一種經離子注入處理的染料敏化太陽能電池及其製備方法
2023-04-27 12:09:11 1
專利名稱：一種經離子注入處理的染料敏化太陽能電池及其製備方法
技術領域：
本發明涉及染料敏化太陽能電池領域，尤其涉及一種經離子注入處理的染料敏化 太陽能電池及其製備方法。
背景技術：
從1%4年美國貝爾實驗室發明太陽能電池以來，人們對太陽能的利用在不斷 的提高，其光電轉化率也隨之提高。瑞士洛桑聯邦理工學院的教授於1991年在《自然》 (Nature)上發表的染料敏化太陽能電池製備方法，引起國內外相關學者對該技術廣泛關 注。這種有機薄膜電池與傳統晶體電池相比製作成本更低、製備工藝更簡易、汙染性更少， 而且其理論光伏轉化效率可達31%。因此該技術具有較開闊的發展前景。染料敏化太陽能電池發電原理類似於植物的光和作用，其結構又類似於三明治疊 層結構，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 射光激發染料產生的電子-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 過負載回到對電極。被激發的染料在電解液中得到還原，完成一次光伏發電。目前已有文獻報導的染料敏化太陽能電池實驗室轉換率僅達為1 左右，遠低於 傳統晶體矽電池的20%以上。影響染料敏化太陽能電池光伏轉化率的因素較多，其中TiA 導帶能級與染料最低未佔有軌道能級匹配度影響受激發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複合。如果TW2導帶能級與 染料最低未佔有軌道能級匹配度較低，使得光成電子過多的與光生空穴複合，造成光伏損 失。
發明內容
本發明所要解決的技術問題是提供一種高光電轉換效率的染料敏化太陽能電池 的製備方法以及利用該方法製備的染料敏化太陽能電池，該方法利用離子注入技術產生光 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 未佔有軌道能級的匹配度；從而使利用該方法製備的太陽能電池具有較高的光電轉化率。為了達到上述目的，本發明提出了一種經離子注入處理的染料敏化太陽能電池的 製備方法，包括以下步驟
a.清洗光陽極基底；
b.製備光吸收層；
c.對經步驟b處理後的光陽極進行第一次熱處理；
d.將金屬離子注入到經步驟C處理後的光陽極，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.對經離子注入改性後的光陽極進行第二次熱處理；
f.製備對電極；
g.將步驟f製備的對電極與步驟e製備的光陽極對接，封裝製得染料敏化太陽能電池。
上述經離子注入處理的染料敏化太陽能電池的製備方法，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在超聲清洗器內將所述 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，在烘乾箱內烘乾後置於濃度 為40 mmol/L的TiCl4溶液中浸泡，水浴加熱至70°C下浸泡30分鐘後，取出烘乾。上述經離子注入處理的染料敏化太陽能電池的製備方法，所述步驟b中製備光吸 收層是指將已配製好的20nm Τ 02料漿和20nm與200nm TiO2混合漿料絲網印刷於所述光 陽極的第一摻氟SnO2導電層表面，通過均化、乾燥工藝形成厚度為14 16 μ m的納米透明 TiO2膜層和TW2混合層，在TW2混合層之上再絲網印刷一層400nm TiO2散射層形成光陽 極光吸收層。上述經離子注入處理的染料敏化太陽能電池的製備方法，所述步驟c中對光陽極 進行第一次熱處理是指將經步驟b處理後的光陽極置於氣氛爐內，在325°C下保溫5 10 分鐘後升至375°C保溫5 10分鐘，再升溫到450°C保溫10 15分鐘，最後將溫度升至 500°C並保溫10 15分鐘，完成所述光陽極的製備。上述經離子注入處理的染料敏化太陽能電池的製備方法，所述步驟d中離子注入 改性是指使用離子注入機，調節觸發電壓在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。上述經離子注入處理的染料敏化太陽能電池的製備方法，所述步驟e中對經離 子注入改性後的光陽極進行第二次熱處理是指將經步驟d改性處理後的光陽極再次置於 40mmol/L的TiCl4溶液中浸泡後烘乾，再將所述光陽極置於氣氛爐內450°C下保溫30分 鍾。上述經離子注入處理的染料敏化太陽能電池的製備方法，所述步驟f中對電極制 備是指在對電極基底的一側濺射第二摻氟SnO2導電層，接著利用絲網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分鐘製成所述對電極。上述經離子注入處理的染料敏化太陽能電池的製備方法，所述步驟g中封裝製得 染料敏化太陽能電池是指將步驟f製備的對電極與步驟e製備的光陽極對接後，使用沙林 膜進行封裝，接著在真空環境中注入電解液，並使用沙林膜密封電解液注入口，製得染料敏 化太陽能電池。