[发明专利]一种染料敏化太阳能电池高效复合光阳极的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及新能源的开发与利用研究领域，具体涉及一种染料敏化太阳能电池高效复合光阳极的制备方法。

背景技术

光阳极做为染料敏化太阳能电池(Dye-sensitized solar cell，简称DSSC)的核心部件，对电池性能的提高起着决定性的作用。若提高DSSC的光电转换效率，光阳极必须满足两个条件：一、产生大量的光生电子；二、光生电子由激发染料通过光阳极快速传输到外电路。TiO₂纳米晶多孔膜和一维ZnO纳米线阵列是目前研究最广泛的两种阳电极结构。TiO₂纳米晶多孔膜为光阳极提供了大的比表面积，有利于更多染料的吸附，但是其中存在大量晶界，使得电子扩散系数小，复合率高，制约了DSSC光电转换效率的进一步提高；而一维ZnO纳米线阵列虽能提供直线传输的路径，提高电子的扩散长度，减少电子复合，增加电子寿命，但其对染料的吸附量有限，使得此类电池的光电转换效率也不理想。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足，提供一种染料敏化太阳能电池高效复合光阳极的制备方法，该复合光阳极不仅提高了光敏染料吸附量和光捕获效率，保障了光生电子的产生率，而且提高了光生电子的输运能力，减少电子的复合过程，从而提高染料敏化太阳能电池的光电转化效率。

本发明提供的染料敏化太阳能电池高效复合光阳极的制备方法，其特征在于：利用磁控溅射技术首先在透明基片上沉积掺In的ZnO薄膜；然后采用水热化学反应法在掺In的ZnO薄膜上生长ZnO纳米线阵列；最后通过丝网印刷技术在ZnO纳米线阵列的表面涂布一层TiO₂纳米颗粒的分散溶液，加热使分散溶液中的有机溶剂挥发，得到孔状TiO₂纳米晶多孔膜/ZnO纳米线阵列复合薄膜，将TiO₂纳米晶多孔膜/ZnO纳米线阵列复合薄膜在染料溶液中浸泡，取出后洗去表面残留的染料溶液，晾干，得到染料敏化TiO₂纳米晶多孔膜/ZnO纳米线阵列复合薄膜光阳极。

本发明在透明基片上沉积掺In的ZnO薄膜是采用磁控溅射的方法，掺In的ZnO薄膜的厚度为100-300nm。

本发明ZnO纳米线阵列直接在掺In的ZnO薄膜上外延生长，不需要在掺In的ZnO薄膜上沉积晶种层。

本发明TiO₂纳米晶多孔膜由直径约10纳米和直径约200纳米两种颗粒组成，10纳米颗粒与200纳米颗粒的体积比为90∶10-95∶5；在ZnO纳米线阵列的表面印刷TiO₂浆料后，将复合薄膜在500℃烧结30分钟，温度降至80℃时取出，立即放入0.3mM/L的钌配合物N719染料无水乙醇中浸泡24小时；取出后用无水乙醇洗去表面残留的染料，吹干，得到染料敏化复合光阳极。

本发明优化了ZnO纳米线阵列的生长条件和TiO₂纳米晶多孔膜的微结构，即在透明基片上直接沉积掺In的ZnO薄膜，不需要在导电薄膜上再沉积晶种层，直接在此掺In的ZnO薄膜上外延生长ZnO纳米线阵列，加快电子的传输与收集；在TiO₂浆料中，除了传统的10纳米的颗粒，还引入了直径约200纳米的颗粒，大尺寸的纳米颗粒可以对入射的太阳光起到散射和漫反射的作用，提高太阳光的利用率并增加染料被激发的机会。此外，本发明将ZnO纳米线阵列和TiO₂纳米晶多孔膜的优点结合起来形成复合光阳极，可以大幅度的提高电池的光电转换效率。

本发明的有益效果在于：

本发明优化了ZnO纳米线阵列的生长条件，取代在F掺杂的SnO₂导电基片上沉积ZnO晶种层再生长ZnO纳米线阵列，直接在透明基片上沉积掺In的ZnO薄膜，此薄膜既可作为导电层，同时也可作为晶种层，减少了电子传输的阻碍并简化了工艺步骤。

本发明优化了TiO₂纳米晶多孔膜的微结构，改变传统的由单一纳米颗粒组成的多孔膜，在多孔膜中引入大尺寸的TiO₂纳米颗粒作为散射中心，提高电池的光捕获效率。

本发明将TiO₂纳米晶多孔膜和ZnO纳米线阵列复合电极结构作为DSSC的光阳极，在保证电极能够充分吸附染料、具有较高的光捕获效率的同时提高了光生电子的输运能力，减少了光生电子的复合率，从而提高了染料敏化太阳能电池的光电转化效率。

附图说明