專(zhuān)利名稱(chēng)：太陽(yáng)能電池及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及太陽(yáng)能電池及其制造方法，更具體地，涉及染料敏化太陽(yáng)能電池 (DSSC)及其制造方法。
背景技術(shù)：
法國(guó)科學(xué)家Henri Becqμ erel于1839年首次觀察到光電轉(zhuǎn)化現(xiàn)象，但是直到 1954年第一個(gè)可實(shí)用性的半導(dǎo)體太陽(yáng)能電池的問(wèn)世，“將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化成電能”的想法才真正成為現(xiàn)實(shí)。在太陽(yáng)能電池的最初發(fā)展階段，所使用的材料一般是在可見(jiàn)區(qū)有一定吸收的窄帶隙半導(dǎo)體材料，因此這種太陽(yáng)能電池又稱(chēng)為半導(dǎo)體太陽(yáng)能電池。盡管寬帶隙半導(dǎo)體本身捕獲太陽(yáng)光的能力非常差，但將適當(dāng)?shù)娜玖细街桨雽?dǎo)體表面上，借助于染料對(duì)可見(jiàn)光的強(qiáng)吸收，也可以將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為電能。這種電池就是染料敏化太陽(yáng)能電池。染料敏化太陽(yáng)能電池是1991年由瑞士科學(xué)家Gratzel教授提出的一種全新的光化學(xué)太陽(yáng)能電池。其基本結(jié)構(gòu)是由T^2納米顆粒組成的陰極、含有Γ/Γ3氧化還原對(duì)的電解質(zhì)以及含有催化層的陽(yáng)極構(gòu)成?；贕ratzel電池的新型染料敏化太陽(yáng)能電池的效率已經(jīng)達(dá)到11%，有著很好的應(yīng)用前景。在波長(zhǎng)為λ的單色光照射下，薄膜太陽(yáng)電池的光電轉(zhuǎn)換效率由下式?jīng)Q定
Eff (λ) =LHE (λ) (PinjT)c其中LHEU)為被染料吸收的太陽(yáng)光強(qiáng)與總的入射光強(qiáng)之比，它主要取決于染料的性質(zhì)和薄膜中吸附染料數(shù)量的多少；為量子效率，即染料的激發(fā)電子注入到氧化物導(dǎo)帶上的幾率；而η。為收集效率，也就是在導(dǎo)帶中的電子通過(guò)氧化膜到達(dá)陰極的概率。根據(jù)上述公式可知，在薄膜太陽(yáng)電池中起著接收電子和傳輸電子作用的納米多孔薄膜，至少應(yīng)滿(mǎn)足以下三個(gè)條件(1)納米多孔薄膜必須有足夠大的比表面積，從而能夠吸附大量的染料；(2)納米多孔薄膜吸附染料的方式必須保證電子有效地注入薄膜的導(dǎo)帶；(3)在納米多孔薄膜中，電子有較快的傳輸速度以減少電子和電解質(zhì)受主的復(fù)合。針對(duì)上面提到的三個(gè)條件，已經(jīng)提出采用F%03、CdS、SnO2等納米多孔氧化物半導(dǎo)體薄膜作為DSSC的陰極，但是效果卻不是很理想。DSSC的光電轉(zhuǎn)換效率較低的主要原因在于不能滿(mǎn)足第三個(gè)條件。換言之，薄膜中的電子由于和電解質(zhì)受主的復(fù)合而“截?cái)唷彪娮拥膫鬏斶^(guò)程。DSSC的光電轉(zhuǎn)換效率較低的另一個(gè)原因在于染料吸收光譜與太陽(yáng)的發(fā)射光譜不匹配。結(jié)果，DSSC的光吸收譜在太陽(yáng)發(fā)射光譜中占得比例較小。換言之，太陽(yáng)光譜中大部分的能量，在傳統(tǒng)的DSSC中無(wú)法得到有效利用
