具有陷光結構的染料敏化納米晶薄膜太陽能電池的製作方法

2023-09-20 15:57:40

專利名稱：具有陷光結構的染料敏化納米晶薄膜太陽能電池的製作方法
技術領域：
本發明屬於太陽能電池領域，主要涉及一種陷光結構染料敏化納米晶太陽能電池及其製備方法。
背景技術：
面對嚴峻的環境、能源危機以及全球性節能減排要求，尋找新能源已經刻不容緩。 太陽能作為一種取之不盡，用之不竭的可再生清潔能源，已越來越受到各國的關注。太陽能電池，直接將光能轉化為電能，是利用太陽能最為有效的方式之一。目前研究技術最為成熟的是矽太陽能電池，並已實現工業化生產，但其高昂的成本以及繁瑣的製備工藝限制了其大規模應用。染料敏化納米晶太陽能電池(DSSC)作為新一代電池，以其低廉的成本和簡單的工藝而廣泛贏得人們的重視。據估算，DSSC的成本僅為矽太陽能電池的1/5 1/10。另外，DSSC優於矽太陽能電池的一大特點是DSSC可以收集任意角度的光線，無論日光強弱都能加以捕捉，還可以在高溫下工作。但較低的光電轉化效率限制了其大規模工業化發展，因此如何提高DSSC的轉化效率成為人們目前的研究熱點。DSSC主要模仿光合作用原理，由半導體吸附的染料經光照激發產生電子，電子通過半導體導帶轉移到導電基底，經外電路傳輸到對電極而產生電流。因此對太陽光的吸收利用是影響DSSC性能的一個重要因素，設計合適的DSSC光陽極結構來增強光的吸收利用率可以顯著提高DSSC的光電轉化效率。目前採用最多的方法是在光陽極的最上層使用大顆粒納米晶作為反射層或在光陽極中摻雜大顆粒納米晶作為散射中心，通過光在薄膜中的多級反射和散射來提高染料對光的吸收，從而改善電池的光電轉化效率。但這種結構對光的吸收利用畢竟有限，更加無法達到陷光的目的。而且大顆粒納米晶的比表面積較低，從而減少了對染料分子的吸附，影響了光生電子數量。

發明內容
本發明的目的是為了解決上述問題，在全反射光纖結構的啟發下，根據納米晶材料的折射率不同，提供一種具有漸變折射率或伴隨有顆粒度漸變薄膜組成電池光陽極薄膜的陷光染料敏化太陽能電池。此電池的光陽極的優勢在於即使使用小粒徑納米晶製備太陽能電池光陽極，也可以增加光在薄膜中的折射和反射次數，提高光的吸收。通過改變入射光的角度或使用大顆粒納米晶製備高折射率薄膜層，可以達到陷光的目的，從而增強光在膜中的散射，極大增強了染料分子對光的吸收利用，大大優化了電池的光電轉化性能。此發明可以在任何條件下都能捕獲不同波長的光，實現弱光高效發電，對於大規模產業化應用具有重要意義。本發明根據全反射原理，光從光密介質(高折射率介質)射向光疏介質(低折射率介質)時，當光線入射角超過臨界角時，折射光線完全消失，只剩下反射光線。因此，我們在兩層低折射率納米晶薄膜之間製備一層高折射率納米晶薄膜，形成「三明治」形式的太陽能電池光陽極薄膜，或者在兩層低折射率納米晶薄膜之間製備多層漸變式的高折射率納米晶薄膜，這樣就可以在高折射率納米晶薄膜層中實現全反射，從而達到陷光目的。另外，在薄膜中通過改變納米晶顆粒度的大小，可以增大光在薄膜中發生全反射的機率，使染料分子受更多光的激發從而產生更多的電子，提高電池的短路電流，優化電池的性能。