[发明专利]染料敏化TiO2纳米晶太阳能电池的定制化导电薄膜及其制备

说明书

技术领域

本发明属于微纳制造技术领域，特别涉及一种基于染料敏化TiO₂纳米晶太阳能电池的定制化导电薄膜及其制备方法，以提高染料敏化太阳能电池(Dye Sensitized Solar Cells，简称DSSCs)的光电转换效率。

背景技术

太阳能电池主要有两种：一种是无机太阳能电池(主要是硅基半导体)，这种电池技术相比之下最为成熟，已经制造出商业化的成品，效率也比较高在12～16％之间，实验室曾做出效率高达24.4％的纪录，优点是稳定性和实用性都比较好，但是成本高制约了其商业化的推广；另一种是有机太阳能电池(聚合物异质结型太阳能电池，简称PSC)，主要由电子施主型聚合物半导体(简称p型聚合物)与电子受主型聚合物半导体(简称n型聚合物)构成，即电子施主与受主均为有机半导体化合物，将两类聚合物半导体材料结合在一起，可获得类似于无机类半导体p-n结具有的特性。p型聚合物与n型聚合物的接触处(界面)形成所谓“异质结”，但是此类太阳能电池的转化效率太低，约为1～2％之间；染料敏化太阳能电池是新型异质结太阳能电池的一种，本质上是介于有机和无机太阳能电池之间的一种新型太阳能电池，它结合了两者的优点。聚合物异质结型太阳能电池主要是异质结附近的电子或空穴在光诱导作用下透过异质结作定向迁移而产生“光伏打”电流，而DSSCs不同之处在于，其电子-空穴对不是在异质结附近迁移，而是有机染料分子在光子的作用下由基态跃迁到激发态，激发态染料分子将电子注入到半导体的导带中，然后电子在纳米晶网格中传输到导电电极(FTO)玻璃后再流入到外电路中，即形成电流。DSSCs与常规的有机太阳能电池相比，同样不需要复杂的工艺，比如无需涉及溅射、蒸镀、电泳、掺杂、气相沉积等物理或化学加工；DSSCs的工艺简单，能量转化效率明显高于PSC，在定制化的电极下，效率有望更高。到目前为止，DSSCs的光电转化效率已能稳定在10％左右，寿命能达到15～20年，且其制造成本仅为硅太阳能电池的1/5～1/10。DSSCs的光电转换效率相关的因素包括：TiO₂薄膜自身的性能和结构形态，染料的吸附性以及染料分子的结构，电解质的电荷传输性。鉴于TiO₂导电薄膜在电池中的重要性，寻找更适于批量生产的制备工艺，制备性能优异的TiO₂薄膜；提高染料分子的吸附性以及电荷的分离效率；寻找更合适的准固态空穴传输材料代替液态电解质使封装更容易，将使DSSCs取代无机太阳能电池和聚合物异质结电池等成为可能；所以，提高DSSCs的转换效率是获得工业上大面积的推广使用的关键。

发明内容

为提高DSSCs的光电转换效率，本发明的目的在于，提出在TiO₂薄膜上制做出一种定制化有序微结构——纳米阵列结构。有序微结构半导体TiO₂薄膜可以增加光子的散射和光子在电极材料中的传输路径，有利于增强光的吸收；定制化的垂直结构可以减少电荷在电极材料中的传输路径，减少界面复合的机会；各纳米孔洞之间具有更高的连通率，更容易满足电解质在光照条件下传质动力学的要求；有利于固态准固态电解质在半导体薄膜表面紧密接触。本发明所涉及的定制化微结构是纳米级的，在传统的工艺条件下其制作是无法实现的，借助于现在已有的光刻、刻蚀等先进的加工技术可以实现，但是很难批量化生产。因此，本发明亦针对所提出的定制化微结构给出相关的制作工艺。

本发明以提高染料电池的光电转化效率为目的，提出了电池半导体薄膜的定制化微结构以及包含这种结构的DSSCs的制作工艺。

实现上述目的的技术解决方案是：一种基于定制化微结构导电薄膜的染料敏化TiO₂纳米晶太阳能电池，该电池至少含有一组电池单元，其特征在于，该电池单元包括：

玻璃基底，在玻璃基底上依次制备有金属氧化物导电层、TiO₂阻断层薄膜、定制化微结构TiO₂薄膜、吸附在定制化微结构TiO₂导电薄膜上的染料颗粒、表面修饰层、液态或者准固态的电解质、金属负电极；其中，TiO₂薄膜本身具有多孔性，其界面形状为长方形，其结构尺寸为：深/高为200nm，宽度为100nm，长度为100nm，深宽比≥2.0。

上述基于定制化微结构导电薄膜的染料敏化TiO₂纳米晶太阳能电池，其特征在于，所述的电池单元按以下步骤制备：