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種有效地提高光電轉(zhuǎn)換效率的染料敏化太陽(yáng)能電池。根據(jù)本發(fā)明的一方面，提供一種太陽(yáng)能電池，包括陰極組件、陽(yáng)極組件、用于將陰極組件和陽(yáng)極組件組裝在一起并形成密閉空間的密封劑、以及容納在密閉空間中的電解質(zhì)，其中陰極組件包括下透明導(dǎo)電基板、在下透明導(dǎo)電基板上形成的納米氧化物半導(dǎo)體薄膜、以及在納米氧化物半導(dǎo)體薄膜中的納米顆粒表面上附著的染料，并且陽(yáng)極組件包括上透明導(dǎo)電基板、以及在上透明導(dǎo)電基板上形成的陽(yáng)極電極層，所述納米氧化物半導(dǎo)體薄膜與所述陽(yáng)極電極層相對(duì)設(shè)置并且與電解質(zhì)接觸，其中所述陽(yáng)極組件還包括圖案化而包括開(kāi)口的CdTe層，所述陽(yáng)極電極層位于所述CdTe層的開(kāi)口內(nèi)。優(yōu)選地，在所述太陽(yáng)能電池中，所述納米氧化物半導(dǎo)體薄膜包括第一納米氧化物半導(dǎo)體層和位于第一納米氧化物半導(dǎo)體層上的第二納米氧化物半導(dǎo)體層，所述第二納米氧化物半導(dǎo)體層與所述陽(yáng)極電極層相對(duì)設(shè)置，所述第二納米氧化物半導(dǎo)體層中的納米顆粒的半徑大于第一納米氧化物半導(dǎo)體層中的納米顆粒。優(yōu)選地，在所述太陽(yáng)能電池中，所述納米氧化物半導(dǎo)體薄膜選自Ti02、ZnO, SnO2, Nb2O5的一種組成。優(yōu)選地，在所述太陽(yáng)能電池中，所述納米氧化物半導(dǎo)體薄膜的厚度為1. 0-2. 0 μ m。優(yōu)選地，在所述太陽(yáng)能電池中，所述納米氧化物半導(dǎo)體薄膜中的納米顆粒的半徑為 80-120nm。優(yōu)選地，在所述太陽(yáng)能電池中，所述陽(yáng)極電極層由選自鉬、石墨烯中的一種組成。優(yōu)選地，在所述太陽(yáng)能電池中，所述陽(yáng)極電極層的厚度為0. 2-0. 5 μ m0優(yōu)選地，在所述太陽(yáng)能電池中，所述CdTe層為條狀、柵格狀。優(yōu)選地，在所述太陽(yáng)能電池中，所述CdTe層中的開(kāi)口為方形、矩形、圓形、六邊形中的一種。根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供一種制造太陽(yáng)能電池的方法，包括以下步驟a)形成陰極組件，所述陰極組件包括下透明導(dǎo)電基板、在下透明導(dǎo)電基板上形成的納米氧化物半導(dǎo)體薄膜、以及在納米氧化物半導(dǎo)體薄膜中的納米顆粒表面上附著的染料；b)形成陽(yáng)極組件，所述陽(yáng)極組件包括上透明導(dǎo)電基板、以及在上透明導(dǎo)電基板上形成的陽(yáng)極電極層和CdTe層；以及c)采用密封劑，將陽(yáng)極組件和陰極組件組裝在一起并形成密閉空間，在密閉空間內(nèi)注入電解質(zhì)，使得所述納米氧化物半導(dǎo)體薄膜與所述陽(yáng)極電極層相對(duì)設(shè)置并且與電解質(zhì)接觸，其中，所述形成陽(yáng)極組件的步驟b)包括在上透明導(dǎo)電基板上形成圖案化而包括開(kāi)口的CdTe層以及在開(kāi)口內(nèi)填充陽(yáng)極電極層。優(yōu)選地，在所述方法中，形成圖案化而包括開(kāi)口的CdTe層的步驟包括沉積CdTe 層、對(duì)CdTe層進(jìn)行平整、以及在CdTe層中蝕刻出開(kāi)口。優(yōu)選地，在所述方法中，在沉積CdTe層的步驟中采用濺射、蒸發(fā)或電沉積來(lái)形成 CdTe 層。優(yōu)選地，在所述方法中，在開(kāi)口內(nèi)填充陽(yáng)極電極層的步驟包括采用與開(kāi)口對(duì)準(zhǔn)的遮擋掩模，從遮擋掩模的開(kāi)口部分在CdTe層中的開(kāi)口內(nèi)沉積陽(yáng)極電極層。