本發明的目的可以通過以下措施達到—種具有陷光結構的染料敏化太陽能電池用光陽極，該光陽極主要由導電基底和納米晶膜組成，其中所述納米晶膜由至少一層單元薄膜組成，其中每層單元薄膜由三層以上具有不同折射率的納米晶薄膜疊加而成，所述單元薄膜兩邊最外層的納米晶薄膜的光線折射率低於該單元薄膜裡層的各納米晶薄膜的光線折射率，且裡層各納米晶薄膜的光線折射率沿光線投射方向逐漸增大或先逐漸增大再逐漸減小。本發明所指的光線投射方向一般是指垂直於導電基底的方向，也可以指太陽能電池吸收光線並轉化為電能時，各光線射入太陽能電池的方向，即從太陽能電池的迎光面到太陽能電池內部的方向。本發明所指的「不同折射率納米晶」不僅僅限於物質不同，還包括同一物質的晶型不同，以及同一物質的不同改性等。單元薄膜的各內層也可稱為折射率漸變的納米晶薄膜層。本發明還提供了一種具有陷光結構的染料敏化納米晶薄膜太陽能電池，包括光陽極、電解質和對電極，其中的光陽極採用上述光陽極，即光陽極主要由導電基底和納米晶膜組成，所述納米晶膜由至少一層單元薄膜組成，其中每層單元薄膜由三層以上具有不同折射率的納米晶薄膜疊加而成，所述單元薄膜兩邊最外層的納米晶薄膜的光線折射率低於該單元薄膜裡層的各納米晶薄膜的光線折射率，且裡層各納米晶薄膜的光線折射率沿光線投射方向逐漸增大或先逐漸增大再逐漸減小。本發明的光陽極或太陽能電池中，單元薄膜優選由三層不同材質的納米晶薄膜疊加而成，其中中間層納米晶薄膜的光線折射率大於該單元薄膜兩邊外層的納米晶薄膜的光線折射率。進一步的，為達到更好的陷光效果，其中納米晶薄膜的納米晶顆粒度可以遵循光散射原理而作優化，即為達到最佳陷光目的，進一步的使單元薄膜中各層納米晶薄膜的納米晶的粒徑在Inrn 10 μ m的範圍隨各層納米晶薄膜的光線折射率的變化相應地增大或減小或不變，或者隨各層納米晶薄膜的光線折射率的變化，在較大光線折射率的納米晶薄膜內加入粒徑在Inm ΙΟμπι範圍內且大於該層納米晶薄膜內納米晶粒徑的大顆粒散射物質。這裡指出的大顆粒散射物質其材質與本發明如下的納米晶相同。本發明的光陽極或太陽能電池中，單元薄膜內的納米晶薄膜的納米晶選自半導體材料如銳鈦礦型二氧化鈦(η = 2. 5，材料的光線折射率，下同)、金紅石型二氧化鈦(η = 2. 7)、氧化鋅(n = 2. 0)、五氧化二鈮(n = 2. 3)、二氧化錫(n = 2. 0)、三氧化鎢(n = 1. 7)、 三氧化二鐵(n = 3. 0)、氧化鋯(n = 2. 0)或前述材料通過摻雜、改性或複合得到的半導體材料中的至少兩種；所述摻雜的離子選自金屬離子鈮離子、鉭離子、鋁離子、鋯離子等及非金屬離子氮離子、碳離子、氟離子、碘離子等，其中的一種或幾種。各納米晶優選選自銳鈦礦型二氧化鈦(n = 2. 5)、金紅石型二氧化鈦(n = 2. 7)、氧化鋅(n = 2. 0)、五氧化二鈮 (n = 2. 3)、二氧化錫(n = 2. 0)、三氧化鎢(n = 1. 7)、三氧化二鐵(n = 3. 0)、氧化鋯(η =2. 0)中的至少兩種，最優選採用銳鈦礦型二氧化鈦(n = 2. 5)、金紅石型二氧化鈦(n = 2. 7)。