[发明专利]染料敏化纳晶薄膜太阳能电池光电极及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于太阳能电池技术领域，特别涉及一种基于TiO₂粗糙微球的染料敏化纳晶薄膜太阳能电池的高吸光效率的光电极，以及该光电极的制备方法。

背景技术

在染料敏化纳晶薄膜太阳能电池中，TiO₂纳晶薄膜具有双重作用。一是作为染料的载体。染料吸附在TiO₂纳晶表面，吸收光子变成激发态，然后激发态的电子跃迁到TiO₂的导带，然后输送到外电路。由于单个染料只能产生一个电子，因此要使电池获得最大电流和效率，就需要TiO₂纳晶膜吸附更多的染料，即具备更大的比表面积。二是作为限光层。限光层所具有的限光效应包涵很广，而在染料敏化纳晶薄膜太阳能电池中，主要贡献是光散射效应。光散射效应是通过光的散射，改变光波的传输路径，增大光子在TiO₂纳晶薄膜中的光程，将光尽可能多的限制在TiO₂纳晶膜内，以增大光子的吸收效率，进一步提高入射光子一电子的转换效率。由于染料敏化纳晶太阳能电池受到染料自身吸收范围的限制，在长波区的吸收较弱，因此需要改善长波区的光子吸收来提高光电转换效率，那么就要求纳晶颗粒的尺寸提高到数百纳米的程度。众所周知，纳晶颗粒的尺寸大小与比表面积成反比，在这样的矛盾体系中要得到合理的平衡，就需要找到最佳的尺寸和添加比例。(瑞士)Gratzel等在文献中报道，添加约5～10wt％的、200nm左右的TiO₂方形颗粒，得到了较好的效果。但这种折中的办法并不能解决两者之间的矛盾。

发明内容

本发明的目的是为了解决比表面和大尺寸间的矛盾冲突，通过对颗粒的精心设计，制备出一种具有粗糙表面、大尺寸和多孔结构的TiO₂粗糙微球，将其应用到普通纳晶薄膜中，以求大幅度地提高电池的光电转换效率，由此提供一种染料敏化纳晶薄膜太阳能电池光电极。

本发明的另一个目的是提供一种基于TiO₂粗糙微球的染料敏化纳晶薄膜太阳能电池光电极的制备方法。

本发明的染料敏化纳晶薄膜太阳能电池光电极，是一种基于TiO₂粗糙微球的染料敏化纳晶薄膜太阳能电池光电极，并以这种粗糙微球为光散射中心；

光电极由两层TiO₂纳晶薄膜组成，其中一层由粒径尺寸约为5～30nm的TiO₂纳米颗粒组成，另一层由含量约为5～100wt％(优选为25wt％)的粒径约为100～500nm的TiO₂粗糙微球，和含量约为0～95wt％的粒径尺寸约为5～30nm的TiO₂纳晶颗粒混合组成；所述的粗糙微球的表面是大量粒径约为5～30nm球形TiO₂小颗粒聚集在一起，呈现细密的突起颗粒，从而形成粗糙微球。

所述的TiO₂粗糙微球的粒径尺寸优选为200～400nm之间，更优选在200～300nm之间。

所述的TiO₂纳晶薄膜光电极厚度为6～12微米。

本发明基于TiO₂粗糙微球的染料敏化太阳能电池光电极的方法是通过钛醇盐(钛酸四丁酯或异丙氧醇钛)液相水解法，以聚(乙二醇-丙二醇-乙二醇)(EO-PO-EO)三嵌段共聚物为表面活性剂制备。

本发明基于TiO₂粗糙微球的染料敏化太阳能电池光电极的方法包括：

(1)将钛醇盐加入到乙二醇中，密闭搅拌，得到含有浓度为2～25wt％钛醇盐的钛醇盐与乙二醇的混合溶液1；将0.3～0.8ml、浓度为5～20wt％的聚(乙二醇-丙二醇-乙二醇)三嵌段共聚物的水溶液加入到80～150ml极性有机溶剂中，磁力搅拌，得到溶液2；将溶液2和溶液1保持相同的初始温度0.5～1小时；然后把溶液1倒入溶液2中，其中溶液1与溶液2的体积比是1∶3～1∶8；持续冰浴搅拌，然后撤掉冰浴搅拌；离心，洗涤，干燥，得到TiO₂粗糙微球；

(2)在清洗干净的衬底上先涂敷一层TiO₂纳晶(粒径为5～30nm)胶体薄膜底层，然后在450～500℃温度范围内、空气中烧结30～60分钟；