太陽能電池的複合電極及其製備方法
2023-10-10 05:57:54 1
專利名稱：太陽能電池的複合電極及其製備方法
技術領域：
本發明涉及太陽能電池領域，特別是涉及一種染料敏化太陽能電池的複合電極
及其製備方法。
背景技術：
染料敏化太陽能電池是一種模仿光合作用原理的新型電池。1991年瑞士科學家
Grfflzel等人首次利用Ti02納米晶電極技術成功演示了轉化效率達7%的染料敏化太陽能
電池。由於染料敏化太陽能電池具有製作工藝簡單，製造過程綠色環保，製造成本低廉 等優點，因此受到人們的重視並得以迅速的發展。 傳統的染料敏化納米晶太陽能電池的工作電極的製備工藝為在導電基底(有透 明導電膜的玻璃)上，塗覆適當厚度的TiC^納米顆粒並經過燒結而形成。TiC^納米顆粒
具有相對比較大的比表面積，而且顆粒越小，比表面積越大。這樣的結構可以提高其吸 附染料的有效性，從而大幅度地提高電池的效率。 然而採用傳統方法製備染料敏化太陽能電池的工作電極也存在諸多問題首 先，通過塗覆Ti02納米顆粒然後燒結而成的納米薄膜與導電玻璃基底上的透明導電膜不 易形成良好的接觸，這樣導致一部分光生電子在導電基底的界面損失掉，使光生電子的 傳輸受到影響，從而使電池的光電轉換效率降低。其次，TiC^納米晶顆粒與導電基底 的界面接觸不完全，導致局部的導電基底表面與電解質直接接觸，電子與電解質中的氧 化劑發生反應，從而造成光生電子的損失。另一方面，當光照射在染料敏化太陽能電 池上，通過導電玻璃照進電池內部，照到對電極上透過導電玻璃射出去，導致一部分入 射光沒有被有效利用(即被染料吸收)，降低了光的有效利用率，不利於提高光電轉換效 率。
發明內容
本發明的目的是提供一種克服現有技術缺陷、能夠提高太陽能電池光電轉換效 率的染料敏化太陽能電池的複合電極及其製備方法。 為達到上述目的，提供一種依照本發明實施方式的染料敏化太陽能電池的複合 電極，其包括導電基片、形成於所述導電基片上的多孔狀半導體電極層，以及吸附於所 述半導體電極層上的半導體納米顆粒膜層。 優選地，所述多孔狀半導體電極層為TiC^納米孔電極層，所述半導體納米顆粒 膜層為TiC^納米晶顆粒膜層。 優選地，所述Ti02納米晶顆粒膜層的厚度為50-500nm。 優選地，所述Ti02納米孔電極層利用陽極氧化法在Ti薄膜上進行腐蝕氧化形 成。 優選地，所述Ti薄膜由沉積或濺射方法沉積而成。
優選地，半導體納米顆粒膜層採用塗覆燒結的方法製備。
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本發明實施例還提供了一種染料敏化太陽能電池複合電極的製備方法，其包括 步驟 在導電基片上製備Ti金屬膜； 利用陽極氧化法在所述Ti金屬膜上形成Ti02納米孔結構；
在所述Ti02納米孔結構表面塗覆Ti02納米顆粒的分散溶液；
通過燒結將所述Ti02納米顆粒與所述Ti02納米孔結構結合。 本發明實施例還提供了一種染料敏化太陽能電池，包括正電極、與所述正電極 相對設置的負電極、以及位於所述正電極和所述負電極之間的電解液，其中，所述正電 極包括導電基片、形成於所述導電基片上的多孔狀半導體電極層，以及吸附於所述半導 體電極層上的半導體納米顆粒膜層，其中所述半導體材料為Ti02。
優選地，所述負電極包括導電基片、以及形成於所述導電基片上的Pt薄膜。
優選地，所述導電基片包括但不限於導電玻璃或導電塑料。 上述技術方案具有如下優點通過蒸發或濺射形成的Ti薄膜可以與透明導電 波膜形成良好的界面接觸，因此通過陽極氧化法製備的TiC^納米孔結構後，在透明導電 基底與納米TiC^層形成了良好的界面接觸，有效地避免了光電子在透明導電基底與納米 Ti02層界面的輸運損失。整個工作電極是由Ti02納米孔結構以及Ti02納米顆粒組成的， 它們之間的接觸良好，利於電子更好地傳輸，從而可以提高光電轉換效率。同時，Ti02 納米孔結構可以對入射光起到漫反射層的作用。當光入射進入電池結構中被漫反射，因 此在電池中的傳播時間更長，從而增大了光被染料吸收的概率，提高入射光的利用率。