上述各納米晶的粒徑在Inm 10 μ m的範圍內，優選Inm 1 μ m,最優選IOnm 1 μ m0本發明的光陽極或太陽能電池中，單元薄膜內的每層納米晶薄膜的厚度優選為 1 20 μ m0本發明的光陽極或太陽能電池中的單元薄膜或單元薄膜內納米晶薄膜採用絲網印刷法、刀刮法、旋塗法、等離子體噴塗法、磁控濺射法、化學氣相沉積法或電沉積法進行逐層製備。本發明的光陽極基於全反射原理，即光從光密介質射向光疏介質時，當入射角超過某一角度C(臨界角)時，折射光完全消失，只剩下反射光線的現象叫做全反射。本發明的光陽極的單元薄膜結構可以儘可能地使光在高折射層能發生全反射，因此把光陷在薄膜中。另一方面，從光學上來講，顆粒度大有助於光的散射。當光從低折射率層到高折射率層，是折射光線進入高折射率層，而光線再由高折射率進入低折射率，要想發生全反射， 必須是入射角達到臨界角，所以在高折射率層加入大顆粒的納米晶，使光向四面八方散射， 儘可能使多的光線在高低折射率的分界面上的入射角大，而發生全反射，達到陷光效果。本發明的光陽極適合於現有技術中的各種染料敏化太陽能電池，也適應於各種染料敏化太陽能電池的電解質、染料和對電極。本光陽極的納米晶膜內還吸附有染料，所述染料可以為染料敏化太陽能電池用無機量子點敏化材料、金屬配合物染料或純有機染料。光陽極的導電基底可以選用為FTO導電玻璃、ITO導電玻璃、金屬導電基底、碳材料導電基底或柔性導電襯底。本太陽能電池的電解質可以為染料敏化太陽能電池用液態電解質、準固態電解質或固態電解質。本太陽能電池的對電極包括導電基底和電極。電極可採用為碳對電極、鉬對電極、 金對電極、鎳對電極或高分子聚合物對電極；對電極的導電基底可以為FTO導電玻璃、ITO 導電玻璃、金屬導電基底、碳材料導電基底或柔性導電襯底。本發明的具有陷光結構的染料敏化納米晶薄膜太陽能電池的製備方法，包括光陽極的製備和電池的組裝(1)光陽極的製備先製備出各固含量為10 40%的納米晶半導體漿料，其中各納米晶半導體漿料中採用具有不同折射率的納米晶材料；再將各納米晶半導體漿料按1 20 μ m的厚度逐層製備於預處理後的導電基底上形成一層或多層單元薄膜，經處理後(如於100 600°C下煅燒30 60min)進行染料敏化(如浸泡於染料敏化太陽能電池用染料中進行吸附染料)並乾燥；(2)電池的組裝最後分別組裝上染料敏化太陽能電池用電解質和對電極。該太陽能電池的製備方法中所涉及到的各組分或原料如上所述。其中每層單元薄膜由三層以上納米晶半導體漿料疊加而成，使製成後的單元薄膜兩邊最外層的光線折射率低於該單元薄膜裡層的各層光線折射率，且裡層各層的光線折射率沿光線投射方向逐漸增大或先逐漸增大再逐漸減小。一種更為具體的具有陷光結構的染料敏化納米晶薄膜太陽能電池的製備方案如下1、導電基底的預處理首先將導電玻璃依次放入洗滌劑、去離子水、無水乙醇中分別超聲洗滌，超聲時間為10-30min，50-100°C下烘乾。2、半導體納米晶漿料的配置將納米晶半導體粉末溶於乙醇溶劑中，並加入適量松油醇和乙基纖維素，攪拌均勻，旋轉蒸發，得到固含量為10% -40%的納米晶半導體漿料。納米晶可以選擇不同粒徑大小。3、薄膜的製備首先在預處理後的導電基底上製備一層具有低折射率納米晶薄膜層，厚度為1-20 μ m;再在薄膜層上製備具有高折射率納米晶薄膜層，厚度為1-20 μ m;最後在薄膜層上製備具有低折射率納米晶薄膜層，厚度為1-20 μ m。