[发明专利]半导体纳米颗粒/纳米纤维复合电极

说明书

发明领域

本发明涉及包括宽禁带(wide bandgap)半导体纳米颗粒和宽禁带半导体纳米纤维的复合(composite)电极材料，以及涉及并入有复合电极材料的染料敏化太阳能电池。

发明背景

光伏(PV)太阳能电池目前满足了小于0.1%的世界能源需求，而预期在未来的20年以年增长率30%的速度也仅可以满足约2%的世界能源需求。其贡献的限制因素是由于硅(Si)太阳能电池的高成本($2~$4/瓦特)导致的，而硅太阳能电池的高成本是由于需要高纯度的硅和高温制造过程造成的。几乎90%的现有PV市场是基于硅电池的。但不幸的是，经过了超过50年的发展，已经不太可能在Si PV方面出现进一步的突破。

染料敏化太阳能电池(DSSC)是传统硅太阳能电池的替代品。一个传统的DSSC由多孔TiO₂纳米颗粒光电极、铂对电极以及将它们分开的碘化物-三碘化物液体电解质构成。纳米多孔TiO₂被染料敏化，染料用作光吸收剂。在光致激发之后，染料分子向TiO₂注入电子。然后电子沿着TiO₂层扩散至电极并且通过外部电路到达对电极。随后染料分子从电解质中回收失去的电子。

在O’Regan和Gratzel于1991年利用并入了经钌配合物染料敏化的纳米晶体TiO₂纳米颗粒膜的电池之后(参见O'Regan,B.;Gratzel,M.,A Low-Cost,High-Efficiency Solar-Cell Based on Dye-Sensitized Colloidal TiO₂ Films.Nature 1991,353,737-740.)，DSSC受到了广泛的关注。但不幸的是，基于纳米晶体TiO₂纳米颗粒的DSSC的效率受到电子传输速率以及在纳米晶体TiO₂膜中光捕获的低效率的限制。

发明内容

本发明的一个方面提供组合物，其包括包含大量半导体纳米颗粒的基质和分散在纳米颗粒基质中的大量半导体纳米纤维材料。该组合物可以进一步包括附着在至少一些纳米颗粒和纳米纤维上的光吸收材料。在该组合物的一些实施方式中，组合物中的纳米纤维的平均长度为至少500nm以及在组合物中的纳米纤维的平均直径为至少200nm。

本发明的另外的方面提供染料敏化太阳能电池，其包括第一电极，第一电极包括复合电极材料，复合电极材料包括：包含大量半导体纳米颗粒的基质，分散在纳米颗粒基质中的大量半导体纳米纤维，以及附着在至少一些半导体纳米颗粒和半导体纳米纤维上的光吸收材料。该太阳能电池还包括第二电极，以及分开第一电极和第二电极的电解质层。

本发明的再另外的方面提供制备复合电极材料的方法，该方法包括在包含半导体纳米颗粒的糊料(paste)中分散大量半导体纳米纤维以提供复合糊料，烧结所述复合糊料以提供复合膜，以及利用光吸收材料敏化复合膜。所期望地，这些方法中的半导体纳米纤维是由静电纺丝(electrospinning)制备的。

附图说明

图1示出(a)由TiO₂纳米颗粒制备的电极材料的扫描电子显微镜(SEM)图像，以及(b)由TiO₂纳米纤维/纳米颗粒复合物制备的相应的电极材料的扫描电子显微镜(SEM)图像。

图2示出光散射强度和纳米纤维直径：200nm(最短的一组箭头)，250nm(中间长度的一组箭头)，以及300nm(最长的一组箭头)之间的计算关系。箭头的长度表示散射光的强度。入射光从左侧穿透并被散射到右侧。通过格子中心的小黑圈来表示从直径100的纳米纤维的散射。

图3是根据本发明的DSSC的示意图。

图4示出(a)无序的以及(b)有序的TiO₂纳米纤维的SEM图。

图5示出静电纺丝TiO₂纳米纤维的X-射线衍射图像。

图6(a)示出静电纺丝TiO₂米纤维的高分辨透射电子显微镜(HRTEM)图像；(b)示出静电纺丝TiO₂纳米纤维的典型样品的SEM图像；以及(c)示出显示纳米纤维包括具有~10nm大小的锐钛矿相TiO₂晶体的TEM图像和相应的电子衍射图样(插入型)。