圖1是本發明實施例的染料敏化太陽能電池的複合電極結構示意圖； 圖2是本發明實施例的染料敏化太陽能電池的複合電極在不同製備階段的結構
示意圖； 圖3是本發明實施例的染料敏化太陽能電池的結構示意圖。
其中，1 :導電基片；2a : Ti薄膜；2 : Ti02薄膜；3 : Ti02納米孔結構；4 : Ti02納米晶顆粒膜層；5 :電解液；6 : Pt薄膜；7 :導電基片。
具體實施例方式
下面結合附圖和實施例，對本發明的具體實施方式
作進一步詳細描述。以下實 施例用於說明本發明，但不用來限制本發明的範圍。 如圖l所示，依照本發明實施方式提供了一種染料敏化太陽能電池的複合電 極，其包括導電基片l、形成於所述導電基片l上的Ti薄膜2a、形成於所述Ti薄膜2a上 的Ti02納米孔結構3、以及吸附於所述Ti02納米孔結構3上的Ti02納米晶顆粒膜層4。 優選地，所述TiC^納米晶顆粒膜層4的厚度為50-500nm。所述Ti薄膜2a由沉積或濺射 方法形成，利用陽極氧化法在Ti薄膜2a上進行腐蝕氧化形成所述Ti02納米孔結構3，在 該Ti02納米孔結構3上塗覆Ti02納米晶顆粒形成所述Ti02納米晶顆粒膜層4。所述導 電基片1可以是導電玻璃或導電塑料或者其他透明的導電性材料。該實施例選擇透明導 電玻璃。
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如圖2(a)-(d)所示為本發明實施例的染料敏化太陽能電池的複合電極在不同製備 階段的結構示意圖。首先在導電基片l上形成Ti薄膜2a，可以選擇通過蒸發或者濺射來 形成。透明導電基片1採用日本Nippon Sheet Glass公司的FTO導電玻璃。導電基片1 先後經過在乙醇和丙酮中超聲清洗，然後用W氣使之乾燥。將其放入磁控濺射腔中，在 Ar氣氣氛中進行，濺射Ti薄膜2a，濺射功率IOOOW，襯底溫度為室溫，濺射的沉積速 率為10nm/min。最終在導電基片1的表面沉積了厚度為400nm的緻密Ti薄膜2a，如圖 2(a)所示。 然後進行陽極氧化工藝製備Ti02納米孔結構3。將濺射了 Ti薄膜2a的導電基片 l接直流恆壓電源源正極，鉑片接負極，放入腐蝕溶液中進行陽極氧化操作。腐蝕溶液為 0.5wt^的HF溶液，正負電極間電壓為20V，加電壓時間為30min。 保證濺射了Ti薄膜 2a的導電基片1和鉑片之間距離大約為2cm。實驗結束取出濺射了 Ti薄膜2a的導電基 片l，迅速放入去離子水中清洗，並用N2氣槍使之乾燥。經過掃描電子顯微鏡觀測，納 米孔徑約100nm，深度約200nm，在納米孔底與導電基片1之間留存約100nm厚的Ti薄 膜2a，形成TiC^納米孔結構3，如圖2(b)所示。 接著製備Ti02漿料。本實施例中，將德國Degussa公司生產的TiO2P25顆粒0.2g 放入10ml去離子水中，並將其置於O.lml曲拉通X-100溶液中充分攪拌至溶液呈現半透 明狀態形成TiC^漿料。然後在Ti02納米孔結構3上塗布TiC^納米晶顆粒。將經過陽極 氧化法腐蝕之後放入去離子水中的濺射了 Ti薄膜2a的導電基片1從去離子水中取出，幹 燥後使用絲網印刷機絲印Ti02納米顆粒，絲網印刷機的絲網為300目。將濺射了Ti薄 膜2a的導電基片1放置於絲網印刷機的載臺上，對準絲網上事先制好的可通過漿料的圖 形，蓋上絲網，用刮刀沾Ti02漿料用力在絲網的圖形上均勻刮塗TiC^漿料。TiOj內米 孔結構3上絲印了 Ti02納米顆粒分散溶液後如圖2(c)所示。 絲網印刷操作後取下導電基片1，將導電基片1置於馬弗爐中45(TC下灼燒一個 小時，控制升降溫速度為1°C/min。灼燒後的結構如圖2(d)所示，TiC^納米顆粒吸附於 TiC^納米孔結構3上，並且納米孔與導電基片之間的Ti薄膜2a也氧化為TiC^薄膜2。這 樣，染料敏化太陽能電池的複合電極的製備完成。 如圖3所述為本發明實施例的染料敏化太陽能電池的結構示意圖。