在第一層和最後一層低折射率納米晶薄膜層之間也可以逐層製備出折射率依次提高或折射率先依次提高再依次降低的各高折射率納米晶薄膜層，每層的厚度均為1-20 μ m。也可同時採用不同粒徑大小納米晶薄膜遵循光散射原理漸變排列。4、薄膜的著色將上述納米晶薄膜在100-600°C下，於空氣氣氛中煅燒30-60min， 自然冷卻至室溫，浸入20-200mM的四氯化鈦水溶液中，50-100°C保存10-60min，取出並衝洗烘乾，再次退火，冷卻至80°C後浸泡於染料中染色。染料吸附飽和後用乙醇清洗，烘乾。5、電池的組裝選取合適的對電極和電解質與染色後的半導體納米晶薄膜組裝成 「三明治」式或多層漸變式陷光結構太陽能電池。本發明的有益效果本發明的陷光結構光陽極製備選材廣泛，且不受納米晶大小的影響。使用任意兩種或多種納米晶材料製備薄膜就能極大提高染料分子對太陽光的吸收利用。通過改變入射光角度或是改變高折射率薄膜層的結構及納米晶顆粒度的大小，甚至能達到陷光效果，大大優化了電池的光電性能。此電極的製備工藝簡單，成本低廉，適合規模化生產應用，而且本發明電池即使在弱光處也能實現高效發電，應用前景廣泛。該具有陷光結構的染料敏化納米晶薄膜太陽能電池能高效捕獲光線，具有優異的弱光發電性能。可以開發為電子產品用的太陽能充電設備，還可以應用到城市中背陰處發電設備、建築物四面光伏發電設備、太陽能電動汽車等設備中。


圖1為三層薄膜陷光結構染料敏化納米晶薄膜太陽能電池結構圖。圖2為多層薄膜陷光結構染料敏化納米晶薄膜太陽能電池結構圖。圖中，1-玻璃基底、2-導電層、3-低折射率納米晶薄膜層、4-高折射率納米晶薄膜層或折射率漸變的納米晶薄膜層、5-低折射率納米晶薄膜層、6-電解質、7-電極、8-入射光線。圖1的高折射率納米晶薄膜層4中含有大顆粒散射物質。
具體實施例方式以下通過實施例對本發明做進一步下說明實施例1採用FTO導電玻璃作為基底，使用銳鈦礦型二氧化鈦(n = 2. 5)及粒徑尺寸不同的金紅石型二氧化鈦(n = 2. 7)粉末來製備光陽極薄膜。導電基底的預處理首先將導電玻璃依次放入洗滌劑、去離子水、無水乙醇中分別超聲洗滌，超聲時間為10-30min，50-100°C下烘乾。
各種粉末的製備方法如下銳鈦礦及金紅石粉末的製備取適量鈦酸四丁酯溶於無水乙醇，在攪拌的條件下逐滴加入去離子水，至無白色沉澱產生為止。將白色沉澱洗滌，乾燥，分成兩份，分別於 450°C和700°C下煅燒池，得到粒徑在100 700nm範圍內的銳鈦礦和金紅石二氧化鈦粉末。金紅石型TiA納米棒組裝的微球製備以TiCI4為鈦源，鹽酸溶液為溶劑，水熱法製備金紅石型TiA納米棒組裝的微球，其中單根納米棒的橫截面寬為400 600nm，組裝成的微球直徑在7μπι左右。以松油醇和乙基纖維素為添加劑，配置固含量為20%的銳鈦礦型二氧化鈦漿料， 表示為漿料Α。再分別取金紅石型粉末，金紅石型粉末與納米棒組裝微球質量比為1 1混合，按照上述方法分別配置固含量為20%的兩種金紅石型二氧化鈦漿料，分別表示為漿料 B和C。選用絲網印刷法，首先使用漿料A在預處理過的導電玻璃上印刷一層約5 μ m厚的銳鈦礦型二氧化鈦薄膜層。