[发明专利]用于染料敏化太阳能电池的复合结构光阳极及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于绿色可再生能源技术领域，特别涉及一种用于染料敏化太阳能电池的复合结构光阳极及其制备方法。

背景技术

在环境污染与能源危机日益严重的今天，太阳能光伏技术无疑成为解决这些危机的有效手段之一。其中，染料敏化太阳能电池(Dye Sensitized Solar Cells，DSCs)作为一种新型的光电化学太阳能电池，以其高效廉价等优越性倍受各国科学家的青睐。

通常，DSCs由透明导电基板、半导体多孔纳米晶薄膜、电解质溶液以及铂对电极三部分构成。其中，半导体光阳极由一层三维连接的多孔TiO₂纳米颗粒组成，其粒径约在10-30nm，厚度约为10-15μm。但纳米颗粒中大量存在的晶界在一定程度上限制了注入电子在多晶薄膜内部的扩散传输，从而增加了注入电子的复合几率。近年来，伴随着纳米材料制备技术的丰富与发展，一维单晶纳米材料(如纳米线、纳米棒、纳米管等)在加快电荷传输速率、提高电荷收集效率、减少电荷复合等方面表现出了明显的优势。与此同时，加强入射光在光阳极内部的有效吸收，也是提高染料敏化太阳能电池光电流的有效途径。

发明内容

针对已有技术的不足，本发明提供了一种用于染料敏化太阳能电池的单晶复合光波调制光电极，其具有比表面积大，电荷传输速率快等优点，并且对入射光表现出明显的散射性能，有利于进一步提高染料敏化太阳能电池的光吸收进而提高其光电转换效率。

本发明的另一目的在于提供该复合结构光阳极的制备方法。

本发明提供了一种用于染料敏化太阳能电池的复合结构光阳极，该复合结构光阳极是由多晶纳米颗粒材料和低维单晶纳米材料组成的半导体纳米晶薄膜。

其中，多晶纳米颗粒材料，保证电极较高的比表面积；低维单晶纳米材料，如纳米棒、纳米纤维、纳米片等，旨在为电极提供快速的电荷传输与收集通道，同时加强入射光在电极内的传播光程，提高光吸收效率。该复合结构光阳极由至少两种形态的纳米材料组成。

所述多晶纳米颗粒材料为多晶半导体金属氧化物纳米颗粒，可为氧化钛、氧化锌、氧化锡中的至少一种物质，其粒径在10～50nm之间，优值为10～20nm。

所述低维单晶纳米材料为低维单晶半导体金属氧化物纳米材料，可为氧化钛、氧化锌、氧化锡中的至少一种物质，其粒径控制在10～500nm之间；其显微形貌可以为纳米棒、纳米纤维、纳米片等；其质量分数约占2％～30％，优值为5～10％。

本发明涉及的一种用于染料敏化太阳能电池的复合结构光阳极的制备方法包括：

(1)将多晶半导体金属氧化物纳米颗粒和低维单晶半导体金属氧化物纳米材料溶于合适的有机溶剂中，并通过有机高分子添加剂调节其混合物的粘度；

(2)采用刮涂法、喷涂法、丝网印刷法、甩胶法或提拉法等方法将上述混合物制备于导电基底上；

(3)采用热处理、红外处理、等离子处理或微波处理等方法除去电极中的有机高分子成分，即得到所需的复合结构光阳极。

多晶半导体金属氧化物纳米颗粒和低维单晶半导体金属氧化物纳米材料可分别采用水热结晶法、溶剂热结晶法等方法制备；或采用一步法直接制备多晶半导体金属氧化物纳米颗粒和低维单晶半导体金属氧化物纳米材料的混合物。

导电基底可为氟掺杂氧化锡导电玻璃(FTO)、铟掺杂氧化锡导电玻璃(ITO)、掺铝氧化锌导电玻璃(AZO)、铟掺杂氧化锡聚萘二甲酸乙二醇酯导电塑料薄膜(ITOPEN)、铟掺杂氧化锡聚聚对苯二甲酸乙二醇酯导电塑料薄膜(ITOPET)或者各种金属衬底等。

本发明提出了一种基于单晶低维纳米材料与传统多晶纳米颗粒复合的异质光阳极结构，拟在保证光阳极材料足够的比表面积同时，一方面通过单晶低维纳米材料的引入，进一步提高电荷传输与收集速率，减少电荷复合带来的能量损失，另一方面通过复合结构之间粒径调控来加强入射光在光阳极内部的有效利用，从而提高电池器件的输出电流与功率。

本发明的光波调制复合结构光阳极与传统多晶纳米颗粒光阳极相比，有着显著提高的电荷传输速率及电荷寿命，从而明显降低光生载流子在电极内的复合，提高电荷的收集效率。与此同时，本发明提供的复合结构光阳极在光波调制方面亦具有明显的优势，在500～800纳米波长之间，电极的光散射能力大大提高。使用本发明的复合结构光阳极组装的电池的光电转换效率高于常规的多晶纳米颗粒电极组装的电池的光电转换效率。