專利名稱：染料敏化太陽能電池工作電極及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及染料敏化太陽能電池領(lǐng)域，具體地說是染料敏化太陽能電池工作電極及其制備方法。
背景技術(shù)：
自從1991年瑞士科學(xué)家Gratzel等人發(fā)明低成本的染料敏化納米晶太陽能電池 (即Gratzel電池)以來，染料敏化太陽能電池得以快速發(fā)展。染料敏化太陽能電池的優(yōu)點在 于廉價的成本和簡單的工藝及穩(wěn)定的性能。其制作成本僅為硅太陽電池的1/5 1/10，并 且環(huán)保。然而，光電效率相對較低是其一大弱點，目前染料敏化太陽能電池仍然沒有達到商 業(yè)應(yīng)用的要求。染料敏化太陽能電池主要由工作電極、電解質(zhì)和對電極三部分組成。其工作原理 為染料分子吸收太陽光能躍遷到激發(fā)態(tài)，激發(fā)態(tài)不穩(wěn)定，電子快速注入到緊鄰的半導(dǎo)體的 導(dǎo)帶，染料中失去的電子很快從電解質(zhì)中得到補償，進入半導(dǎo)體導(dǎo)帶中的電于最終進入導(dǎo) 電膜，然后通過外回路產(chǎn)生光電流。在這些光電轉(zhuǎn)換、輸運環(huán)節(jié)中，電子的收集與輸運是決 定染料敏化太陽能電池效率的重要環(huán)節(jié)。目前效率最高的染料敏化太陽能電池的工作電極 都采用吸附染料的納米晶半導(dǎo)體，其主要優(yōu)點是很大的比表面積可以極大提高染料的吸附 量，使得光子與電子間的轉(zhuǎn)化量顯著提高，從而提高電池的效率。然而，納米晶提高比表面 積的同時，也帶來負面作用。主要表現(xiàn)為，由于晶界等的散射作用及勢壘，電子在其中輸運 能力下降，電子在納米晶工作電極中的擴散距離很短(小于光的穿透深度)，從而有大量電 子在未到達外電極前被復(fù)合湮滅，這極大限制了染料敏化太陽能電池效率的進一步提高。 因此，需要新的結(jié)構(gòu)設(shè)計及可行的制備方法解決這些問題。

發(fā)明內(nèi)容
發(fā)明目的為解決現(xiàn)有技術(shù)的問題和不足，本發(fā)明的目的是提供一種染料敏化太 陽能電池工作電極，該工作電極通過在半導(dǎo)體納米晶層中埋入導(dǎo)電微米線或納米線提高電 子的捕獲、收集和傳輸效率，從而提高太陽能電池的效率等性能指標。本發(fā)明的另一目的是 提供該工作電極的制備方法。技術(shù)方案本發(fā)明所述的染料敏化太陽能電池工作電極，包括導(dǎo)電基底、半導(dǎo)體 納米晶薄層I、導(dǎo)電微米線或納米線和半導(dǎo)體納米晶薄層II ；其中導(dǎo)電微米線或納米線平 行于導(dǎo)電基底并埋入半導(dǎo)體納米晶薄層I和半導(dǎo)體納米晶薄層II之間，導(dǎo)電微米線或納 米線直徑為30nm 10 μ m，其一端或兩端附著在導(dǎo)電基底上，且相互之間距離為500nm 100 μ m0所述半導(dǎo)體納米晶薄層I的材料為Ti02、ZnO, SnO, Zr氧化物、Sr氧化物、In氧化 物、Ga氧化物、Al氧化物、Y氧化物、W氧化物、V氧化物、Mo氧化物、Sc氧化物、Sm氧化物、 Mg氧化物、Nb氧化物、La氧化物中的任意一個或幾個的組合。所述半導(dǎo)體納米晶薄層II的材料為Ti02、ZnO, SnO, Zr氧化物、Sr氧化物、In氧化物、Ga氧化物、A1氧化物、Y氧化物、W氧化物、V氧化物、Mo氧化物、Sc氧化物、Sm氧化 物、Mg氧化物、Nb氧化物、La氧化物中的任意一個或幾個的組合。所述半導(dǎo)體納米晶薄層I和半導(dǎo)體納米晶薄層II可以是同一種材料，也可以是不 同材料。所述導(dǎo)電微米線或納米線的材料為金屬、半導(dǎo)體或?qū)щ娋酆衔?。本發(fā)明所述的染料敏化太陽能電池工作電極的制備方法，包括以下步驟A、在導(dǎo)電基底表面涂覆一層厚度為500nm 50i!m的半導(dǎo)體納米晶薄層I ；B、在半導(dǎo)體納米晶薄層表面通過光刻結(jié)合濺射、印刷、直寫等方法或其任意組合 制備導(dǎo)電微米線或納米線；C、在表面制備導(dǎo)電微米線或納米線的半導(dǎo)體納米晶薄層I表面制備厚度為 500nm 50 ii m的半導(dǎo)體納米晶薄層II。所述步驟A和C中，涂覆的方式為絲網(wǎng)印刷、旋涂、刮涂、噴涂等涂膜方式中的任意 一種或幾種的組合。所述步驟B中，制備導(dǎo)電微米線或納米線的方法有光刻結(jié)合濺射、印刷、直寫等方 法中的任意一種或幾種的組合。