[发明专利]染料敏化太阳能电池工作电极及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及染料敏化太阳能电池领域，具体地说是染料敏化太阳能电池工作电极及其制备方法。

背景技术

自从1991年瑞士科学家等人发明低成本的染料敏化纳米晶太阳能电池(即电池)以来，染料敏化太阳能电池得以快速发展。染料敏化太阳能电池的优点在于廉价的成本和简单的工艺及稳定的性能。其制作成本仅为硅太阳电池的1/5～1/10，并且环保。然而，光电效率相对较低是其一大弱点，目前染料敏化太阳能电池仍然没有达到商业应用的要求。

染料敏化太阳能电池主要由工作电极、电解质和对电极三部分组成。其工作原理为：染料分子吸收太阳光能跃迁到激发态，激发态不稳定，电子快速注入到紧邻的半导体的导带，染料中失去的电子很快从电解质中得到补偿，进入半导体导带中的电于最终进入导电膜，然后通过外回路产生光电流。在这些光电转换、输运环节中，电子的收集与输运是决定染料敏化太阳能电池效率的重要环节。目前效率最高的染料敏化太阳能电池的工作电极都采用吸附染料的纳米晶半导体，其主要优点是很大的比表面积可以极大提高染料的吸附量，使得光子与电子间的转化量显著提高，从而提高电池的效率。然而，纳米晶提高比表面积的同时，也带来负面作用。主要表现为，由于晶界等的散射作用及势垒，电子在其中输运能力下降，电子在纳米晶工作电极中的扩散距离很短(小于光的穿透深度)，从而有大量电子在未到达外电极前被复合湮灭，这极大限制了染料敏化太阳能电池效率的进一步提高。因此，需要新的结构设计及可行的制备方法解决这些问题。

发明内容

发明目的：为解决现有技术的问题和不足，本发明的目的是提供一种染料敏化太阳能电池工作电极，该工作电极通过在半导体纳米晶层中埋入导电微米线或纳米线提高电子的捕获、收集和传输效率，从而提高太阳能电池的效率等性能指标。本发明的另一目的是提供该工作电极的制备方法。

技术方案：本发明所述的染料敏化太阳能电池工作电极，包括导电基底、半导体纳米晶薄层I、导电微米线或纳米线和半导体纳米晶薄层II；其中导电微米线或纳米线平行于导电基底并埋入半导体纳米晶薄层I和半导体纳米晶薄层II之间，导电微米线或纳米线直径为30nm～10μm，其一端或两端附着在导电基底上，且相互之间距离为500nm～100μm。

所述半导体纳米晶薄层I的材料为TiO₂、ZnO、SnO、Zr氧化物、Sr氧化物、In氧化物、Ga氧化物、Al氧化物、Y氧化物、W氧化物、V氧化物、Mo氧化物、Sc氧化物、Sm氧化物、Mg氧化物、Nb氧化物、La氧化物中的任意一个或几个的组合。

所述半导体纳米晶薄层II的材料为TiO₂、ZnO、SnO、Zr氧化物、Sr氧化物、In氧化物、Ga氧化物、Al氧化物、Y氧化物、W氧化物、V氧化物、Mo氧化物、Sc氧化物、Sm氧化物、Mg氧化物、Nb氧化物、La氧化物中的任意一个或几个的组合。

所述半导体纳米晶薄层I和半导体纳米晶薄层II可以是同一种材料，也可以是不同材料。

所述导电微米线或纳米线的材料为金属、半导体或导电聚合物。

本发明所述的染料敏化太阳能电池工作电极的制备方法，包括以下步骤：

A、在导电基底表面涂覆一层厚度为500nm～50μm的半导体纳米晶薄层I；

B、在半导体纳米晶薄层表面通过光刻结合溅射、印刷、直写等方法或其任意组合制备导电微米线或纳米线；

C、在表面制备导电微米线或纳米线的半导体纳米晶薄层I表面制备厚度为500nm～50μm的半导体纳米晶薄层II。

所述步骤A和C中，涂覆的方式为丝网印刷、旋涂、刮涂、喷涂等涂膜方式中的任意一种或几种的组合。

所述步骤B中，制备导电微米线或纳米线的方法有光刻结合溅射、印刷、直写等方法中的任意一种或几种的组合。

本发明的原理是：对于染料敏化太阳能电池，半导体纳米晶的主要功能是负载染料及捕获和输运电子，但电子在半导体纳米晶中的传输距离短，大量电子并没有到达外电极。因此，本发明针对电子输运这一环节，基于如何在电子湮灭之前将电子导出，提高电子的输出效率和输出量的思想，提出了在染料敏化太阳能电池的工作电极中增加起捕获、收集和传输电子的导电微米线或纳米线。

有益效果：本发明与现有技术相比，可提高电子的收集与输运效率，提高染料敏化太阳能电池的短路电流与效率，突破电子扩散距离对工作电极厚度的限制，增大染料敏化太阳能电池单位面积的功率，可制备适合于强光的染料敏化太阳能电池；设计可行性高，便于实施。

附图说明