[发明专利]制造光伏电极的方法

说明书

技术领域

本发明涉及光伏电极的制造，特别是涉及染料敏化型太阳能电池的制造。

背景技术

染料敏化型太阳能电池(DSSC)作为基于硅的太阳能电池的相对低成本的替代品显示出相当大的潜力。这些电池由Grtzel及合作者们在1991年开发[B.O'Regan,M.Grtzel,Nature,353(1991)737-740]，并且目前有相当的工作集中在提高其光转换效率和稳定性。

DSSC电极的主要部件是导电基板(通常为涂布在玻璃上的透明导电氧化物)、半导体材料的高多孔性层和吸收进入并涂布多孔半导体的光敏染料。

在常规DSSC的情况下，染料敏化只涉及由n-型TiO₂纳米颗粒制成的半导体阳极。反电极通常是没有光电化学活性的金属阴极。到目前为止，所获得的为11％的最高转换效率[M.K.Nazeeruddin,F.De Angelis,S.Fantacci,A.Selloni,G.Viscardi,P.Liska,S.Ito,B.Takeru,M.Gratzel,Journal of the American Chemical Society,127(2005)16835-16847]低于最好的基于硅的薄膜电池。

He等人所建议的一种进一步提高光转换效率的方法[J.He,H.Lindstrm,A.Hagfeldt,S.-E.Lindquist,Solar Energy Materials and Solar Cells,62(2000)265-273]是用染料敏化的光敏p-型金属氧化物替代阴极。此串联的染料敏化型太阳能电池设计利用了更多的太阳光谱。然而p-型金属氧化物的效率仍然非常低，这限制了它们在串联DSSC中的有效性。在彰显串联DSSC内的阴极的低转换效率的可能原因当中，较关键的是低效的光吸收能力、较差的电荷注入效率和电荷传输速率，以及内阻。

最广泛使用的n-型电极材料是纳米结构的二氧化钛。对于p-型电极，可能最有前途的技术采用氧化镍(NiOx)涂层，其在串联电池中用作阴极具有相当大的潜力。这是因为它们的性质为p-型，化学稳定性优异，加之有确定的光学和电学性能。此外，NiOx被认为是模型半导体基板，因为其具有从3.6至4.0eV的宽带隙能量范围，这取决于Ni(III)位点的量。

已通过各种技术制作NiOx膜，包括旋涂、浸渍、电化学沉积、磁控溅射和溶胶-凝胶法。除了溅射和电化学技术之外，其它方法都需要烧结步骤以便获得致密的涂层。在溶胶凝胶沉积的涂层的情况下，热烧结还起到移除粘结剂的功能。通常报告的烧结条件为300-450°C达30至60分钟。

热烧结的缺点在于处理的时间。当算上加热和冷却时间的时候，处理基板可能要花费大约4个小时。

常规热烧结进一步的缺点包括根据此方法制备的光阴极的光伏性能以及这种光阴极可能相关的物理缺点，如基板与纳米颗粒NiOx层之间的附着力、烧结后的平均粒度、孔特性以及染料吸收。

本发明的目的是要解决这些缺点中的至少一些缺点，并提供制造光伏电极的改进方法。

发明内容

本发明提供了制造光伏电极的方法，包括步骤：

(a)在基板上沉积分散体，所述分散体在分散介质中包含粉状半导体颗粒；

(b)移除分散介质的大部分以在基板上的沉积层中留下粉状半导体颗粒；

(c)利用微波能激发产生等离子体；

(d)使沉积层暴露于所述微波激发的等离子体足够的时间以烧结纳米颗粒，从而使它们附着于基板；以及

(e)吸收染料到所述烧结的沉积层里。

已经发现，当与热烧结相比时，采用此方法得到了显著更好的电极。已发现纳米颗粒层的物理特性、其与基板的附着力和电连接以及染料吸收的程度有改进。特别是，发现通过此方法制备的电极的表面显示出高孔隙度，但没有牺牲所得涂层的机械稳定性。这种表面形态确保吸附染料的单层有较高的光吸收，同时保持颗粒材料与染料分子之间有紧密接触。这转而降低了内阻，并因此提高了电荷注入效率。

据推测，本发明的优点可归因于若干因素，包括加热的快速性以及加热的体相均匀性(bulk homogeneity)，这是由于材料与通过等离子体耦合的“冷”微波相互作用，而不是常规炉中的辐射热。这避免了外表面“热炼”(cooking)，即，可阻碍染料吸收的受热影响的外区，并且相对于常规的烧结电极，其增加了烧结颗粒与下面的基板之间的附着力。下面将给出详细结果。