本發(fā)明的原理是對于染料敏化太陽能電池，半導(dǎo)體納米晶的主要功能是負載染 料及捕獲和輸運電子，但電子在半導(dǎo)體納米晶中的傳輸距離短，大量電子并沒有到達外電 極。因此，本發(fā)明針對電子輸運這一環(huán)節(jié)，基于如何在電子湮滅之前將電子導(dǎo)出，提高電子 的輸出效率和輸出量的思想，提出了在染料敏化太陽能電池的工作電極中增加起捕獲、收 集和傳輸電子的導(dǎo)電微米線或納米線。有益效果本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，可提高電子的收集與輸運效率，提高染料敏化 太陽能電池的短路電流與效率，突破電子擴散距離對工作電極厚度的限制，增大染料敏化 太陽能電池單位面積的功率，可制備適合于強光的染料敏化太陽能電池；設(shè)計可行性高，便 于實施。


附圖為本發(fā)明的一種染料敏化太陽能電池工作電極。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖和具體實施例，進一步闡明本發(fā)明，應(yīng)理解這些實施例僅用于說明 本發(fā)明而不用于限制本發(fā)明的范圍，在閱讀了本發(fā)明之后，本領(lǐng)域技術(shù)人員對本實用新型 的各種等價形式的修改均落于本申請所附權(quán)利要求所限定的范圍。實施例1 在IT0導(dǎo)電基底1上通過絲網(wǎng)印刷制備厚度20 iim的氧化鈦半導(dǎo)體納米 晶薄層12，然后旋涂一層光刻膠，烘焙、用周期40 y m、線寬1 y m的掩模板曝光，隨后刻蝕、 濺射IT0 ；除去光刻膠后即得在半導(dǎo)體納米晶薄層表面的IT0微米線3。然后再通過噴涂制 備厚度氧化物半導(dǎo)體納米晶薄層114，500°C煅燒后，浸吸染料后即得染料敏化 太陽能電池工作電極。實施例2 在不銹鋼導(dǎo)電基底1上通過刮涂制備厚度10 ii m的Ga氧化物半導(dǎo)體納 米晶薄層12，然后用旋涂加噴涂方式涂覆一層光刻膠，烘焙，用周期50 ym、線寬3 ym的掩模板曝光，隨后刻蝕、濺射金；除去光刻膠后即得在半導(dǎo)體納米晶薄層表面的金微米線3。 然后再通過絲網(wǎng)印刷加刮涂的方式制備厚度10 μ m的氧化鎂半導(dǎo)體納米晶薄層114，同上 煅燒冷卻后，浸吸染料后即得染料敏化太陽能電池工作電極。實施例3 在ITO導(dǎo)電基底上1通過磁控濺射制備厚度500nm的Y氧化物半導(dǎo)體納 米晶薄層12，然后旋涂一層PMMA，用電子束直寫寬度30nm、間距5 μ m,隨后刻蝕、濺射ITO ； 除去PMMA后即得在半導(dǎo)體納米晶薄層表面的ITO納米線3，然后再通過磁控濺射制備厚度 IOOnm的氧化鋅半導(dǎo)體納米晶薄層II4，450°C煅燒后，浸吸染料后即得染料敏化太陽能電 池工作電極。實施例4 在ITO導(dǎo)電基底1上通過刮涂制備厚度20 μ m的W氧化物和Mo氧化物 的混合半導(dǎo)體納米晶薄層12，然后旋涂一層光刻膠，烘焙、用周期60 μ m、線寬2 μ m的掩模 板曝光，隨后刻蝕、濺射ITO ；除去光刻膠后即得在半導(dǎo)體納米晶薄層表面的ITO微米線3。 然后再通過噴涂制備厚度20 μ m的氧化鈦、TiO2和SnO混合半導(dǎo)體納米晶薄層114，500°C 煅燒后，浸吸染料后即得染料敏化太陽能電池工作電極。實施例5 在ITO導(dǎo)電基底1上通過刮涂制備厚度30 μ m的In氧化物、Ga氧化物、 Al氧化物和Y氧化物混合半導(dǎo)體納米晶薄層12，然后采用絲網(wǎng)印刷技術(shù)在其表面涂覆周期 100 μ m、線寬10 μ m的導(dǎo)電銀漿，隨后刻蝕、濺射ITO ；除去光刻膠后即得在半導(dǎo)體納米晶薄 層表面的ITO納米線3，然后再通過絲網(wǎng)印刷制備厚度20 μ m的Sc氧化物、Sm氧化物、Mg 氧化物、Nb氧化物和La氧化物混合半導(dǎo)體納米晶薄層II4，450°C煅燒后，浸吸染料后即得 染料敏化太陽能電池工作電極。實施例6 在ITO導(dǎo)電基底1上通過刮涂制備厚度30 μ m的Ir氧化物、Sr氧化物 和In氧化物混合半導(dǎo)體納米晶薄層12，然后采用絲網(wǎng)印刷技術(shù)在其表面涂覆周期100 μ m、 線寬10 μ m的導(dǎo)電銀漿，隨后刻蝕、濺射ITO ；除去光刻膠后即得在半導(dǎo)體納米晶薄層表面 的ITO微米線3，然后再通過絲網(wǎng)印刷制備厚度20 μ m的Nb氧化物、La氧化物混合半導(dǎo)體 納米晶薄層II4，450°C煅燒后，浸吸染料后即得染料敏化太陽能電池工作電極。