烘乾後再依次印刷厚度均為4μπ 厚的金紅石型二氧化鈦(分別使用漿料B和漿料C)薄膜層及銳鈦礦型二氧化鈦(漿料Α)薄膜層，即所得薄膜結構分別為Α/Β/Α型和A/C/A型。將使用Α/Β/Α型結構薄膜製備的電池表示為DSC1，使用A/C/A 型結構薄膜製備的電池表示為DSC2。退火處理後，將薄膜置於0. 3mM的N719乙醇溶液中， 避光浸泡M小時，無水乙醇衝洗，烘乾。為顯示區別，按照上述製備方法，完全使用漿料A 印刷13 μ m左右厚的二氧化鈦電極，製備的電池表示為DSC3。選用鉬作為對電極，液態Γ/Ι3_氧化還原對作電解質，使用25 μ m厚的沙林膜將電池密封，組裝成具有陷光結構的染料敏化納米晶薄膜太陽能電池。在lOOmW/cm2光強下測試電池的光電性能。表1通過以上方法製備出的陷光結構納米晶薄膜太陽能電池的光電性能如下
短路電流開路電壓光電轉化效率
電池填充因子
/(mA.cm"2)/V/%
DSCl13.050.820.555.96
DSC211.210.820.433.95
DSC310.800.810.393.42實施例2採用FTO導電玻璃作為基底，使用銳鈦礦型二氧化鈦(n = 2. 5)及金紅石型TiO2 (η =2. 7)納米棒組裝的微球來製備光陽極薄膜。各種粉末的製備方法如下取適量鈦酸四丁酯溶於無水乙醇，在攪拌的條件下逐滴加入去離子水，至無白色沉澱產生為止。將白色沉澱洗滌，乾燥，於450°C下煅燒池，得到粒徑在100 700nm範圍內的銳鈦礦二氧化鈦粉末。以TiCl4為鈦源，鹽酸溶液為溶劑，水熱法製備金紅石型TW2納米棒組裝的微球，其中單根納米棒的橫截面寬為400 600nm，組裝成的微球直徑在7 μ m左右ο以松油醇和乙基纖維素為添加劑，配置固含量為20%的銳鈦礦型二氧化鈦漿料，表示為漿料A。以同樣的方法配製金紅石型二氧化鈦漿料，表示為漿料B。使用這兩種漿料， 通過絲網印刷法以及實施例1的方法製備A/B/A型結構薄膜，退火處理後在0. 3mM的N719 乙醇溶液中避光浸泡M小時，乙醇衝洗烘乾。選用碳作為對電極，液態Γ/Ι3_氧化還原對作電解質，使用25 μ m厚的沙林膜將電池密封。在lOOmW/cm2光強下測試電池的光電性能時， 電池的短路電流為10. 49mA. cm_2，開路電壓為0. 57V，光電轉化效率為1. 5%。實施例3採用FTO導電玻璃作為基底，使用二氧化錫(n = 2. 0)，銳鈦礦型二氧化鈦(n = 2. 5)及金紅石型二氧化鈦(n = 2. 7)粉末來製備光陽極薄膜。各種粉末的製備方法如下取適量鈦酸四丁酯溶於無水乙醇，在攪拌的條件下逐滴加入去離子水，至無白色沉澱產生為止。將白色沉澱洗滌，乾燥，分成兩份，分別於450°C和700°C下煅燒池，得到粒徑在100 700nm範圍內的銳鈦礦和金紅石二氧化鈦粉末。取適量SnCl4 ·5Η20溶於PEG200 中，煅燒後得到粒徑為500nm左右的二氧化錫粉末。以松油醇和乙基纖維素為添加劑，將以上粉末分別配置成固含量為20%的漿料，其中二氧化錫漿料表示為漿料A，銳鈦礦型二氧化鈦漿料表示為漿料B，金紅石型二氧化鈦漿料表示為漿料C，使用以上漿料通過絲網印刷法及實施例1的方法製備A/B/C/B/A型結構薄膜(其中每層薄膜層的厚度約3 μ m)，退火處理後在0. 3mM的N3乙醇溶液中避光浸泡M小時，乙醇衝洗烘乾。