一種染料敏化太陽(yáng)能電池光陰極及其制備方法和應(yīng)用的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種染料敏化太陽(yáng)能電池光陰極及其制備方法和應(yīng)用。該方法包括如下步驟：(1)在具有熱收縮特性的聚合物基底上沉積一層透明導(dǎo)電薄膜；(2)在透明導(dǎo)電薄膜表面沉積一層金屬薄膜；(3)對(duì)步驟(2)得到的結(jié)構(gòu)進(jìn)行退火處理，使基底受熱收縮，在透明導(dǎo)電薄膜和金屬薄膜上形成褶皺和間隙，完成光陰極的制備。本發(fā)明能顯著提高光陰極的催化面積，提高光陰極對(duì)透過光的反射率和散射率，進(jìn)而提高光陰極的還原效率及光陽(yáng)極對(duì)入射光的利用率，最終提高染料敏化太陽(yáng)能電池的光電轉(zhuǎn)換效率，且制備過程容易精確控制，可重復(fù)性好，成本低廉。
【專利說明】一種染料敏化太陽(yáng)能電池光陰極及其制備方法和應(yīng)用

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于太陽(yáng)能電池【技術(shù)領(lǐng)域】，更具體地，涉及一種染料敏化太陽(yáng)能電池光陰極及其制備方法和應(yīng)用。

【背景技術(shù)】
[0002]染料敏化太陽(yáng)能電池是模仿光合作用原理研制出來的一種新型太陽(yáng)能電池。與傳統(tǒng)的硅太陽(yáng)能電池相比，染料敏化太陽(yáng)能電池具有使用壽命長(zhǎng)，生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)單，生產(chǎn)成本低，生產(chǎn)過程環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)。
[0003]染料敏化太陽(yáng)能電池的光陰極(又叫對(duì)電極)起著傳輸電子和催化還原的作用，其表面形貌和電催化性能對(duì)染料敏化太陽(yáng)能電池的光電效率有重要影響，因此我們需要對(duì)光陰極進(jìn)行修飾，以提高其性能。然而，目前利用磁控濺射工藝制備的染料敏化太陽(yáng)能電池的光陰極包括基底和鉬系金屬薄膜，與電解液的接觸面為平面結(jié)構(gòu)，這種光陰極的催化面積小，對(duì)透過光陽(yáng)極的入射光的反射性差，不利于提高光陽(yáng)極對(duì)入射光的利用率，導(dǎo)致染料敏化太陽(yáng)能電池的光電轉(zhuǎn)換效率不高。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的以上缺陷或改進(jìn)需求，本發(fā)明提供了一種染料敏化太陽(yáng)能電池光陰極及其制備方法和應(yīng)用，該方法能顯著提高光陰極的催化面積，提高光陰極對(duì)透過光的反射率和散射率，進(jìn)而提高光陰極的還原效率及光陽(yáng)極對(duì)入射光的利用率，最終提高染料敏化太陽(yáng)能電池的光電轉(zhuǎn)換效率，且制備過程容易精確控制，可重復(fù)性好，成本低廉。
[0005]為實(shí)現(xiàn)上述目的，按照本發(fā)明的一個(gè)方面，提供了一種染料敏化太陽(yáng)能電池光陰極的制備方法，其特征在于，包括如下步驟:(1)在具有熱收縮特性的聚合物基底上沉積一層透明導(dǎo)電薄膜；(2)在透明導(dǎo)電薄膜表面沉積一層金屬薄膜；(3)對(duì)步驟(2)得到的結(jié)構(gòu)進(jìn)行退火處理，使基底受熱收縮，在透明導(dǎo)電薄膜和金屬薄膜上形成褶皺和間隙，完成光陰極的制備。