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優(yōu)選地，在所述方法中，在開(kāi)口內(nèi)填充陽(yáng)極電極層的步驟包括采用絲網(wǎng)印刷在 CdTe層中的開(kāi)口內(nèi)形成陽(yáng)極電極層。優(yōu)選地，在所述方法中，形成第一納米氧化物半導(dǎo)體層的步驟包括采用溶膠-凝膠法制備納米TiO2漿料；將納米TiO2漿料印刷在透明導(dǎo)電基板上；以及烘干。優(yōu)選地，在所述方法中，形成第二納米氧化物半導(dǎo)體層的步驟包括采用TiO2顆粒制備納米TiO2漿料；將納米TiO2漿料印刷在透明導(dǎo)電基板上；以及烘干。優(yōu)選地，在所述方法中，所述CdTe層為條狀、柵格狀。優(yōu)選地，在所述方法中，所述CdTe層中的開(kāi)口為方形、矩形、圓形、六邊形中的一種。在本發(fā)明的太陽(yáng)能電池中，太陽(yáng)光先經(jīng)過(guò)納米氧化物半導(dǎo)體薄膜并被吸收一部分之后，然后進(jìn)一步傳播至陽(yáng)極組件。由于圖案化的CdTe層的整個(gè)表面上沒(méi)有覆蓋陽(yáng)極電極層，因此CdTe層可以高效率吸收太陽(yáng)光。而且，CdTe層吸收染料無(wú)法吸收的長(zhǎng)波波段，從而擴(kuò)展了染料敏化太陽(yáng)能電池的吸收光譜，實(shí)現(xiàn)了太陽(yáng)能電池的吸收光譜與太陽(yáng)光譜的較佳匹配，提高了太陽(yáng)能電池對(duì)太陽(yáng)光的吸收率。CdTe層激發(fā)出大量電子供給電解質(zhì)，使得電解質(zhì)中氧化還原對(duì)電子交換速率增大，并有效減少了已經(jīng)激發(fā)到TiO2導(dǎo)帶的電子與電解質(zhì)復(fù)合而產(chǎn)生的電荷損失，從而有效提高了 DSSC的轉(zhuǎn)換效率以及電流密度。而且，這還影響電解質(zhì)的能級(jí)，提高開(kāi)路電壓，相當(dāng)于新加入的CdTe層對(duì)原本的DSSC的光電流進(jìn)行了 “放大”。本發(fā)明的太陽(yáng)能電池工作時(shí)，在太陽(yáng)能電池內(nèi)部產(chǎn)生自建勢(shì)，從而加速電子從陽(yáng)極向正電極方向的輸運(yùn)。因此，本發(fā)明與傳統(tǒng)的單一的DSSC相比，在增強(qiáng)了染料敏化反應(yīng)的基礎(chǔ)上，大大抑制了暗反應(yīng)的發(fā)生，增大了光電流密度，開(kāi)路電壓，以及對(duì)太陽(yáng)光的利用率，從而有效地提高了光電轉(zhuǎn)換效率。


圖1為根據(jù)本發(fā)明的DSSC中的陽(yáng)極組件的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為根據(jù)本發(fā)明的第一實(shí)施例的DSSC的結(jié)構(gòu)示意圖；圖3為根據(jù)本發(fā)明的第二實(shí)施例的DSSC的結(jié)構(gòu)示意圖；圖4為根據(jù)本發(fā)明的DSSC的工作機(jī)理能帶示意圖。
具體實(shí)施例方式下面詳細(xì)描述本發(fā)明的實(shí)施例，其中在所有附圖中采用相同或類(lèi)似的標(biāo)號(hào)表示相同或類(lèi)似的元件。這些實(shí)施例是示例性的，僅用于解釋本發(fā)明，而不能解釋為對(duì)本發(fā)明的限制。圖1為根據(jù)本發(fā)明的DSSC中的陽(yáng)極組件的結(jié)構(gòu)示意圖。陽(yáng)極組件包括透明導(dǎo)電基板11、位于所述透明導(dǎo)電基板11上的CdTe層12、以及位于所述CdTe層12的開(kāi)口內(nèi)的陽(yáng)極電極層13 (例如鉬)。所述CdTe層12為多晶膜，厚度為1-2.0 μ m。優(yōu)選地，CdTe層 12的厚度為1. 5 μ m。所述CdTe層12中CdTe的粒徑為90_120nm。優(yōu)選地，CdTe層12中 CdTe的粒徑為lOOnm。所述陽(yáng)極電極層13的厚度為0. 2-0. 5 μ m。優(yōu)選地，陽(yáng)極電極層13的厚度為0.2 μ m。在圖1中示出的CdTe層為條狀。然而，該CdTe層也可以為柵格狀，只要包含暴露出透明導(dǎo)電基板11的開(kāi)口即可。CdTe層中的開(kāi)口可為方形、矩形、圓形、六邊形中的一種。