所述染料敏 化太陽能電池包括正電極、與所述正電極相對設置的負電極、以及位於所述正電極和所 述負電極之間的電解液5。所述正電極採用以上述方法製備的複合電極，所述負電極包括 導電基片7、以及形成於所述導電基片7上的Pt薄膜。所述Pt膜可以通過濺射或蒸鍍形 成於所述導電基片7上，或者通過旋塗H^tCle的溶液經過灼燒形成透明的Pt電極。其 中所述導電基片7可以採取和所述導電基片1同樣的材料。 由以上實施例可以看出，本發明實施例通過蒸發或濺射形成的Ti薄膜可以與 FTO導電玻璃形成良好的界面接觸，因此通過陽極氧化法製備TiC^納米孔結構後，在透 明導電基底與納米TiC^層形成了良好的界面接觸，有效地避免了光電子在透明導電基底 與納米Ti02層界面的輸運損失。整個工作電極是由Ti02納米孔結構以及Ti02納米顆粒 組成的，它們之間的接觸良好，利於電子更好地傳輸，從而可以提高光電轉換效率。同 時，Ti02納米孔結構可以對入射光起到漫反射層的作用。當光入射進入電池結構中被漫 反射，因此在電池中的傳播時間更長，從而增大了光被染料吸收的概率，提高入射光的利用率。 以上所述僅是本發明的優選實施方式，應當指出，對於本技術領域的普通技術 人員來說，在不脫離本發明技術原理的前提下，還可以做出若干改進和變型，這些改進 和變型也應視為本發明的保護範圍。
權利要求
一種染料敏化太陽能電池的複合電極，其特徵在於，所述複合電極包括導電基片、形成於所述導電基片上的多孔狀半導體電極層，以及吸附於所述半導體電極層上的半導體納米顆粒膜層。
2. 如權利要求1所述的染料敏化太陽能電池的複合電極，其特徵在於，所述多孔狀半 導體電極層為Ti02納米孔電極層，所述半導體納米顆粒膜層為Ti02納米晶顆粒膜層。
3. 如權利要求2所述的染料敏化太陽能電池的複合電極，其特徵在於，所述Ti03內 米晶顆粒膜層的厚度為50-500nm。
4. 如權利要求2所述的染料敏化太陽能電池的複合電極，其特徵在於，所述Ti03內 米孔電極層利用陽極氧化法在Ti薄膜上進行腐蝕氧化形成。
5. 如權利要求4所述的染料敏化太陽能電池的複合電極，其特徵在於，所述Ti薄膜 由沉積或濺射方法形成。
6. 如權利要求l-5任一項所述的染料敏化太陽能電池的複合電極，其特徵在於，半導 體納米顆粒膜層採用塗覆燒結的方法製備。
7. —種染料敏化太陽能電池複合電極的製備方法，其特徵在於，所述製備方法包括 步驟在導電基片上製備Ti金屬膜；利用陽極氧化法在所述Ti金屬膜上形成Ti02納米孔結構； 在所述Ti02納米孔結構表面塗覆Ti02納米顆粒的分散溶液； 通過燒結將所述Ti02納米顆粒與所述Ti02納米孔結構結合。
8. —種染料敏化太陽能電池，包括正電極、與所述正電極相對設置的負電極、以及 位於所述正電極和所述負電極之間的電解液，其特徵在於，所述正電極所述正電極為權 利要求1-5任一項所述的複合電極。
9. 如權利要求8所述的染料敏化太陽能電池，其特徵在於，所述負電極包括導電玻璃 基片、以及形成於所述導電玻璃基片上的Pt薄膜。
10. 如權利要求8或9所述的染料敏化太陽能電池，其特徵在於，所述導電基片包括 導電玻璃或導電塑料。
全文摘要
本發明公開了一種染料敏化太陽能電池的複合電極，其包括導電基片、形成於所述導電基片上的多孔狀半導體電極層，以及吸附於所述半導體電極層上的半導體納米顆粒膜層。本發明的技術方案通過蒸發或濺射形成的Ti薄膜可以與透明導電波膜形成良好的界面接觸，因此通過陽極氧化法製備的TiO2納米孔結構後，在透明導電基底與納米TiO2層形成了良好的界面接觸，有效地避免了光電子在透明導電基底與納米TiO2層界面的輸運損失。整個工作電極是由TiO2納米孔結構以及TiO2納米顆粒組成的，它們之間的接觸良好，利於電子更好地傳輸，從而可以提高光電轉換效率。
文檔編號H01G9/042GK101692411SQ200910093999
公開日2010年4月7日 申請日期2009年10月9日 優先權日2009年10月9日
發明者劉力鋒, 印海友, 康晉鋒, 張天舒, 王旭, 王漪 申請人:北京大學