專利名稱：一種經(jīng)離子注入處理的染料敏化太陽能電池及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及染料敏化太陽能電池領(lǐng)域，尤其涉及一種經(jīng)離子注入處理的染料敏化 太陽能電池及其制備方法。
背景技術(shù)：
從1%4年美國貝爾實驗室發(fā)明太陽能電池以來，人們對太陽能的利用在不斷 的提高，其光電轉(zhuǎn)化率也隨之提高。瑞士洛桑聯(lián)邦理工學院的教授于1991年在《自然》 (Nature)上發(fā)表的染料敏化太陽能電池制備方法，引起國內(nèi)外相關(guān)學者對該技術(shù)廣泛關(guān) 注。這種有機薄膜電池與傳統(tǒng)晶體電池相比制作成本更低、制備工藝更簡易、污染性更少， 而且其理論光伏轉(zhuǎn)化效率可達31%。因此該技術(shù)具有較開闊的發(fā)展前景。染料敏化太陽能電池發(fā)電原理類似于植物的光和作用，其結(jié)構(gòu)又類似于三明治疊 層結(jié)構(gòu)，即在兩導電基底之間依次分布多孔T^2薄膜、有機染料、電解液以及鉬薄膜層。入 射光激發(fā)染料產(chǎn)生的電子-空穴對，電子通過T^2導帶注入到導電基底由外部導線引出經(jīng) 過負載回到對電極。被激發(fā)的染料在電解液中得到還原，完成一次光伏發(fā)電。目前已有文獻報道的染料敏化太陽能電池實驗室轉(zhuǎn)換率僅達為1 左右，遠低于 傳統(tǒng)晶體硅電池的20%以上。影響染料敏化太陽能電池光伏轉(zhuǎn)化率的因素較多，其中TiA 導帶能級與染料最低未占有軌道能級匹配度影響受激發(fā)的染料釋放的電子能不能更多的 注入到TiA導帶能級，而不會回流至電解液中與其釋放的空穴復合。如果TW2導帶能級與 染料最低未占有軌道能級匹配度較低，使得光成電子過多的與光生空穴復合，造成光伏損 失。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種高光電轉(zhuǎn)換效率的染料敏化太陽能電池 的制備方法以及利用該方法制備的染料敏化太陽能電池，該方法利用離子注入技術(shù)產(chǎn)生光 生電子-空穴淺俘獲勢阱，在TiO2導帶與價帶之間形成新能級，提高TW2導帶與染料最低 未占有軌道能級的匹配度；從而使利用該方法制備的太陽能電池具有較高的光電轉(zhuǎn)化率。為了達到上述目的，本發(fā)明提出了一種經(jīng)離子注入處理的染料敏化太陽能電池的 制備方法，包括以下步驟
a.清洗光陽極基底；
b.制備光吸收層；
c.對經(jīng)步驟b處理后的光陽極進行第一次熱處理；
d.將金屬離子注入到經(jīng)步驟C處理后的光陽極，完成對光陽極的離子注入改性，所述 離子注入改性為Cu/ TiO2改性或Zn/ TiO2改性或Fe/ TiO2改性；
e.對經(jīng)離子注入改性后的光陽極進行第二次熱處理；
f.制備對電極；
g.將步驟f制備的對電極與步驟e制備的光陽極對接，封裝制得染料敏化太陽能電池。
上述經(jīng)離子注入處理的染料敏化太陽能電池的制備方法，所述步驟a中清洗光陽 極基底是指將所述濺射有第一摻氟SnO2導電層的光陽極基底一側(cè)在超聲清洗器內(nèi)將所述 光陽極基底依次使用去離子水、無水乙醇和丙酮清洗10分鐘，在烘干箱內(nèi)烘干后置于濃度 為40 mmol/L的TiCl4溶液中浸泡，水浴加熱至70°C下浸泡30分鐘后，取出烘干。上述經(jīng)離子注入處理的染料敏化太陽能電池的制備方法，所述步驟b中制備光吸 收層是指將已配制好的20nm Τ 02料漿和20nm與200nm TiO2混合漿料絲網(wǎng)印刷于所述光 陽極的第一摻氟SnO2導電層表面，通過均化、干燥工藝形成厚度為14 16 μ m的納米透明 TiO2膜層和TW2混合層，在TW2混合層之上再絲網(wǎng)印刷一層400nm TiO2散射層形成光陽 極光吸收層。