沒(méi)有嚴(yán)格的限制，將熱處理的溫度控制在100-500度，熱處理的時(shí)間控制在 1-10小時(shí)。敏化染料為一些還原性的染料，如磷卟啉、四碘熒光素或自己合成的具有還原性 的染料。對(duì)于將敏化染料粘合到光陽(yáng)極上的方法沒(méi)有特殊的限制。例如，可以將電極本體 浸入到用有機(jī)溶劑溶解的敏化染料的溶液中，然后清除有機(jī)溶劑，來(lái)將敏化染料粘合到光 陽(yáng)極中。敏化染料的粘合量選為每克電極0.01-lmmol。若光陽(yáng)極周?chē)嬖谖幢徽掣降拿艋?染料，會(huì)影響電池的性能，可借助于沖洗光陽(yáng)極來(lái)清除。沖洗溶劑為乙醇之類(lèi)的有機(jī)溶劑。 為了將大量敏化染料粘合到光陽(yáng)極上，在浸漬之前對(duì)光陽(yáng)極進(jìn)行加熱時(shí)可取的，在加熱之 后光陽(yáng)極到達(dá)環(huán)境溫度之前進(jìn)行浸漬，以避免水吸附到光陽(yáng)極上影響敏化染料的吸附。
電解質(zhì)層通常包含電解質(zhì)、溶劑、以及各種添加劑。電解質(zhì)的例子包括碘和碘化 物；溴和溴化物；亞鐵氰化物-氰鐵化物或二茂鐵-二茂鐵離子絡(luò)合物；聚硫化鈉或烷基硫 醇-烷基化二硫之類(lèi)的硫化合物；紫精染料等等。電解質(zhì)層的溶劑優(yōu)選是低粘性，高離子遷 移率、以及足夠離子傳導(dǎo)性的溶劑。這種溶劑包括乙烯碳酸脂和丙烯碳酸脂之類(lèi)的碳酸 脂；二惡烷和二乙基醚之類(lèi)的醚；乙烯甘醇二烷基醚、丙烯甘醇二烷基醚、聚乙烯甘醇二烷 基醚以及聚丙烯甘醇二烷基醚之類(lèi)的鏈醚等。對(duì)電解質(zhì)的厚度沒(méi)有嚴(yán)格求，可以調(diào)整到200 微米以下，這個(gè)厚度范圍有可能得到高的光電轉(zhuǎn)換效率。對(duì)于電解質(zhì)的注入沒(méi)有特殊的限制，可以在第一部件和第二部件之間提供樹(shù)脂或 玻璃的密封，然后將電解質(zhì)注入到密封空間中來(lái)制備電解質(zhì)層，在此情況下電解質(zhì)通過(guò)第 一基底或第二基底的注入孔注入到密封的空間中。
權(quán)利要求
1.一種染料敏化太陽(yáng)能電池，包括有兩相對(duì)的透光導(dǎo)電基底，其特征在于一個(gè)透光 導(dǎo)電基底表面鍍有貴金屬層后作為對(duì)電極，另一個(gè)透光導(dǎo)電基底表面附有含敏化染料的P 型透明導(dǎo)電氧化物半導(dǎo)體納米材料層，所述含敏化染料的P型透明導(dǎo)電氧化物半導(dǎo)體納米 材料層作為光陰極，所述對(duì)電極和光陰極位置相對(duì)，且對(duì)電極和光陰極之間有電解質(zhì)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種染料敏化太陽(yáng)能電池，其特征在于一個(gè)透光導(dǎo)電基底 表面附有含敏化染料的η型氧化物半導(dǎo)體納米材料層，另一個(gè)透光導(dǎo)電基底表面附有含敏 化染料的P型透明導(dǎo)電氧化物半導(dǎo)體納米材料層，所述含敏化染料的η型氧化物半導(dǎo)體納 米材料層作為光陽(yáng)極，含敏化染料的P型透明導(dǎo)電氧化物半導(dǎo)體納米材料層作為光陰極， 所述光陽(yáng)極和光陰極位置相對(duì)，且光陽(yáng)極和光陰極之間有電解質(zhì)；所述透光導(dǎo)電基底、含敏 化染料P型透明導(dǎo)電氧化物半導(dǎo)體納米材料層、含敏化染料η型氧化物半導(dǎo)體納米材料層、 電解質(zhì)構(gòu)成串聯(lián)染料敏化太陽(yáng)能電池。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種染料敏化太陽(yáng)能電池，其特征在于所述P型透明導(dǎo)電 氧化物半導(dǎo)體納米材料可采用NiO;或者是銅鐵礦結(jié)構(gòu)的ABO2，其中A=Cu or Ag, B=Al, Cr, Sc, Y,；或者是 SrCu2O2。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種染料敏化太陽(yáng)能電池，其特征在于所述η型氧化物半 導(dǎo)體納米材料可采用二氧化鈦，或者是氧化鋅。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種染料敏化太陽(yáng)能電池，包括有透光導(dǎo)電基底，透光導(dǎo)電基底表面附有含敏化染料的p型透明導(dǎo)電氧化物半導(dǎo)體納米材料層，含敏化染料的p型透明導(dǎo)電氧化物半導(dǎo)體納米材料層作為光陰極。本發(fā)明降低了電池的成本，可以利用一些對(duì)于n型半導(dǎo)體不適用的敏化染料，同時(shí)也為以后發(fā)展高效的光伏器件奠定基礎(chǔ)。
文檔編號(hào)H01G9/042GK102074376SQ20111000145
公開(kāi)日2011年5月25日 申請(qǐng)日期2011年1月6日 優(yōu)先權(quán)日2011年1月6日
發(fā)明者周曙, 方曉東, 董偉偉, 鄧贊紅, 邵景珍, 陶汝華 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院安徽光學(xué)精密機(jī)械研究所