[0006]優(yōu)選地，所述透明導(dǎo)電薄膜的材料為ΙΤΟ、ΑΖ0或FT0。
[0007]優(yōu)選地，所述透明導(dǎo)電薄膜的膜厚為16?60nm。
[0008]優(yōu)選地，所述金屬薄膜的材料為金、鉬或銠。
[0009]優(yōu)選地，所述金屬薄膜的膜厚為50?70nm。
[0010]優(yōu)選地，所述步驟(3)中，退火溫度為120?150°C，退火時(shí)間為5?lOmin。
[0011]按照本發(fā)明的另一方面，提供了一種用上述方法制備的染料敏化太陽(yáng)能電池光陰極。
[0012]按照本發(fā)明的又一方面，提供了一種含有上述光陰極的染料敏化太陽(yáng)能電池。
[0013]總體而言，通過本發(fā)明所構(gòu)思的以上技術(shù)方案與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下有益效果:
[0014]1、采用具有收縮特性的聚合物作為光陰極的基底，在基底上形成具有褶皺的透明導(dǎo)電薄膜和金屬薄膜，增大了染料敏化太陽(yáng)能電池的電解質(zhì)與光陰極的接觸面積(即催化面積)，從而提高了光陰極的還原效率。
[0015]2、采用具有收縮特性的聚合物作為光陰極的基底，在基底上形成具有納米間隙的透明導(dǎo)電薄膜和金屬薄膜，納米間隙破壞了薄膜內(nèi)部的晶格結(jié)構(gòu)，使透射過光陽(yáng)極的入射光通過散射以及多次反射和折射回到光陽(yáng)極，提高了光陽(yáng)極對(duì)入射光的利用率，從而提高了染料敏化太陽(yáng)能電池的光電轉(zhuǎn)換效率。
[0016]3、制備過程容易精確控制，且可重復(fù)性好，成本低廉。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0017]圖1是本發(fā)明實(shí)施例的染料敏化太陽(yáng)能電池光陰極的制備工藝流程示意圖；
[0018]圖2是采用本發(fā)明實(shí)施例4與對(duì)比例1和對(duì)比例2的光陰極的染料敏化太陽(yáng)能電池的光電流工作譜；
[0019]圖3是采用本發(fā)明實(shí)施例5與對(duì)比例1和對(duì)比例2的光陰極的染料敏化太陽(yáng)能電池的光電流工作譜。
[0020]在所有附圖中，相同的附圖標(biāo)記用來表示相同的元件或結(jié)構(gòu)，其中:1_聚合物基底，2-透明導(dǎo)電薄膜，3-金屬薄膜，4-褶皺，5-納米間隙。

【具體實(shí)施方式】
[0021]為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。此外，下面所描述的本發(fā)明各個(gè)實(shí)施方式中所涉及到的技術(shù)特征只要彼此之間未構(gòu)成沖突就可以相互組合。
[0022]現(xiàn)有技術(shù)中通過在基底上濺射一層鉬系金屬薄膜得到光陰極，由于與電解液的接觸面為平面結(jié)構(gòu)，催化面積小，對(duì)電解液的還原效率低，而且對(duì)透過光陽(yáng)極的入射光的反射性差，不利于對(duì)入射光的重復(fù)利用，使得光陽(yáng)極對(duì)入射光的利用率低，導(dǎo)致染料敏化太陽(yáng)能電池的光電轉(zhuǎn)換效率不高。本發(fā)明在基底和金屬薄膜間引入透明導(dǎo)電薄膜，并對(duì)基底-透明導(dǎo)電薄膜-金屬薄膜結(jié)構(gòu)進(jìn)行退火處理，由于透明導(dǎo)電薄膜和金屬薄膜的熱收縮性較弱，且透明導(dǎo)電薄膜的脆性較大，在透明導(dǎo)電薄膜和金屬薄膜上形成褶皺和納米間隙，一方面增大了染料敏化太陽(yáng)能電池的電解質(zhì)與光陰極的接觸面積(即催化面積)，從而提高了光陰極的還原效率；另一方面提高了對(duì)透過光陽(yáng)極的入射光的反射率，進(jìn)而提高了光陽(yáng)極對(duì)入射光的利用率；最終提高了染料敏化太陽(yáng)能電池的光電轉(zhuǎn)換效率。
