[发明专利]一种敏化太阳能电池用聚合物电解质的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及敏化太阳能电池，特指一种具有有序多孔结构的敏化太阳能电池用聚合物电解质的制备方法。

背景技术

1991年，O’Regan和Grätzel报道了首例染料敏化太阳能电池，其能量转换效率为7%；至今，基于不同电解质和敏化剂的敏化太阳能电池效率已经突破11%，但其实用化仍依赖以下两个方面的突破：更高的能量转换效率（~15%）和更好的稳定性；短路光电流（J_sc）是影响染料敏化太阳能电池效率的重要因素之一，它主要由敏化剂（染料）所捕获光能的数量和电子在光阳极半导体中的输运决定；针对提高短路光电流的研究一般集中在新的染料的设计开发方面，因为被广泛使用的N719染料在600–750 nm波长范围内的光吸收较弱，而AM 1.5的太阳光中有超过60%的能量处于600 nm波长以上的范围内；目前，无论是使用液态或固态电解质，能量转换效率领先的染料敏化太阳能电池均采用了新型染料，包括原有敏化剂的改进和给–受体取代的卟啉敏化剂（Donor–Acceptor Substituted Porphyrin）等；然而，单纯依赖新型染料目前仍不能完全解决染料敏化太阳能电池在近红外区域光捕获效率低的问题；为此，具有各种光学效应的微纳结构被引入到光阳极之中，来提高电池对低能量光子的吸收，例如，采用新型多吡啶钌敏化剂的电池虽然在550 nm波长附近达到了最大量子效率（~85%），但在红光和近红外区域量子效率下降很快，需要借助光阳极的TiO₂光散射层来增强电池在红光和近红外区域的光捕获效率；此外，引入光阳极光子晶体结构是提高电池光捕获效率的另一途径，通过在具有高表面积的介孔TiO₂层上形成一层三维TiO₂反蛋白石光子晶体结构，可以对从光阳极入射的特定波长范围内的光进行反射，从而提高电池的量子效率（从~25%到45%）和能量转换效率（从6.5%到8.3%）；尽管上述光阳极上的光散射和反射层可以增强电池的光捕获能力，但也带来了一些问题：首先，使光阳极无机半导体（如TiO₂）层增厚，不利于电解质的渗透，特别是使用准固态或固态电解质，使电解质与光阳极的接触不良，其次，延长了电子输运至电极的路径，并引入多重颗粒界面，从而影响电池的电荷输运与复合，对开路光电压、短路光电流及能量转换效率造成不良影响。

本发明针对光阳极上半导体光散射和反射层存在的问题，提出在聚合物电解质中形成有序多孔结构，即一种光子禁带结构，从而利用电解质来实现对特定波长范围内光的反射，提高敏化太阳能电池的性能，该方法未见专利或非专利文献报导。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术存在的缺陷与不足，开发一种新型的聚合物电解质，并将其用于敏化太阳能电池（如图1所示）。

本发明提出的聚合物电解质及其相关的敏化太阳能电池的制备方法包括以下步骤：

1）有序多孔聚合物薄膜的制备：首先利用单分散微球在基板上制备光子晶体薄膜：接着将聚合物前驱体溶液灌入上述薄膜的孔隙中，进行聚合或等待溶剂挥发；然后将聚合物中的微球去除，并将薄膜从基板上分离（如图2所示）。

2）聚合物电解质的制备：将步骤1）中制备的薄膜在电解液中浸泡，使其充分吸附电解液后即制成聚合物电解质。

3）制备光阳极：在清洁的导电玻璃上制备具有一定厚度的无机半导体层。

光阳极的制备方法为常规技术手段，这里不再详述，具体见实施例！

4）光阳极的敏化：制备的光阳极采用染料、量子点或金属敏化。

光阳极的敏化为为常规技术手段，这里不再详述，具体见实施例！

5）制备对电极：将H₂PtCl₆•3H₂O的异丙醇溶液涂覆到透明导电玻璃上，待溶剂挥发后放入马弗炉中450 ˚C煅烧30 min。

6） 电池的组装：将步骤4）制备的敏化光阳极、步骤2）制备的聚合物电解质和步骤5）制备的对电极像三明治一样组合起来，其中光阳极和对电极之间用一定厚度的沙林膜进行隔离，并使用电络铁加热进行行粘合（如图3所示）；沙林膜中间开孔，覆盖在TiO2周围，因此仅对边缘起到密封作用，而电池的中间有效部位不含沙林膜。