[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，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层和形成于该半导体纳米层上的染料层。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。

在实践中，人们想到采用多层纳米半导体复合层，来解决半导体层与导电玻璃结合力的问题。如现有技术中公开了一种纳米二氧化钛薄层，其组成是由致密二氧化钛层和多孔二氧化钛层组成，由于采用了两层结构的纳米二氧化钛层，而致密二氧化钛层与导电底层紧密结合，使得二氧化钛层与导电玻璃的结合力明显提高。但是，由于该纳米二氧化钛层导电率不高，染料敏化太阳能电池光电转换率较低。

发明内容

发明人通过大量实验发现，单一半导体层电极在传输电子方面存在一定缺陷。因为，与块状半导体不同，半导体层内部不存在内建电场，而且由于半导体粒子太小，在粒子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。另外一方面，由于半导体层为多孔层，其与导电玻璃之间的接触面积较小，所以二者的结合力不牢固，如果所使用的半导体颗粒的尺寸较大，半导体层就很容易从导电玻璃上脱落，另外，如果半导体颗粒之间的结合力不好，半导体层中会有部分半导体颗粒与周围的半导体颗粒结合不好，从而使这些半导体颗粒中的激发电子难以传送到导电玻璃上的导电层上，此外，由于半导体层为多孔结构，导电玻璃上的导电层未被半导体层覆盖，液态电解质可能会通过半导体层的空隙直接与导电玻璃上的导电层接触，此时从半导体层传送到导电玻璃上的导电薄层的电子可能会直接被电解质所捕获，而不是先通过对电极，然后再传输到液态电解液，从而造成部分短路，降低了太阳能电池的光电转换效应。发明人还发现，在半导体层中加入的导电颗粒可以作为电子捕获阱，使得半导体中的电子和空穴易于分离，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。

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。

一种染料敏化太阳能电池用半导体电极，该半导体电极包括导电底层、形成于该导电底层上的致密半导体纳米层，形成于致密半导体层上的多孔半导体层和形成于该多孔半导体层上的染料层，其中致密半导体层和多孔半导体层分别含有半导体颗粒和导电颗粒。

本发明提供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导电颗粒的致密半导体层，后在致密半导体层上形成含有半导体颗粒和导电颗粒的多孔半导体层，然后在多孔半导体层上形成染料层，其中，所述导电颗粒为选自Au、Ag、Pt、Cu、Zn、Sn、Ni、Fe、Ir、Ru和In中的一种或几种的金属或合金的颗粒。

本发明还提供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致密半导体层，形成于致密半导体层上的多孔半导体层和形成于该多空半导体纳米层上的染料层，所述半导体层含有半导体颗粒和导电颗粒，以多孔半导体层中的导电颗粒重量为基准，致密半导体层中的导电颗粒的重量为多孔半导体层中的导电颗粒重量的0.5-1倍。分布于半导体层中的导电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。