[0023]如圖1所示，本發(fā)明實(shí)施例的染料敏化太陽(yáng)能電池光陰極的制備方法包括如下步驟:
[0024](1)采用磁控濺射工藝，在具有熱收縮特性的聚合物基底1上沉積一層透明導(dǎo)電薄膜2 ;具體地，透明導(dǎo)電薄膜的材料為ΙΤΟ、ΑΖ0或FT0，膜厚為16?60nm ；
[0025](2)采用磁控濺射工藝，在透明導(dǎo)電薄膜2的表面沉積一層金屬薄膜3 ;具體地，金屬薄膜的材料為金、鉬或銠，膜厚為50?70nm ；
[0026](3)對(duì)步驟(2)得到的結(jié)構(gòu)進(jìn)行退火處理，使基底受熱收縮，由于沉積在基底上的透明導(dǎo)電薄膜和金屬薄膜的熱收縮性較弱，且透明導(dǎo)電薄膜的脆性較大，在兩薄膜表面產(chǎn)生錯(cuò)配應(yīng)力，從而形成褶皺4和納米間隙5，完成光陰極的制備。具體地，退火溫度為120?150°C，退火時(shí)間為5?lOmin。
[0027]為使本領(lǐng)域技術(shù)人員更好地理解本發(fā)明，下面結(jié)合具體實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明的染料敏化太陽(yáng)能電池光陰極的制備方法進(jìn)行詳細(xì)說明。
[0028]實(shí)施例1
[0029]采用磁控濺射工藝，在具有熱收縮特性的聚合物基底上沉積一層IT0薄膜，膜厚為20nm ;采用磁控濺射工藝，在ΙΤΟ薄膜上沉積一層金膜，膜厚為50nm ;進(jìn)行退火處理，退火溫度為120°C，退火時(shí)間為5min，使基底受熱收縮，在ΙΤ0薄膜和金膜上形成褶皺和納米間隙。
[0030]實(shí)施例2
[0031]采用磁控濺射工藝，在具有熱收縮特性的聚合物基底上沉積一層ΑΖ0薄膜，膜厚為50nm ;采用磁控濺射工藝，在ΑΖ0薄膜上沉積一層鉬膜，膜厚為60nm ;進(jìn)行退火處理，退火溫度為140°C，退火時(shí)間為8min，使基底受熱收縮，在ΑΖ0薄膜和鉬膜上形成褶皺和納米間隙。
[0032]實(shí)施例3
[0033]采用磁控濺射工藝，在具有熱收縮特性的聚合物基底上沉積一層FT0薄膜，膜厚為60nm ;采用磁控濺射工藝，在FT0薄膜上沉積一層銠膜，膜厚為70nm ;進(jìn)行退火處理，退火溫度為150°C，退火時(shí)間為lOmin，使基底受熱收縮，在FT0薄膜和銠膜上形成褶皺和納米間隙。
[0034]實(shí)施例4
[0035]采用磁控濺射工藝，在具有熱收縮特性的聚合物基底上沉積一層ΙΤ0薄膜，膜厚為16nm ;采用磁控濺射工藝，在ΙΤ0薄膜上沉積一層鉬膜，膜厚為50nm ;進(jìn)行退火處理，退火溫度為150°C，退火時(shí)間為lOmin，使基底受熱收縮，在ΙΤ0薄膜和鉬膜上形成褶皺和納米間隙。
[0036]實(shí)施例5
[0037]采用磁控濺射工藝，在具有熱收縮特性的聚合物基底上沉積一層ΙΤ0薄膜，膜厚為30nm ;采用磁控濺射工藝，在ΙΤ0薄膜上沉積一層鉬膜，膜厚為50nm ;進(jìn)行退火處理，退火溫度為150°C，退火時(shí)間為lOmin，使基底受熱收縮，在ΙΤ0薄膜和鉬膜上形成褶皺和納米間隙。
[0038]對(duì)比例1
[0039]采用磁控濺射工藝，在具有熱收縮特性的聚合物基底上沉積一層鉬膜，膜厚為50nm;進(jìn)行退火處理，退火溫度為150°C，退火時(shí)間為lOmin，使基底受熱收縮。