上述經(jīng)離子注入處理的染料敏化太陽能電池的制備方法，所述步驟c中對光陽極 進行第一次熱處理是指將經(jīng)步驟b處理后的光陽極置于氣氛爐內(nèi)，在325°C下保溫5 10 分鐘后升至375°C保溫5 10分鐘，再升溫到450°C保溫10 15分鐘，最后將溫度升至 500°C并保溫10 15分鐘，完成所述光陽極的制備。上述經(jīng)離子注入處理的染料敏化太陽能電池的制備方法，所述步驟d中離子注入 改性是指使用離子注入機，調(diào)節(jié)觸發(fā)電壓在5 kv 10kv，注入劑量在lX1015/CnTl0X1015/ cm2,束流2. 5mA,將1 3+注入到步驟c所述光陽極，完成對所述光陽極的改性處理。上述經(jīng)離子注入處理的染料敏化太陽能電池的制備方法，所述步驟e中對經(jīng)離 子注入改性后的光陽極進行第二次熱處理是指將經(jīng)步驟d改性處理后的光陽極再次置于 40mmol/L的TiCl4溶液中浸泡后烘干，再將所述光陽極置于氣氛爐內(nèi)450°C下保溫30分 鐘。上述經(jīng)離子注入處理的染料敏化太陽能電池的制備方法，所述步驟f中對電極制 備是指在對電極基底的一側(cè)濺射第二摻氟SnO2導電層，接著利用絲網(wǎng)印刷法將鉬漿印刷至 所述第二摻氟SnA導電層表面，再在400°C下處理10分鐘制成所述對電極。上述經(jīng)離子注入處理的染料敏化太陽能電池的制備方法，所述步驟g中封裝制得 染料敏化太陽能電池是指將步驟f制備的對電極與步驟e制備的光陽極對接后，使用沙林 膜進行封裝，接著在真空環(huán)境中注入電解液，并使用沙林膜密封電解液注入口，制得染料敏 化太陽能電池。為了達到上述目的，本發(fā)明同時提出了一種染料敏化太陽能電池，包括表面設(shè)置 有光吸收層的光陽極、吸附于所述光陽極光吸收層表面的染料敏化劑、面對所述光陽極并 位于所述光吸收層一側(cè)的對電極，設(shè)置在所述光陽極和所述對電極之間的電解液，所述光 陽極經(jīng)過離子注入改性處理，所述離子注入改性為Cu/ TiO2改性或ai/ TiO2改性或 TiO2改性。上述染料敏化太陽能電池，所述光陽極包括光陽極基底、濺射在所述光陽極基底 上的第一摻氟SnO2導電層以及光吸收層；所述光吸收層包括依次絲網(wǎng)印刷于所述第一摻氟 SnO2導電層上的納米透明TiA膜層、TiA混合層和TiA散射層；所述對電極包括對電極基 底、濺射在所述對電極基底朝向所述光陽極一側(cè)的第二摻氟SnO2導電層、絲網(wǎng)印刷于所述 第二摻氟SnA導電層表面的鉬電極。與現(xiàn)有的染料敏化太陽能電池相比，本發(fā)明利用MEVVA (metal vapor vacuum arc，金屬蒸汽真空弧)離子源離子注入機對光陽極光吸收層表面進行金屬離子改性，產(chǎn)生光生電子-空穴淺俘獲勢阱，在TW2導帶與價帶之間形成了新能級，提高了 TW2導帶與染 料最低未占有軌道能級的匹配度，從而使染料敏化太陽能電池具有較高的光電轉(zhuǎn)化率。利 用線性綴加平面波法分析，經(jīng)過狗3+注入后，TW2能帶結(jié)構(gòu)會改變，不僅使得TW2自身帶隙 產(chǎn)生微小位移，而且在TiA的禁帶區(qū)域1. 19 1. 63 eV產(chǎn)生新的間隙能帶，這種間隙能帶 的產(chǎn)生可以提高染料最低未占有軌道能級與TiO2導帶能級的匹配度，更多的光生電子被注 入到TiA導帶和新生間隙能級，還可以產(chǎn)生晶格缺陷形成光生電子淺俘獲勢阱能夠及時有 效的分離染料激發(fā)的光生電子-空穴對，減少電子-空穴的復合率，達到提高光伏轉(zhuǎn)化率的 目的。經(jīng)過實驗對比，注入1 3+后染料敏化太陽能電池效率提高超過30%，而且在注入劑量 1 X 1015/cm2-9 X IO1Vcm2范圍內(nèi)呈凸型拋物線形狀。
通過下面結(jié)合附圖對其示例性實施例進行的描述，本發(fā)明上述特征和優(yōu)點將會變 得更加清楚和容易理解。圖1為本發(fā)明的染料敏化太陽能電池結(jié)構(gòu)示意圖。附圖符號說明