選用鉬作為對電極，液態Γ/Ι3_氧化還原對作電解質，使用25 μ m厚的沙林膜將電池密封。在lOOmW/cm2光強下測試電池的光電性能時，電池的短路電流為9. 47mA. cm_2，開路電壓為0. 62V，光電轉化效率為 2. 5%。本例中僅採用漿料A在基底上製備約15 μ m厚度的薄膜，並按同樣的方法組裝電池，測得該電池的光電轉化效率低於0. 7%。實施例4採用FTO導電玻璃作為基底，使用二氧化錫(n = 2. 0)，銳鈦礦型二氧化鈦(n = 2. 5)及金紅石型二氧化鈦(n = 2. 7)粉末來製備光陽極薄膜。各種粉末的製備方法如下取適量鈦酸四丁酯溶於無水乙醇，在攪拌的條件下逐滴加入去離子水，至無白色沉澱產生為止。將白色沉澱洗滌，乾燥，分成兩份，分別於450°C和700°C下煅燒池，得到粒徑在100 700nm範圍內的銳鈦礦和金紅石二氧化鈦粉末。取適量SnCl4 ·5Η20溶於PEG200 中，煅燒後得到粒徑為500nm左右的二氧化錫粉末。以松油醇和乙基纖維素為添加劑，將以上粉末分別配置成固含量為20%的漿料，其中二氧化錫漿料表示為漿料A，銳鈦礦型二氧化鈦漿料表示為漿料B，金紅石型二氧化鈦漿料表示為漿料C，使用以上漿料通過絲網印刷法及實施例1的方法製備A/B/C/B(其中每層薄膜層的厚度約3μπι)型結構薄膜，退火處理後分別在0. 3mM的N3乙醇溶液中避光浸泡M小時，乙醇衝洗烘乾。選用鉬作為對電極，液態Γ/Ι3_氧化還原對作電解質，使用25 μ m厚的沙林膜將電池密封。在lOOmW/cm2光強下測試電池的光電性能時，電池的短路電流為9. 18mA. cm_2，開路電壓為0. 47V，光電轉化效率為 1. 4%。本例中僅採用漿料A在基底上製備約12 μ m厚度的薄膜，並按同樣的方法組裝電池，測得該電池的光電轉化效率低於0. 7%。實施例5採用FTO導電玻璃作為基底，使用二氧化錫(n = 2. 0)和銳鈦礦型二氧化鈦(n =2.5)粉末來製備光陽極薄膜。各種粉末的製備方法如下取適量鈦酸四丁酯溶於無水乙醇，在攪拌的條件下逐滴加入去離子水，至無白色沉澱產生為止。將白色沉澱洗滌，乾燥，於450°C下煅燒池，得到粒徑在100 700nm範圍內的銳鈦礦型二氧化鈦粉末。取適量SnCl4 ·5Η20溶於PEG200中，煅燒後得到粒徑為500nm 左右的二氧化錫粉末。以松油醇和乙基纖維素為添加劑，將以上粉末分別配置成固含量為 20 %的漿料，其中二氧化錫漿料表示為漿料A，銳鈦礦型二氧化鈦漿料表示為漿料B，使用以上漿料通過絲網印刷法及實施例1的方法製備A/B/A(其中每層薄膜層的厚度約5 μ m) 型結構薄膜，退火處理後在0. 3mM的N3乙醇溶液中避光浸泡M小時，乙醇衝洗烘乾。選用鉬作為對電極，液態Γ/Ι3_氧化還原對作電解質，使用25 μ m厚的沙林膜將電池密封。 在lOOmW/cm2光強下測試電池的光電性能時，電池的短路電流為7. 59mA. cm_2，開路電壓為 0. 3V，光電轉化效率為0. 74%。本例中僅採用漿料A在基底上製備約15 μ m厚度的薄膜，並按同樣的方法組裝電池，測得該電池的光電轉化效率低於0. 7%。實施例6.按實施例1的方法，以松油醇和乙基纖維素為添加劑，配置固含量為20%的銳鈦礦型二氧化鈦漿料，表示為漿料A。