圖2為根據(jù)本發(fā)明的第一實(shí)施例的DSSC的結(jié)構(gòu)示意圖，其中已經(jīng)將圖1所示的陽(yáng)極組件10與下文將描述的陰極組件20組裝在一起。該太陽(yáng)能電池包括陽(yáng)極組件10、陰極組件20、用于將陽(yáng)極組件10和陰極組件20組裝在一起并形成密閉空間的密封劑31、以及容納在密閉空間中的電解質(zhì)32。陽(yáng)極組件10包括上透明導(dǎo)電基板11、以及在上透明導(dǎo)電基板11上形成的陽(yáng)極電極層13，納米氧化物半導(dǎo)體薄膜22與陽(yáng)極電極層13相對(duì)設(shè)置并且與電解質(zhì)32接觸，其中陽(yáng)極組件10還包括圖案化而包括開(kāi)口的CdTe層12，陽(yáng)極電極層13 位于CdTe層12的開(kāi)口內(nèi)。陰極組件20包括下透明導(dǎo)電基板21、在下透明導(dǎo)電基板21上形成的納米氧化物半導(dǎo)體薄膜22、以及在納米氧化物半導(dǎo)體薄膜22中的納米顆粒表面上附著的染料(未示出)。在該太陽(yáng)能電池中，納米氧化物半導(dǎo)體薄膜22由η型寬禁帶半導(dǎo)體組成，如Ti02、 ZnO, SnO2, Nb2O5 等。在該太陽(yáng)能電池中，納米氧化物半導(dǎo)體薄膜的厚度為1.0_2.0μπι。在該太陽(yáng)能電池中，納米氧化物半導(dǎo)體薄膜中的納米顆粒的半徑為80-120nm。圖3為根據(jù)本發(fā)明的第二實(shí)施例的DSSC的結(jié)構(gòu)示意圖。該太陽(yáng)能電池的結(jié)構(gòu)與圖2所示的太陽(yáng)能電池相似，區(qū)別僅在于納米氧化物半導(dǎo)體薄膜22由包括不同尺寸的納米顆粒的兩層構(gòu)成。如圖所示，納米氧化物半導(dǎo)體薄膜22包括第一納米氧化物半導(dǎo)體層2 和位于第一納米氧化物半導(dǎo)體層2 上的第二納米氧化物半導(dǎo)體層22b，第二納米氧化物半導(dǎo)體層22b與陽(yáng)極電極層13相對(duì)設(shè)置，第二納米氧化物半導(dǎo)體層22b中的納米顆粒的半徑大于第一納米氧化物半導(dǎo)體層22a中的納米顆粒。采用不同顆粒半徑的第一納米氧化物半導(dǎo)體層2 和第二納米氧化物半導(dǎo)體層 22b組成納米氧化物半導(dǎo)體薄膜22，可以進(jìn)一步增強(qiáng)染料的光吸收效果，從而提高光電轉(zhuǎn)換效率。以下將進(jìn)一步描述制造根據(jù)本發(fā)明的DSSC的方法的各個(gè)步驟。首先，在透明導(dǎo)電基板11上，利用LPCVD(低壓化學(xué)氣相淀積)淀積CdTe層12。 在CdTe層12形成后，對(duì)表面不平整的新生CdTe層12進(jìn)行化學(xué)機(jī)械拋光(CMP)，使得實(shí)際 CdTe層12厚度達(dá)到1. 5μπι。接下來(lái)光刻CdTe層12，RIE (反應(yīng)離子刻蝕)高保型性刻蝕出光柵結(jié)構(gòu)。本實(shí)施例中采用5cmX5cm DSSC為例，CdTe層12的間距為1. 5mm。最后，在CdTe層12絲網(wǎng)印刷陽(yáng)極電極層13。替代地，可以采用與開(kāi)口對(duì)準(zhǔn)的遮擋掩模(未示出)，從遮擋掩模的開(kāi)口部分在CdTe層中的開(kāi)口內(nèi)濺射陽(yáng)極電極層13。陽(yáng)極電極層13厚度定為0. 2 μ m。至此制作完成陽(yáng)極組件10。接下來(lái)制作如圖3所示的陰極組件20，其中包括在透明導(dǎo)電基板21上涂布小顆粒納米TW2漿料和大顆粒納米TW2漿料的步驟。首先，透明導(dǎo)電基板21經(jīng)過(guò)超聲水浴清洗后烘干。制備小顆粒納米TW2漿料利用溶膠-凝膠法制備納米TiO2漿料。配制0. 2mol/ L的三乙胺溶液50mL和0. lmol/L乙酸鈦溶液250mL。在120r/min_180r/min的速率攪拌下，將三乙胺溶液加入到乙酸鈦溶液中；為了使TiO2顆粒均勻，防止顆?？