1-光陽極，101-光陽極基底，102-第一摻氟Sn02導電層，
2-光陽極光吸收層，201-納米透明Ti02膜層，202- 02混合層，203_Ti02散射層，
3-對電極，301-對電極基底，302-第二摻氟SnO2導電層，303-鉬電極。4-電解液， 5-染料敏化劑。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進一步詳細說明。圖1示出了本發(fā)明經(jīng)離子注入處理的染料敏化太陽能電池的結(jié)構(gòu)，由圖可以看 出，該染料敏化太陽能電池包括表面設(shè)置有光吸收層2的光陽極1、吸附于光陽極光吸收層 2表面的染料敏化劑、面對光陽極1并位于光吸收層2 —側(cè)的對電極3，設(shè)置在光陽極1和 對電極3之間的電解液4，光陽極1經(jīng)過離子注入改性處理，離子注入改性為Cu/ TiO2改性 或Si/ TiO2改性或Fe/ TiO2改性。光陽極1包括光陽極基底101、濺射在光陽極基底101 上的第一摻氟SnA導電層102以及光吸收層2 ；光吸收層2包括依次絲網(wǎng)印刷于第一摻氟 SnO2導電層102上的納米透明TW2膜層201、TiO2混合層202和TW2散射層203 ；對電極 3包括對電極基底301、濺射在對電極基底301朝向光陽極1 一側(cè)的第二摻氟SnA導電層 302、絲網(wǎng)印刷于第二摻氟SnO2導電層302表面的鉬電極303。
本發(fā)明染料敏化太陽能電池的制備方法包括以下步驟
a.清洗光陽極基底；
b.制備光吸收層；
c.對經(jīng)步驟b處理后的光陽極進行第一次熱處理；
d.將金屬離子注入到經(jīng)步驟C處理后的光陽極，完成對光陽極的離子注入改性，所述 離子注入改性為Cu/ TiO2改性或Zn/ TiO2改性或Fe/ TiO2改性；e.對經(jīng)離子注入改性后的光陽極進行第二次熱處理；
f.制備對電極；
g.將步驟f制備的對電極與步驟e制備的光陽極對接，經(jīng)注入電解質(zhì)后封裝制得染料 敏化太陽能電池。下面給出本發(fā)明染料敏化太陽能電池的一個具體制備方法。實施例一
步驟a 清洗光陽極基底。在光陽極基底101的一側(cè)濺射第一摻氟Sr^2導電層102，對 光陽極第一摻氟SnO2導電層102進行表面清洗，在超聲清洗器內(nèi)將其依次使用去離子水、 無水乙醇和丙酮清洗10分鐘，在烘干箱內(nèi)烘干后置于濃度為40 mmol/L的TiCl4溶液中浸 泡，水浴加熱至70°C下浸泡30分鐘后，取出烘干。步驟b 制備光吸收層。將已配制好的20nm TiO2料漿和20nm與200nm TiO2混合 漿料絲網(wǎng)印刷于光陽極1的第一摻氟SnO2導電層102表面，通過均化、干燥工藝形成厚度 為14 16 μ m的納米透明TW2膜層201和TW2混合層202，在TW2混合層202之上再絲 網(wǎng)印刷一層400nm TiO2散射層203形成光吸收層2。步驟c 對經(jīng)步驟b處理后的光陽極進行第一次熱處理。將經(jīng)步驟b處理后的光 陽極1置于氣氛爐內(nèi)，在325°C下保溫5 10分鐘后升至375°C保溫5 10分鐘，再升溫 到450°C保溫10 15分鐘，最后將溫度升至500°C并保溫10 15分鐘，完成光陽極1的 制備。步驟d 將金屬離子注入到經(jīng)步驟c處理后的光陽極，完成對光陽極的離子注入改 性，所述離子注入改性為Cu/ TiO2改性或Si/ TiO2改性或Fe/ TiO2改性。使用MEVVA源離 子注入機，調(diào)節(jié)觸發(fā)電壓在5 kv 101 ，注入劑量在1\1015/0112 10\1015/0112，束流2.5·， 將狗3+注入到步驟c所述光陽極1，完成對光陽極1的改性處理。步驟e 對經(jīng)離子注入改性后的光陽極進行第二次熱處理。將經(jīng)步驟d改性處理 后的光陽極1再次置于40mmol/L的TiCl4溶液中浸泡后烘干，再將光陽極1置于氣氛爐內(nèi) 450°C下保溫30分鐘。步驟f 制備對電極。在對電極基底301的一側(cè)濺射第二摻氟SnA導電層302，接 著利用絲網(wǎng)印刷法將鉬漿印刷至第二摻氟SnO2導電層302表面，再在400°C下處理10分鐘 制成對電極3。步驟g 將步驟f制備的對電極與步驟e制備的光陽極對接，封裝制得染料敏化太 陽能電池。將步驟f制備的對電極3與步驟e制備的光陽極1對接后，使用沙林膜進行封 裝，接著在真空環(huán)境中注入電解液，并使用沙林膜密封電解液注入口，制得染料敏化太陽能 電池。