為了達到上述目的，本發明同時提出了一種染料敏化太陽能電池，包括表面設置 有光吸收層的光陽極、吸附於所述光陽極光吸收層表面的染料敏化劑、面對所述光陽極並 位於所述光吸收層一側的對電極，設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印刷於所述第一摻氟 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的第二摻氟SnO2導電層、絲網印刷於所述 第二摻氟SnA導電層表面的鉬電極。與現有的染料敏化太陽能電池相比，本發明利用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 料最低未佔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化率。利 用線性綴加平面波法分析，經過狗3+注入後，TW2能帶結構會改變，不僅使得TW2自身帶隙 產生微小位移，而且在TiA的禁帶區域1. 19 1. 63 eV產生新的間隙能帶，這種間隙能帶 的產生可以提高染料最低未佔有軌道能級與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 效的分離染料激發的光生電子-空穴對，減少電子-空穴的複合率，達到提高光伏轉化率的 目的。經過實驗對比，注入1 3+後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範圍內呈凸型拋物線形狀。
通過下面結合附圖對其示例性實施例進行的描述，本發明上述特徵和優點將會變 得更加清楚和容易理解。圖1為本發明的染料敏化太陽能電池結構示意圖。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合附圖對本發明作進一步詳細說明。圖1示出了本發明經離子注入處理的染料敏化太陽能電池的結構，由圖可以看 出，該染料敏化太陽能電池包括表面設置有光吸收層2的光陽極1、吸附於光陽極光吸收層 2表面的染料敏化劑、面對光陽極1並位於光吸收層2 —側的對電極3，設置在光陽極1和 對電極3之間的電解液4，光陽極1經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包括依次絲網印刷於第一摻氟 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 一側的第二摻氟SnA導電層 302、絲網印刷於第二摻氟SnO2導電層302表面的鉬電極303。
本發明染料敏化太陽能電池的製備方法包括以下步驟
a.清洗光陽極基底；
b.製備光吸收層；
c.對經步驟b處理後的光陽極進行第一次熱處理；
d.將金屬離子注入到經步驟C處理後的光陽極，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.對經離子注入改性後的光陽極進行第二次熱處理；
f.製備對電極；
g.將步驟f製備的對電極與步驟e製備的光陽極對接，經注入電解質後封裝製得染料 敏化太陽能電池。下面給出本發明染料敏化太陽能電池的一個具體製備方法。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，在超聲清洗器內將其依次使用去離子水、 無水乙醇和丙酮清洗10分鐘，在烘乾箱內烘乾後置於濃度為40 mmol/L的TiCl4溶液中浸 泡，水浴加熱至70°C下浸泡30分鐘後，取出烘乾。步驟b 製備光吸收層。將已配製好的20nm TiO2料漿和20nm與200nm TiO2混合 漿料絲網印刷於光陽極1的第一摻氟SnO2導電層102表面，通過均化、乾燥工藝形成厚度 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 網印刷一層400nm TiO2散射層203形成光吸收層2。步驟c 對經步驟b處理後的光陽極進行第一次熱處理。將經步驟b處理後的光 陽極1置於氣氛爐內，在325°C下保溫5 10分鐘後升至375°C保溫5 10分鐘，再升溫 到450°C保溫10 15分鐘，最後將溫度升至500°C並保溫10 15分鐘，完成光陽極1的 製備。步驟d 將金屬離子注入到經步驟c處理後的光陽極，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，調節觸發電壓在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 對經離子注入改性後的光陽極進行第二次熱處理。將經步驟d改性處理 後的光陽極1再次置於40mmol/L的TiCl4溶液中浸泡後烘乾，再將光陽極1置於氣氛爐內 450°C下保溫30分鐘。步驟f 製備對電極。在對電極基底301的一側濺射第二摻氟SnA導電層302，接 著利用絲網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 製成對電極3。步驟g 將步驟f製備的對電極與步驟e製備的光陽極對接，封裝製得染料敏化太 陽能電池。將步驟f製備的對電極3與步驟e製備的光陽極1對接後，使用沙林膜進行封 裝，接著在真空環境中注入電解液，並使用沙林膜密封電解液注入口，製得染料敏化太陽能 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化率有所提高，Co/ TiO2改性雖然在TiO2禁帶區域產生新能 級但效果不明顯，Ni/ TiO2改性後TW2自身能帶未發生變化、所形成的新能級要高於TW2 導帶能級，產生負影響，降低了電池的光能轉化率。