[0040]對(duì)比例2
[0041]采用磁控濺射工藝，在具有熱收縮特性的聚合物基底上沉積一層ΙΤ0薄膜，膜厚為30nm ;采用磁控濺射工藝，在ΙΤ0薄膜上沉積一層鉬膜，膜厚為50nm。
[0042]以實(shí)施例4和實(shí)施例5為例，在相同條件下，分別將采用本發(fā)明方法以及對(duì)比例1和對(duì)比例2的方法制備的染料敏化太陽(yáng)能電池光陰極用于染料敏化太陽(yáng)能電池中，測(cè)得染料敏化太陽(yáng)能電池的光電流工作譜如圖2和圖3所示。
[0043]由圖2和圖3可知，采用本發(fā)明方法制備的光陰極的染料敏化太陽(yáng)能電池對(duì)入射光的吸收帶寬明顯增大，光電轉(zhuǎn)換效率(IPCE)明顯提高。這是因?yàn)楸景l(fā)明方法在制備染料敏化太陽(yáng)能電池光陰極的過程中在光陰極表面形成了褶皺和納米間隙，褶皺增大了光陰極表面的催化面積，提高了光陰極對(duì)電解液的還原效率；納米間隙破壞了薄膜表面的晶格結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)了薄膜的反射性，有利于透射過光陽(yáng)極的入射光再次回到光陽(yáng)極，實(shí)現(xiàn)對(duì)入射光的重復(fù)利用，提高了光陽(yáng)極對(duì)入射光的利用率，從而提高了染料敏化太陽(yáng)能電池的光電轉(zhuǎn)換效率。
[0044]本領(lǐng)域的技術(shù)人員容易理解，以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種染料敏化太陽(yáng)能電池光陰極的制備方法，其特征在于，包括如下步驟: (1)在具有熱收縮特性的聚合物基底上沉積一層透明導(dǎo)電薄膜； (2)在透明導(dǎo)電薄膜表面沉積一層金屬薄膜； (3)對(duì)步驟(2)得到的結(jié)構(gòu)進(jìn)行退火處理，使基底受熱收縮，在透明導(dǎo)電薄膜和金屬薄膜上形成褶皺和間隙，完成光陰極的制備。
2.如權(quán)利要求1所述的染料敏化太陽(yáng)能電池光陰極的制備方法，其特征在于，所述透明導(dǎo)電薄膜的材料為ITO、AZO或FT0。
3.如權(quán)利要求2所述的染料敏化太陽(yáng)能電池光陰極的制備方法，其特征在于，所述透明導(dǎo)電薄膜的膜厚為16?60nm。
4.如權(quán)利要求1至3中任一項(xiàng)所述的染料敏化太陽(yáng)能電池光陰極的制備方法，其特征在于，所述金屬薄膜的材料為金、鉬或銠。
5.如權(quán)利要求4所述的染料敏化太陽(yáng)能電池光陰極的制備方法，其特征在于，所述金屬薄膜的膜厚為50?70nm。
6.如權(quán)利要求1至5中任一項(xiàng)所述的染料敏化太陽(yáng)能電池光陰極的制備方法，其特征在于，所述步驟(3)中，退火溫度為120?150°C，退火時(shí)間為5?lOmin。
7.一種用權(quán)利要求1至6中任一項(xiàng)所述的方法制備的染料敏化太陽(yáng)能電池光陰極。
8.一種含有權(quán)利要求7所述的光陰極的染料敏化太陽(yáng)能電池。
【文檔編號(hào)】H01G9/042GK104282442SQ201410555076
【公開日】2015年1月14日 申請(qǐng)日期:2014年10月17日 優(yōu)先權(quán)日:2014年10月17日
【發(fā)明者】湯自榮, 龔渤, 孫永明, 周煒, 朱桅 申請(qǐng)人:華中科技大學(xué), 武漢珈偉光伏照明有限公司