焖賵F(tuán)聚，使用滴液漏斗將三乙胺溶液緩慢地加入到乙酸鈦溶液中。隨著三乙胺溶液的加入，有白色絮狀物生成。不斷攪拌，經(jīng)過(guò)1 左右，變成穩(wěn)定的溶膠。然后用600MM濾網(wǎng)過(guò)濾，除去大顆粒的 TiO20再將溶膠放入高速冷凍離心機(jī)中離心，得到白色的TiO2沉淀，用去離子水和純酒精清洗白色沉淀若干次。為了增大薄膜的比表面積，防止燒結(jié)過(guò)程中出現(xiàn)開(kāi)裂，在TiO2沉淀中加入10-20ml聚乙二醇作為表面活性劑，并攪拌均勻。最后在高真空中旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)除水，研磨后，即為所需要的小顆粒納米T^2漿料。制備大顆粒納米TW2漿料將德國(guó)Degussa公司生產(chǎn)的商業(yè)TW2的P25顆粒6g 與Iml乙酸混合，放入研缽中研磨5分鐘。然后在研缽中加入Iml去離子水并且研磨1分鐘，如此重復(fù)5次；隨后加入Iml乙醇并且研磨1分鐘，如此重復(fù)15次；繼而加入2. 5ml乙醇并且研磨1分鐘，如此重復(fù)6次。所有上述的研磨工作都結(jié)束后，將研缽里的TiO2轉(zhuǎn)移到大燒杯中，加入IOOml的乙醇，將燒杯放在磁力攪拌機(jī)上攪拌2分鐘。然后在燒杯中加入20g香油腦，繼續(xù)在磁力攪拌機(jī)上攪拌2分鐘。然后加入乙基纖維素，按照3g(乙基纖維素)30g(本實(shí)施例中加入的無(wú)水乙醇總量)的配比溶解在乙醇溶液中，再用磁力攪拌機(jī)攪拌6分鐘。最后在旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)器上將燒杯中的乙醇蒸發(fā)出去后，大顆粒TW2漿料便制備完畢了。接下來(lái)將透明導(dǎo)電基板21放在絲網(wǎng)印刷機(jī)上，把納米TiO2漿料印在透明導(dǎo)電基板21之上。將印有TiA的透明導(dǎo)電基板21放在電熱板上烘烤10分鐘，溫度設(shè)定為80°C， 令溶劑緩慢蒸發(fā)掉，從而形成第一納米氧化物半導(dǎo)體層22a。經(jīng)過(guò)掃描電子顯微鏡觀測(cè)，第一納米氧化物半導(dǎo)體層22a中的納米TW2基本為球形，平均半徑約為25nm。通過(guò)臺(tái)階儀測(cè)得第一納米氧化物半導(dǎo)體層22a的厚度為2. 4 μ m。然后將具有第一納米氧化物半導(dǎo)體層22a的透明導(dǎo)電基板21再次放在絲網(wǎng)印刷機(jī)上，將配制好的大顆粒TiA漿料印在第一納米氧化物半導(dǎo)體層2 上。取下透明導(dǎo)電基板21后，在電熱板上以80°C烘烤IOmin去除水分，再將透明導(dǎo)電基板21置于馬弗爐中 450°C下烘烤一個(gè)小時(shí)，從而形成第二納米氧化物半導(dǎo)體層22b。第二納米氧化物半導(dǎo)體層 22b中的納米TW2基本為球形，平均半徑約為80nm，第二納米氧化物半導(dǎo)體層22b。通過(guò)臺(tái)階儀測(cè)得第二納米氧化物半導(dǎo)體層22b的厚度為4. 6 μ m。進(jìn)一步地，按照以下步驟將陽(yáng)極組件10和陰極組件20組成在一起形成太陽(yáng)能電池。采用密封劑31將陽(yáng)極組件10和陰極組件20組裝在一起，第二納米氧化物半導(dǎo)體層22b與陽(yáng)極電極層13相對(duì)設(shè)置，以形成密閉空間。在密閉空間中注入電解質(zhì)32(例如電解質(zhì)溶液或固態(tài)電解質(zhì))。組裝完成的太陽(yáng)能電池如圖3所示。陽(yáng)極組件10中的CdTe層12和陽(yáng)極電極層 13、以及陰極組件20中的第一納米氧化物半導(dǎo)體層2 和第二納米氧化物半導(dǎo)體層22b接觸電解質(zhì)32。CdTe層12作為DSSC的電子注入層，在受到太陽(yáng)光照射時(shí)向電解質(zhì)32中注入光電子電流。