[发明专利]一种半导体电极及制法和含有该半导体电极的太阳能电池

说明书

技术领域

本发明是关于一种半导体电极及其制备方法和含有该半导体电极的染 料敏化太阳能电池。

背景技术

在电力、煤炭、石油等不可再生能源频频告急的今天，免费洁净且取之 不尽的太阳能倍受世人的注目。太阳能电池这种可以将太阳能直接转化为电 能的装置成为众多研究者涉足的领域。硅太阳能电池由美国贝尔实验室首先 研制出来，具有较高的光电转化效率，因此它成为首先工业化生产的太阳能 电池产品。但是，硅太阳能电池的制作工艺复杂、价格昂贵且原材料硅越来 越紧缺，制约了其广泛应用。瑞士洛桑高等工业学院的教授等人在 1991年首先提出了染料敏化太阳能电池的概念，这种太阳能电池不需要硅作 原料，并且具有成本低、制作工艺简单、光电转换率高等优点，它的出现为 太阳能电池领域带来了革命性的变革。

染料敏化太阳能电池主要包括半导体电极、对电极以及位于半导体电极 和对电极之间的电解质，半导体电极包括导电底层、形成于该导电底层上的 半导体纳米晶膜和形成于该半导体纳米晶膜上的染料层。染料敏化太阳能电 池的工作原理为：当染料分子吸收太阳光时，其电子受激发跃迁至激发态， 由于激发态不稳定，电子迅速注入半导体中，而空穴则留在染料中，此时染 料分子变为氧化态。电子随后扩散至导电底层，经外电路转移至对电极，形 成光电流；而氧化态的染料被电解质还原，被氧化的电解质在对电极接受电 子还原成基态，从而完成电子的整个传输过程。

为此，人们想到在半导体纳米晶膜中加入导电微粒，以提高半导体纳米 晶膜的导电率。例如现有技术中公开了一种染料敏化太阳能电池电极，包括： 一导电基片；一形成于该导电基片的半导体纳米晶膜；一形成于该半导体纳 米晶膜的染料层；其特征在于，该半导体纳米晶膜包含若干导电微粒。所述 导电颗粒可以为金属颗粒，如Au、Ag、Pt和Cu；所述导电颗粒还可以选自 碳纳米材料，如碳纳米管、碳纳米球和富勒烯分子。根据该染料敏化太阳能 电池电极，在半导体纳米晶膜中加入导电微粒，利用导电微粒的导电性能， 虽然可以在一定程度上提高半导体纳米晶膜的导电率，但是染料敏化太阳能 电池的光电转化率依然比较低。

发明内容

发明人通过试验发现，由于多孔半导体层内部不存在内建电场，半导体 颗粒太小，在颗粒与电解质溶液的界面不能产生空间电荷层。所以，电子迁 移率低，其与周围所存在的电子受体的复合机率大大提高，从而明显降低光 电转化效率。

而在半导体层中添加金属颗粒，由于半导体层为多孔结构，且半导体层 厚度较薄，液态电解质可能会通过半导体层的空隙进入半导体层内部，直接 与半导体层上的金属颗粒接触，而金属导电颗粒可能会使得电解质与导电玻 璃上的导电层直接导通，此时从半导体层传送到导电玻璃上的导电薄层的电 子被电解质直接捕获的几率增加，局部短路电流增加，降低了太阳能电池的 光电转换效率。

本发明的目的是为了克服现有的染料敏化太阳能电池光电转换率较低 的缺点，提供一种能够提高染料敏化太阳能电池的光电转换率的半导体电极。

本发明的另一目的是提供该半导体电极的制备方法和含有该半导体电 极的染料敏化太阳能电池。

本发明提供了一种半导体电极，该半导体电极包括导电底层、形成于该 导电底层上的半导体层和形成于该半导体层上的染料层，所述半导体层含有 半导体颗粒和金属氧化颗粒，其中，所述金属氧化颗粒，为SnO₂颗粒。本 发明提供了一种半导体电极的制备方法，该方法包括在导电底层上形成含有 半导体颗粒和金属氧化物颗粒的半导体层，然后在半导体层上形成染料层。

本发明提供了一种染料敏化太阳能电池，该电池包括半导体电极、对电 极以及位于半导体电极和对电极之间的电解质，所述半导体电极包括导电底 层、形成于该导电底层上的半导体层和形成于该半导体层上的染料层，所述 半导体纳层含有半导体颗粒和金属氧化物颗粒。

根据本发明提供的染料敏化太阳能电池用半导体电极，在半导体层中加 入的金属氧化物颗粒，金属氧化物颗粒的加入，可以提高光生电子的利用效 率，金属颗粒可以作为电子的捕获阱，使半导体中的电子和空穴有效分离， 延长电子-空穴的寿命，增大光生电流，从而提高染料敏化太阳能电池的光 电转换率。

附图说明

图1为本发明的染料敏化太阳能电池的结构示意图；

具体实施方式