需要注意的是，以上內容是結合具體的實施方式對本發明所作的進一步詳細說 明，不能認定本發明的具體實施方式
僅限於此，在本發明的上述指導下，本領域技術人員可 以在上述實施例的基礎上進行各種改進和變形，而這些改進或者變形落在本發明的保護範 圍內。
權利要求
1.一種經離子注入處理的染料敏化太陽能電池的製備方法，其特徵在於包括以下步驟a.清洗光陽極基底；b.製備光吸收層；c.對經步驟b處理後的光陽極進行第一次熱處理；d.將金屬離子注入到經步驟C處理後的光陽極，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.對經離子注入改性後的光陽極進行第二次熱處理；f.製備對電極；g.將步驟f製備的對電極與步驟e製備的光陽極對接，經注入電解液後封裝製得染料 敏化太陽能電池。
2.根據權利要求1所述的經離子注入處理的染料敏化太陽能電池的製備方法，其特徵 在於所述步驟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 在超聲清洗器內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 幹箱內烘乾後置於濃度為40 mmol/L的TiC14溶液中浸泡，水浴加熱至70°C下浸泡30分 鍾後，取出烘乾。
3.根據權利要求1所述的經離子注入處理的染料敏化太陽能電池的製備方法，其特徵 在於所述步驟b中製備光吸收層是指將已配製好的20nm Τ 02料漿和20nm與200nm Τ 02 混合漿料絲網印刷於所述光陽極的第一摻氟Sn02導電層表面，通過均化、乾燥工藝形成厚 度為14 16μπι的納米透明Ti02膜層和Ti02混合層，在Ti02混合層之上再絲網印刷一 層400nm Τ 02散射層形成光陽極光吸收層。
4.根據權利要求1所述的經離子注入處理的染料敏化太陽能電池的製備方法，其特徵 在於所述步驟c中對光陽極進行第一次熱處理是指將經步驟b處理後的光陽極置於氣氛爐 內，在325°C下保溫5 10分鐘後升至375°C保溫5 10分鐘，再升溫到450°C保溫10 15分鐘，最後將溫度升至500°C並保溫10 15分鐘，完成所述光陽極的製備。
5.根據權利要求1所述的經離子注入處理的染料敏化太陽能電池的製備方法，其特徵 在於所述步驟d中離子注入改性是指使用離子注入機，調節觸發電壓在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.根據權利要求1所述的經離子注入處理的染料敏化太陽能電池的製備方法，其特徵 在於所述步驟e中對經離子注入改性後的光陽極進行第二次熱處理是指將經步驟d改性處 理後的光陽極再次置於40mmol/L的TiC14溶液中浸泡後烘乾，再將所述光陽極置於氣氛 爐內450°C下保溫30分鐘。
7.根據權利要求1所述的經離子注入處理的染料敏化太陽能電池的製備方法，其特徵 在於所述步驟f中對電極製備是指在對電極基底的一側濺射第二摻氟Sn02導電層，接著利 用絲網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分鐘製成 所述對電極。
8.根據權利要求1所述的經離子注入處理的染料敏化太陽能電池的製備方法，其特徵 在於所述步驟g中封裝製得染料敏化太陽能電池是指將步驟f製備的對電極與步驟e製備 的光陽極對接後，使用沙林膜進行封裝，接著在真空環境中注入電解液，並使用沙林膜密封 電解液注入口，製得染料敏化太陽能電池。
9.一種根據權利要求1至8中任一項所述的方法製備的染料敏化太陽能電池，包括表 面設置有光吸收層的光陽極、吸附於所述光陽極光吸收層表面的染料敏化劑、面對所述光 陽極並位於所述光吸收層一側的對電極，設置在所述光陽極和所述對電極之間的電解液， 其特徵在於所述光陽極經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.根據權利要求9所述的染料敏化太陽能電池，其特徵在於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印刷於所述第一摻氟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的第二摻氟 Sn02導電層、絲網印刷於所述第二摻氟Sn02導電層表面的鉬電極。
全文摘要
本發明公開了一種經離子注入處理的染料敏化太陽能電池的製備方法，包括以下步驟清洗光陽極基底；製備光吸收層；對光陽極進行第一次熱處理；將金屬離子注入光陽極；對經離子注入改性後的光陽極進行第二次熱處理；製備對電極；將對電極與光陽極對接，封裝製得染料敏化太陽能電池。本發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導帶與染料最低未佔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 優先權日2011年1月22日
發明者張根發, 李帥, 王長君, 羅軍, 蘇青峰, 賴建明 申請人:上海聯孚新能源科技有限公司