以同樣的方法配製金紅石型二氧化鈦漿料(粉末)，表示為漿料B。使用這兩種漿料，通過絲網印刷法製備A/B/A型結構薄膜，退火處理後在0.3mM 的N719乙醇溶液中避光浸泡M小時，乙醇衝洗烘乾。選用Pt作為對電極，液態Γ/產氧化還原對作電解質，使用25 μ m厚的沙林膜將電池密封，按照上述工序製作6cmX6cm Τ 02 薄膜太陽能電池，並測試其弱光發電性能，與現有商業矽電池進行比較，結果見下表。表2矽和Ti02電池光伏性能比較
權利要求
1.一種具有陷光結構的染料敏化納米晶薄膜太陽能電池，包括光陽極、電解質和對電極，其中光陽極主要由導電基底和納米晶膜組成，其特徵在於所述納米晶膜由至少一層單元薄膜組成，其中每層單元薄膜由三層以上具有不同折射率的納米晶薄膜疊加而成，所述單元薄膜兩邊最外層的納米晶薄膜的光線折射率低於該單元薄膜裡層的各納米晶薄膜的光線折射率，且裡層各納米晶薄膜的折射率沿光線投射方向逐漸增大或先逐漸增大再逐漸減小。
2.根據權利要求1所述的具有陷光結構的染料敏化納米晶薄膜太陽能電池，其特徵在於所述單元薄膜由三層不同折射率的納米晶薄膜疊加而成，其中中間層納米晶薄膜的折射率大於該單元薄膜兩邊外層的納米晶薄膜的光線折射率。
3.根據權利要求1所述的具有陷光結構的染料敏化納米晶薄膜太陽能電池，其特徵在於所述的光線投射方向是指太陽能電池吸收光線並轉化為電能時，各光線射入太陽能電池的方向。
4.根據權利要求1所述的具有陷光結構的染料敏化納米晶薄膜太陽能電池，其特徵在於所述單元薄膜內的納米晶薄膜的納米晶選自半導體材料如銳鈦礦型二氧化鈦(n = 2. 5)、金紅石型二氧化鈦(n = 2. 7)、氧化鋅(n = 2. 0)、五氧化二鈮(n = 2. 3)、二氧化錫(η =2. 0)、三氧化鎢(n = 1. 7)、三氧化二鐵(n = 3. 0)、氧化鋯(n = 2. 0)或前述材料通過摻雜、改性或複合得到的半導體材料中的至少兩種；所述摻雜的離子選自金屬離子鈮離子、 鉭離子、鋁離子、鋯離子或非金屬離子氮離子、碳離子、氟離子、碘離子中的一種或幾種。
5.根據權利要求4所述的具有陷光結構的染料敏化納米晶薄膜太陽能電池，其特徵在於單元薄膜中各層納米晶薄膜的納米晶的粒徑在Inm 10 μ m的範圍隨各層納米晶薄膜的光線折射率的變化相應地增大或減小或不變，或者隨各層納米晶薄膜的光線折射率的變化，在較大光線折射率的納米晶薄膜內加入粒徑在Inm ΙΟμπι範圍內且大於該層納米晶薄膜內納米晶粒徑的大顆粒散射物質。
6.根據權利要求1所述的具有陷光結構的染料敏化納米晶薄膜太陽能電池，其特徵在於所述單元薄膜內的每層納米晶薄膜的厚度為1 20μπι。
7.根據權利要求1所述的具有陷光結構的染料敏化納米晶薄膜太陽能電池，其特徵在於所述單元薄膜或單元薄膜內納米晶薄膜採用絲網印刷法、刀刮法、旋塗法、等離子體噴塗法、磁控濺射法、化學氣相沉積法或電沉積法進行逐層製備。