實施例二
在步驟d中也可以使用不同過度金屬離子對步驟c中的光陽極1進行改性處理。如 Co/ TiO2改性、Ni/ TiO2改性、Cu/ TiO2改性、Zn/ TiO2改性等，其中只有Cu/ TiO2改性和 Zn/ TiO2改性對電池的光能轉(zhuǎn)化率有所提高，Co/ TiO2改性雖然在TiO2禁帶區(qū)域產(chǎn)生新能 級但效果不明顯，Ni/ TiO2改性后TW2自身能帶未發(fā)生變化、所形成的新能級要高于TW2 導帶能級，產(chǎn)生負影響，降低了電池的光能轉(zhuǎn)化率。
需要注意的是，以上內(nèi)容是結(jié)合具體的實施方式對本發(fā)明所作的進一步詳細說 明，不能認定本發(fā)明的具體實施方式
僅限于此，在本發(fā)明的上述指導下，本領(lǐng)域技術(shù)人員可 以在上述實施例的基礎(chǔ)上進行各種改進和變形，而這些改進或者變形落在本發(fā)明的保護范 圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種經(jīng)離子注入處理的染料敏化太陽能電池的制備方法，其特征在于包括以下步驟a.清洗光陽極基底；b.制備光吸收層；c.對經(jīng)步驟b處理后的光陽極進行第一次熱處理；d.將金屬離子注入到經(jīng)步驟C處理后的光陽極，完成對光陽極的離子注入改性，所述 離子注入改性為Cu/ Τ 02改性或Si/ Τ 02改性或Fe/ Τ 02改性；e.對經(jīng)離子注入改性后的光陽極進行第二次熱處理；f.制備對電極；g.將步驟f制備的對電極與步驟e制備的光陽極對接，經(jīng)注入電解液后封裝制得染料 敏化太陽能電池。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的經(jīng)離子注入處理的染料敏化太陽能電池的制備方法，其特征 在于所述步驟a中清洗光陽極基底是指將濺射有第一摻氟Sn02導電層的光陽極基底一側(cè) 在超聲清洗器內(nèi)將所述光陽極基底依次使用去離子水、無水乙醇和丙酮清洗10分鐘，在烘 干箱內(nèi)烘干后置于濃度為40 mmol/L的TiC14溶液中浸泡，水浴加熱至70°C下浸泡30分 鐘后，取出烘干。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的經(jīng)離子注入處理的染料敏化太陽能電池的制備方法，其特征 在于所述步驟b中制備光吸收層是指將已配制好的20nm Τ 02料漿和20nm與200nm Τ 02 混合漿料絲網(wǎng)印刷于所述光陽極的第一摻氟Sn02導電層表面，通過均化、干燥工藝形成厚 度為14 16μπι的納米透明Ti02膜層和Ti02混合層，在Ti02混合層之上再絲網(wǎng)印刷一 層400nm Τ 02散射層形成光陽極光吸收層。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的經(jīng)離子注入處理的染料敏化太陽能電池的制備方法，其特征 在于所述步驟c中對光陽極進行第一次熱處理是指將經(jīng)步驟b處理后的光陽極置于氣氛爐 內(nèi)，在325°C下保溫5 10分鐘后升至375°C保溫5 10分鐘，再升溫到450°C保溫10 15分鐘，最后將溫度升至500°C并保溫10 15分鐘，完成所述光陽極的制備。