上述透明導(dǎo)電基板11和21例如是可購(gòu)自日本Nippon Sheet Glass公司的 FTO(摻氟(F)的氧化錫)導(dǎo)電玻璃?？梢栽谑袌?chǎng)上購(gòu)得納米氧化物顆粒，例如德國(guó)Degussa 公司生產(chǎn)的商業(yè)TW2的P25顆粒。可以在市場(chǎng)上購(gòu)得染料，例如中國(guó)大連七色光公司生產(chǎn)的N3染料。圖4為根據(jù)本發(fā)明的DSSC的工作機(jī)理能帶示意圖。圖中左側(cè)為陰極，圖中右側(cè)為陽(yáng)極。其中，b)染料S通過(guò)吸收光子激發(fā)產(chǎn)生的電子直接注入到納米多孔氧化層半導(dǎo)體的導(dǎo)帶中；c)電子從TiO2導(dǎo)帶向陰極運(yùn)輸，被陰極收集；d)氧化了的染料分子通過(guò)氧化還原對(duì)還原。其中f)、g)兩條線(xiàn)所示的過(guò)程，被稱(chēng)為電子復(fù)合或截?cái)?，是DSSC效率低的主要原因。尤其是其中f所示過(guò)程，進(jìn)入TiA導(dǎo)帶中的電子，被碘離子搶奪，被公認(rèn)為DSSC效率無(wú)法進(jìn)一步提高的最重要因素。本發(fā)明的創(chuàng)新之處，在于引入薄膜太陽(yáng)能電池結(jié)構(gòu)，利用薄膜太陽(yáng)能電池非常良好的光激發(fā)特性，產(chǎn)生電子，補(bǔ)充電解質(zhì)氧化還原對(duì)的電子需缺，抑制f) 所示過(guò)程，加快d)所示過(guò)程。此外，如圖4中所示，自建電場(chǎng)E的產(chǎn)生，正好能加速原DSSC 的電子運(yùn)動(dòng)，使得效率進(jìn)一步提高。由以上實(shí)施例可以看出，本發(fā)明實(shí)施例中由于CdTe層可以吸收太陽(yáng)能電池吸收染料無(wú)法吸收的長(zhǎng)波波段，激發(fā)出大量電子供給電解質(zhì)，使得電解質(zhì)中氧化還原對(duì)電子交換速率增大，并有效減少了已經(jīng)激發(fā)到TiO2導(dǎo)帶的電子與電解質(zhì)復(fù)合而產(chǎn)生的電荷損失， 從而有效提高了 DSSC的轉(zhuǎn)換效率以及電流密度的同時(shí)，影響電解質(zhì)的能級(jí)增大開(kāi)路電壓， 這相當(dāng)于新加入的薄膜太陽(yáng)能電池對(duì)原本的DSSC的光電流進(jìn)行了 “放大”；同時(shí)，在太陽(yáng)能電池工作時(shí)，內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生自建勢(shì)，加速電子從陽(yáng)極向陰極方向的輸運(yùn)。本發(fā)明與傳統(tǒng)的單一的DSSC相比，在增強(qiáng)了染料敏化反應(yīng)的基礎(chǔ)上，大大抑制的暗反應(yīng)的發(fā)生，增大了光電流密度，開(kāi)路電壓，以及對(duì)太陽(yáng)光的利用率。本發(fā)明的意義在于利用CdTe層非常良好的光激發(fā)特性，產(chǎn)生電子，補(bǔ)充電解質(zhì)氧化還原對(duì)的電子需缺，抑制電子截?cái)?暗反應(yīng))過(guò)程，加快染料敏化過(guò)程。此外，本發(fā)明的另外一項(xiàng)意義在于，薄膜電池內(nèi)部自建電場(chǎng)的產(chǎn)生，正好能加速原DSSC的電子運(yùn)動(dòng)，使得效率進(jìn)一步提高。近十五年來(lái)，對(duì)于DSSC的改造收效甚微，急需可行的方法，本發(fā)明克服了單一 DSSC缺陷，是在系統(tǒng)層面上對(duì)傳統(tǒng)DSSC的革新。以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對(duì)于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，在不脫離本發(fā)明技術(shù)原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和變型，這些改進(jìn)和變型也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。