8.根據權利要求1所述的具有陷光結構的染料敏化納米晶薄膜太陽能電池，其特徵在於所述光陽極的納米晶膜內吸附有染料，所述染料為染料敏化太陽能電池用無機量子點敏化材料、金屬配合物染料或純有機染料；所述光陽極的導電基底為FTO導電玻璃、ITO導電玻璃、金屬導電基底、碳材料導電基底或柔性導電襯底；所述電解質為染料敏化太陽能電池用液態電解質、準固態電解質或固態電解質；所述對電極的電極採用為碳對電極、鉬對電極、金對電極、鎳對電極或高分子聚合物對電極；所述對電極的導電基底為FTO導電玻璃、 ITO導電玻璃、金屬導電基底、碳材料導電基底或柔性導電襯底。
9.權利要求1所述的具有陷光結構的染料敏化納米晶薄膜太陽能電池的製備方法，其特徵在於先製備出納米晶半導體漿料，其中各納米晶半導體漿料中採用具有不同折射率的納米晶材料；再將各納米晶半導體漿料逐層製備於預處理後的導電基底上形成一層或多層單元薄膜，經處理後進行染料敏化並乾燥；最後分別組裝上染料敏化太陽能電池用電解質和對電極。其中每層單元薄膜由三層以上納米晶半導體漿料疊加而成，使製成後的單元薄膜兩邊最外層的光線折射率低於該單元薄膜裡層的各層光線折射率，且裡層各層的光線折射率沿光線投射方向逐漸增大或先逐漸增大再逐漸減小；所述各納米晶採用半導體材料如銳鈦礦型二氧化鈦(n = 2. 5)、金紅石型二氧化鈦(η =2. 7)、氧化鋅(n = 2. 0)、五氧化二鈮(n = 2. 3)、二氧化錫(n = 2. 0)、三氧化鎢(n = 1. 7)、三氧化二鐵(n = 3. 0)、氧化鋯(n = 2. 0)或前述材料通過摻雜、改性或複合得到的半導體材料中的一種或幾種。
10.一種具有陷光結構的染料敏化太陽能電池用光陽極，該光陽極主要由導電基底和納米晶膜組成，其特徵在於所述納米晶膜由至少一層單元薄膜組成，其中每層單元薄膜由三層以上不同材質的納米晶薄膜疊加而成，所述單元薄膜兩邊最外層的納米晶薄膜的光線折射率低於該單元薄膜裡層的各納米晶薄膜的光線折射率，且裡層各納米晶薄膜的光線折射率沿光線投射方向逐漸增大或先逐漸增大再逐漸減小；或者進一步的單元薄膜中各層納米晶薄膜的納米晶的粒徑在Inm 10 μ m的範圍隨各層納米晶薄膜的光線折射率的變化相應地增大或減小或不變，或者隨各層納米晶薄膜的光線折射率的變化，在較大光線折射率的納米晶薄膜內加入粒徑在Inm ΙΟμπι範圍內且大於該層納米晶薄膜內納米晶粒徑的大顆粒散射物質。
11.權利要求1 9所述的具有陷光結構的染料敏化納米晶薄膜太陽能電池在電子產品用太陽能充電設備、城市背陰處發電設備、建築物四面光伏發電設備或太陽能電動汽車方面的應用。
全文摘要
本發明公開了一種具有陷光結構的染料敏化納米晶薄膜太陽能電池，包括光陽極、電解質和對電極，其中光陽極主要由導電基底和納米晶膜組成，所述納米晶膜由至少一層單元薄膜組成，其中每層單元薄膜由三層以上具有不同折射率的納米晶薄膜疊加而成，所述單元薄膜兩邊最外層的納米晶薄膜的光線折射率低於該單元薄膜裡層的各納米晶薄膜的光線折射率，且裡層各納米晶薄膜的光線折射率沿光線投射方向逐漸增大或先逐漸增大再逐漸減小。本發明製備的電池通過光的散射和全反射達到陷光目的，本品取材及應用範圍廣泛，製備方法簡單，且能極大提高薄膜對光的吸收利用，從而大大優化電池的光電轉化效率。
文檔編號H01M14/00GK102254695SQ20111010332
公開日2011年11月23日 申請日期2011年4月22日 優先權日2011年4月22日
發明者周幸福, 潘浩 申請人:南京工業大學