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的經(jīng)離子注入處理的染料敏化太陽能電池的制備方法，其特征 在于所述步驟d中離子注入改性是指使用離子注入機，調(diào)節(jié)觸發(fā)電壓在5 kv 10kv，注入劑 量在1 X 1015/cm2 10 X 1015/cm2，束流2. 5mA,將!^3+注入到步驟c所述光陽極，完成對所 述光陽極的改性處理。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的經(jīng)離子注入處理的染料敏化太陽能電池的制備方法，其特征 在于所述步驟e中對經(jīng)離子注入改性后的光陽極進行第二次熱處理是指將經(jīng)步驟d改性處 理后的光陽極再次置于40mmol/L的TiC14溶液中浸泡后烘干，再將所述光陽極置于氣氛 爐內(nèi)450°C下保溫30分鐘。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的經(jīng)離子注入處理的染料敏化太陽能電池的制備方法，其特征 在于所述步驟f中對電極制備是指在對電極基底的一側(cè)濺射第二摻氟Sn02導電層，接著利 用絲網(wǎng)印刷法將鉬漿印刷至所述第二摻氟Sn02導電層表面，再在400°C下處理10分鐘制成 所述對電極。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的經(jīng)離子注入處理的染料敏化太陽能電池的制備方法，其特征 在于所述步驟g中封裝制得染料敏化太陽能電池是指將步驟f制備的對電極與步驟e制備 的光陽極對接后，使用沙林膜進行封裝，接著在真空環(huán)境中注入電解液，并使用沙林膜密封 電解液注入口，制得染料敏化太陽能電池。
9.一種根據(jù)權(quán)利要求1至8中任一項所述的方法制備的染料敏化太陽能電池，包括表 面設(shè)置有光吸收層的光陽極、吸附于所述光陽極光吸收層表面的染料敏化劑、面對所述光 陽極并位于所述光吸收層一側(cè)的對電極，設(shè)置在所述光陽極和所述對電極之間的電解液， 其特征在于所述光陽極經(jīng)過離子注入改性處理，所述離子注入改性為Cu/ Ti02改性或Si/ Τ 02 改性或狗/ Τ 02改性。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的染料敏化太陽能電池，其特征在于所述光陽極包括光陽極基底、濺射在所述光陽極基底上的第一摻氟Sn02導電層以及 光吸收層；所述光吸收層包括依次絲網(wǎng)印刷于所述第一摻氟Sn02導電層上的納米透明Ti02膜 層、Ti02混合層和Ti02散射層；所述對電極包括對電極基底、濺射在所述對電極基底朝向所述光陽極一側(cè)的第二摻氟 Sn02導電層、絲網(wǎng)印刷于所述第二摻氟Sn02導電層表面的鉬電極。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種經(jīng)離子注入處理的染料敏化太陽能電池的制備方法，包括以下步驟清洗光陽極基底；制備光吸收層；對光陽極進行第一次熱處理；將金屬離子注入光陽極；對經(jīng)離子注入改性后的光陽極進行第二次熱處理；制備對電極；將對電極與光陽極對接，封裝制得染料敏化太陽能電池。本發(fā)明還公開了一種染料敏化太陽能電池，包括光陽極、染料敏化劑、對電極，電解液，其中，光陽極經(jīng)過離子注入改性處理，離子注入改性為Cu/TiO2改性或Zn/TiO2改性或Fe/TiO2改性。本發(fā)明利用MEVVA源離子注入機對光陽極光吸收層表面進行金屬離子改性，產(chǎn)生光生電子-空穴淺勢俘獲勢阱，在TiO2導帶與價帶之間形成了新能級，提高了TiO2導帶與染料最低未占有軌道能級的匹配度。
文檔編號H01L51/48GK102136372SQ20111002426
公開日2011年7月27日 申請日期2011年1月22日 優(yōu)先權(quán)日2011年1月22日
發(fā)明者張根發(fā), 李帥, 王長君, 羅軍, 蘇青峰, 賴建明 申請人:上海聯(lián)孚新能源科技有限公司