9
權(quán)利要求
1.一種太陽(yáng)能電池，包括陰極組件、陽(yáng)極組件、用于將陰極組件和陽(yáng)極組件組裝在一起并形成密閉空間的密封劑、以及容納在密閉空間中的電解質(zhì)，其中陰極組件包括下透明導(dǎo)電基板、在下透明導(dǎo)電基板上形成的納米氧化物半導(dǎo)體薄膜、以及在納米氧化物半導(dǎo)體薄膜中的納米顆粒表面上附著的染料，并且陽(yáng)極組件包括上透明導(dǎo)電基板、以及在上透明導(dǎo)電基板上形成的陽(yáng)極電極層，所述納米氧化物半導(dǎo)體薄膜與所述陽(yáng)極電極層相對(duì)設(shè)置并且與電解質(zhì)接觸，其中，所述陽(yáng)極組件還包括圖案化而包括開(kāi)口的CdTe層，所述陽(yáng)極電極層位于所述 CdTe層的開(kāi)口內(nèi)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的太陽(yáng)能電池，其中所述納米氧化物半導(dǎo)體薄膜包括第一納米氧化物半導(dǎo)體層和位于第一納米氧化物半導(dǎo)體層上的第二納米氧化物半導(dǎo)體層，所述第二納米氧化物半導(dǎo)體層與所述陽(yáng)極電極層相對(duì)設(shè)置，所述第二納米氧化物半導(dǎo)體層中的納米顆粒的半徑大于第一納米氧化物半導(dǎo)體層中的納米顆粒。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的太陽(yáng)能電池，其中所述納米氧化物半導(dǎo)體薄膜由選自 TiO2^ZnO, SnO2, Nb2O5 的一種組成。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的太陽(yáng)能電池，其中所述納米氧化物半導(dǎo)體薄膜的厚度為 1. 0-2. 0 μ m。
5.根據(jù)權(quán)利要求1述的太陽(yáng)能電池，其中所述納米氧化物半導(dǎo)體薄膜中的納米顆粒的半徑為80-120nm。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的太陽(yáng)能電池，其中所述陽(yáng)極電極層由選自鉬、石墨烯中的一種組成。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的太陽(yáng)能電池，其中所述陽(yáng)極電極層的厚度為0.2-0. 5 μ m0
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的太陽(yáng)能電池，其中所述CdTe層為條狀、柵格狀。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的太陽(yáng)能電池，其中所述CdTe層中的開(kāi)口為方形、矩形、圓形、 六邊形中的一種。
10.一種制造太陽(yáng)能電池的方法，包括以下步驟a)形成陰極組件，所述陰極組件包括下透明導(dǎo)電基板、在下透明導(dǎo)電基板上形成的納米氧化物半導(dǎo)體薄膜、以及在納米氧化物半導(dǎo)體薄膜中的納米顆粒表面上附著的染料；b)形成陽(yáng)極組件，所述陽(yáng)極組件包括上透明導(dǎo)電基板、以及在上透明導(dǎo)電基板上形成的陽(yáng)極電極層和CdTe層；以及c)采用密封劑，將陽(yáng)極組件和陰極組件組裝在一起并形成密閉空間，在密閉空間內(nèi)注入電解質(zhì)，使得所述納米氧化物半導(dǎo)體薄膜與所述陽(yáng)極電極層相對(duì)設(shè)置并且與電解質(zhì)接觸，其中，所述形成陽(yáng)極組件的步驟b)包括在上透明導(dǎo)電基板上形成圖案化而包括開(kāi)口的CdTe層以及在開(kāi)口內(nèi)填充陽(yáng)極電極層。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，其中形成圖案化而包括開(kāi)口的CdTe層的步驟包括 沉積CdTe層、對(duì)CdTe層進(jìn)行平整、以及在CdTe層中蝕刻出開(kāi)口。
