[发明专利]染料敏化纳米晶太阳电池光阳极薄膜的制造方法

说明书

技术领域

本发明属于太阳电池领域尤其是染料敏化太阳电池技术领域，具体涉及一种染料敏化纳米晶太阳电池光阳极薄膜的制造方法。

背景技术

太阳电池能够直接将太阳能转化成电能，是太阳能的主要利用形式之一。目前所研究的太阳电池主要包括：硅太阳电池、化合物半导体电池、聚合物膜太阳电池和染料敏化纳米晶太阳电池。自1991年等在Nature上报道了染料敏化纳米晶太阳电池(dye-sensitized solar cell，DSC)的太阳能转化效率>7％以来，DSC便受到了广泛的关注。迄今，DSC的能量转化效率已经超过了11％。

DSC是由光阳极、对电极和电解质组成的。在导电玻璃基底上沉积的多孔TiO₂膜吸附染料后构成光阳极。考虑到光电转化效率是由染料采光效率、电子从染料向TiO₂膜的注入效率、电子在TiO₂膜中的传递并达到导电玻璃的收集效率、电解质离子在TiO2膜中传递过程所决定。因此，对TiO₂膜的具体要求是：(1)针状或近球状纳米颗粒堆积成的多孔膜，以提供更大的表面积，增加染料的吸附密度，提高采光效率；(2)纳米颗粒之间良好的连接，以增加电子在TiO₂膜中良好的传递性能，提高收集效率；(3)合适的孔隙率和孔径分布，以保证染料吸附和膜内电解质传递。典型的TiO₂膜是由10—30nm的TiO₂颗粒堆积而成、厚度5—30μm、粗糙因子几百至几千、孔隙率一般50％以上、孔径主要为5—30nm。在孔隙结构方面，从染料向薄膜内部的扩散吸附、电解质向薄膜内部的渗透扩散和电解质载流子扩散角度，希望孔道尺寸不能太小。

目前制备这种多孔纳米晶TiO₂膜的常用方法是刮涂法，虽然目前为止刮涂法在实验室获得了最高的转化效率，但该法的成膜机理决定了TiO₂膜与导电玻璃基底间、膜内颗粒间的结合较弱，以及膜内容易产生裂纹缺陷。而且由于表面活性剂的使用，薄膜也容易产生泡孔缺陷。为此，研究采用静电沉积和模板沉积技术来制备均匀的多孔纳米晶TiO₂膜。而制备大面积DSC时，也常采用丝网印刷技术制备TiO₂膜。

近来，申请人利用空气动力学原理设计了真空冷喷涂系统，可以在室温和kPa数量级的低成本低压条件下将初级颗粒为微米或亚微米尺寸的TiO₂等陶瓷粉末在喷枪中加速后沉积在基底表面形成薄膜。

发明内容

本发明的目的是基于真空冷喷涂方法提出一种染料敏化纳米晶太阳电池光阳极薄膜的制造方法，该方法所制备的薄膜不仅含有与初级颗粒尺寸相当的纳米级孔隙，还含有比纳米经颗粒的初级颗粒尺寸更大的孔隙，用以提供良好的染料扩散与均匀吸附性能、电解质扩散及其载流子传递等性能，同时考虑避免泡孔和裂纹等缺陷的产生。

本发明的整体技术思路上是通过初级颗粒间的不完全填充来构造尺寸与初级颗粒相当的纳米级孔隙，通过更大尺寸的纳米结构复合型粉末间的不完全填充来构造尺寸与复合型粉末相当的较大尺寸孔隙。

实现上述目的的技术方案是：

包括以下步骤：

首先将纳米晶TiO₂分散在含有有机物的溶液中形成均匀浆体，然后经干燥、破碎制备成具有纳米结构特征的整体尺寸成微米或亚微米量级的TiO₂复合粉末；

采用真空冷喷涂法将TiO₂粉末沉积在导电玻璃导电侧表面，形成一定厚度的TiO₂薄膜；

最后对沉积在导电玻璃表面的TiO₂薄膜进行后处理，以去除复合型喷涂粉末中的有机物。

导电玻璃是无机导电玻璃或柔软可变形的有机导电玻璃。

真空冷喷涂法是采用气流在喷枪内将纳米结构复合型TiO₂粉末的颗粒加速后在低压室中喷涂撞击导电玻璃基体表面形成TiO₂薄膜。

TiO₂复合粉末的尺寸为0.05μm～2μm，所述的纳米晶TiO₂的原始颗粒尺寸为1nm～500nm。

有机物选自有机羧酸、聚乙二醇、聚乙烯醇、聚丙烯酰胺、聚乙烯吡咯烷酮、聚丙烯酸、聚甲基丙烯酸中两种或两种以上有机物的混合物。