權(quán)利要求
一種染料敏化太陽能電池工作電極，其特征在于包括導(dǎo)電基底(1)，在導(dǎo)電基底(1)上方設(shè)有半導(dǎo)體納米晶薄層I(2)，在半導(dǎo)體納米晶薄層I(2)上鋪有互相平行的導(dǎo)電微米線或納米線(3)，導(dǎo)電微米線或納米線(3)一端或兩端附著在導(dǎo)電基底(1)上，在導(dǎo)電微米線或納米線(3)的上方設(shè)有與半導(dǎo)體納米晶薄層I(2)平行的半導(dǎo)體納米晶薄層II(4)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的染料敏化太陽能電池工作電極，其特征在于所述半導(dǎo)體納 米晶薄層1(2)和半導(dǎo)體納米晶薄層11(4)的材料為Ti02、Zn0、Sn0、&氧化物、Sr氧化物、 In氧化物、Ga氧化物、A1氧化物、Y氧化物、W氧化物、V氧化物、Mo氧化物、Sc氧化物、Sm 氧化物、Mg氧化物、Nb氧化物、和La氧化物中的任意一個或幾個的組合。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的染料敏化太陽能電池工作電極，其特征在于所述半導(dǎo)體納 米晶薄層II (4)的材料為Ti02、ZnO、SnO、Zr氧化物、Sr氧化物、In氧化物、Ga氧化物、A1 氧化物、Y氧化物、W氧化物、V氧化物、Mo氧化物、Sc氧化物、Sm氧化物、Mg氧化物、Nb氧 化物、和La氧化物中的任意一個或幾個的組合。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的染料敏化太陽能電池工作電極，其特征在于所述導(dǎo)電微米 線或納米線(3)的材料為金屬、半導(dǎo)體或?qū)щ娋酆衔铩?br> 5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的染料敏化太陽能電池工作電極，其特征在于所述導(dǎo)電微米 線或納米線(3)直徑為30nm 10 y m，相互之間距離為500nm 100 u m。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的染料敏化太陽能電池工作電極的制備方法，其特征是該方法 包括以下步驟A、在導(dǎo)電基底表面涂覆一層厚度為500nm 50y m的半導(dǎo)體納米晶薄層I ；B、在半導(dǎo)體納米晶薄層I表面制備導(dǎo)電微米線或納米線；C、在表面制備導(dǎo)電微米線或納米線的半導(dǎo)體納米晶薄層I表面制備厚度為500nm 50 的半導(dǎo)體納米晶薄層n。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的染料敏化太陽能電池工作電極的制備方法，其特征在于所 述步驟A和C中，涂覆的方式為絲網(wǎng)印刷、旋涂、刮涂、噴涂涂膜方式中的任意一種或幾種的組合。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的染料敏化太陽能電池工作電極的制備方法，其特征在于所 述步驟B中，制備導(dǎo)電微米線或納米線的方法為光刻結(jié)合濺射、印刷、直寫方法中的任意一 種或幾種的組合。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種染料敏化太陽能電池工作電極，包括導(dǎo)電基底、半導(dǎo)體納米晶薄層I、導(dǎo)電微米線或納米線和半導(dǎo)體納米晶薄層II，其中在導(dǎo)電基底上方設(shè)有半導(dǎo)體納米晶薄層I，在半導(dǎo)體納米晶薄層I上鋪有互相平行的導(dǎo)電微米線或納米線，導(dǎo)電微米線或納米線一端或兩端附著在導(dǎo)電基底上，在導(dǎo)電微米線或納米線的上方設(shè)有與半導(dǎo)體納米晶薄層I平行的半導(dǎo)體納米晶薄層II。同時本發(fā)明還公開了制備上述產(chǎn)品的方法。本發(fā)明可提高電子的收集與輸運效率，提高染料敏化太陽能電池的短路電流與效率，突破電子擴散距離對工作電極厚度的限制，增大染料敏化太陽能電池單位面積的功率，可制備適合于強光的染料敏化太陽能電池，設(shè)計可行性高，便于實施。
文檔編號H01M14/00GK101872681SQ20101010782
公開日2010年10月27日 申請日期2010年2月9日 優(yōu)先權(quán)日2010年2月9日
發(fā)明者盧明輝, 祝名偉, 葛海雄, 袁長勝, 陳延峰 申請人:南京大學(xué)