12.根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，其中在沉積CdTe層的步驟中采用濺射、蒸發(fā)或電沉積來(lái)形成CdTe層。
13.根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，其中在開(kāi)口內(nèi)填充陽(yáng)極電極層的步驟包括采用與開(kāi)口對(duì)準(zhǔn)的遮擋掩模，從遮擋掩模的開(kāi)口部分在CdTe層中的開(kāi)口內(nèi)沉積陽(yáng)極電極層。
14.根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，其中在開(kāi)口內(nèi)填充陽(yáng)極電極層的步驟包括采用絲網(wǎng)印刷在CdTe層中的開(kāi)口內(nèi)形成陽(yáng)極電極層。
15.根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，其中形成陰極組件的步驟包括在下透明導(dǎo)電基板上形成第一納米氧化物半導(dǎo)體層、以及在第一納米氧化物半導(dǎo)體層上形成第二納米氧化物半導(dǎo)體層作為所述納米氧化物半導(dǎo)體薄膜，所述第二納米氧化物半導(dǎo)體層中的納米顆粒的半徑大于第一納米氧化物半導(dǎo)體層中的納米顆粒。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，其中形成第一納米氧化物半導(dǎo)體層的步驟包括采用溶膠-凝膠法制備納米TiO2漿料；將納米TiO2漿料印刷在透明導(dǎo)電基板上；以及烘干。
17.根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，其中形成第二納米氧化物半導(dǎo)體層的步驟包括采用 TiO2顆粒制備納米TiA漿料；將納米TiA漿料印刷在透明導(dǎo)電基板上；以及烘干。
18.根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，其中所述CdTe層為條狀、柵格狀。
19.根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，其中所述CdTe層中的開(kāi)口為方形、矩形、圓形、六邊形中的一種。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種太陽(yáng)能電池，包括陰極組件、陽(yáng)極組件、用于將陰極組件和陽(yáng)極組件組裝在一起并形成密閉空間的密封劑、以及容納在密閉空間中的電解質(zhì)，其中陰極組件包括下透明導(dǎo)電基板、在下透明導(dǎo)電基板上形成的納米氧化物半導(dǎo)體薄膜、以及在納米氧化物半導(dǎo)體薄膜中的納米顆粒表面上附著的染料，并且陽(yáng)極組件包括上透明導(dǎo)電基板、以及在上透明導(dǎo)電基板上形成的陽(yáng)極電極層，所述納米氧化物半導(dǎo)體薄膜與所述陽(yáng)極電極層相對(duì)設(shè)置并且與電解質(zhì)接觸，其中所述陽(yáng)極組件還包括圖案化而包括開(kāi)口的CdTe層，所述陽(yáng)極電極層位于所述CdTe層的開(kāi)口內(nèi)。本發(fā)明的太陽(yáng)能電池獲得了高光電轉(zhuǎn)換效率。
文檔編號(hào)H01M14/00GK102194577SQ20111005642
公開(kāi)日2011年9月21日 申請(qǐng)日期2011年3月9日 優(yōu)先權(quán)日2010年3月10日
發(fā)明者劉曉彥, 康晉鋒, 張?zhí)焓? 王寶, 王旭, 王琰, 陸自清 申請(qǐng)人:北京大學(xué)