專利名稱：染料敏化太陽電池用有上轉換功能的納米多孔半導體薄膜的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種太陽電池用材料。特別是涉及一種可以有利于增強染料分子吸收更寬 譜域的太陽光，進一步提高電池的光電轉換效率的染料敏化太陽電池用有上轉換功能的納 米多孔半導體薄膜。
背景技術：
光伏發電是國際公認的解決能源短缺與環境污染問題的有效途徑之一。為使光伏發電 能夠成為未來能源的重要組成部分，其關鍵是要將光伏發電成本降到與常規能源相當。因 此，低成本、高效率太陽電池的研究則非常重要。
染料敏化納米太陽電池是最近20年基于納米技術發展起來的一種新型太陽電池門 類，這種電池成本低，制備工藝簡單，雖然其轉化效率和穩定性在現階段還有待提高，但 是該電池仍被認為是有應用前景的一類太陽電池，特別是對于光伏產業發展比較晚的國家 來說，對這種新型電池進行開發研究，顯得尤為重要。
染料敏化納米太陽電池主要由納米多孔半導體薄膜(如Ti02納米薄膜)、染料敏化劑、 氧化還原電解質、對電極和導電基底等幾部分組成。其工作原理可概括為染料分子吸收 太陽光后從基態躍遷到激發態；激發態的電子迅速注入到納米半導體的導帶中；隨后擴散 至導電基底；經外回路轉移至對電極。處于氧化態的染料被還原態的電解質還原再生；氧 化態的電解質在對電極接受電子被還原，從而完成了電子輸運的一個循環過程。
目前現有的染料敏化納米太陽電池，其對太陽光譜的吸收僅限于可見光部分很窄的一 個區域，很大一部分近紅外太陽光不能很好的被利用，也就是說，就目前現有的染料敏化 納米太陽電池太陽電池，其太陽光的利用率僅能達到約50%左右，近一半的太陽光被浪費。 在染料敏化納米薄膜太陽電池中，納米多孔半導體薄膜主要起到的作用是光陽極作 用，染料要進入到納米多孔半導體薄膜中。常規的納米多孔半導體薄膜有Ti02或ZnO納米 薄膜。
發明內容
本發明所要解決的技術問題是，提供一種能夠將紅外光上轉換為染料敏化納米材料易 于吸收的可見光，可以有利于增強染料分子吸收更寬譜域的太陽光，進一步提高電池光電 轉換效率的染料敏化太陽電池用有上轉換功能的納米多孔半導體薄膜。
本發明所采用的技術方案是 一種染料敏化太陽電池用有上轉換功能的納米多孔半導 體薄膜，所述的納米多孔半導體薄膜，是由染料敏化納米太陽電池用的常規納米多孔半導 體薄膜和具有上轉換功能的上轉換材料的組合，或是采用化學的或物理的方法直接合成具 有上轉換功能的納米多孔半導體薄膜。
所述的常規納米多孔半導體薄膜和上轉換材料的組合，是通過機械攪拌或超聲混合的
方式組合成納米多孔半導體薄膜。
所述的常規納米多孔半導體薄膜和上轉換材料的組合，是直接將稀土離子摻入到常規
的納米多孔半導體薄膜中，形成具有上轉換功能的納米多孔半導體薄膜。
所述的上轉換材料和常規納米多孔半導體薄膜之間的比例為0. 01-1之間。 所述的染料敏化納米太陽電池用的常規納米多孔半導體薄膜的材料為二氧化鈦或氧化鋅。
所述的上轉換材料是可實現將近紅外光譜轉換為可見光的氧化物、或卣化物、或硫化物。
所述的上轉換材料可以是納米材料也可以是微米晶材料或薄膜材料。 所述的上轉換材料的獲得是采用化學合成或物理合成的方法獲得。
本發明的染料敏化太陽電池用有上轉換功能的納米多孔半導體薄膜，在不破壞原電池 結構的基礎上，并針對太陽光譜的充分利用，在現有薄膜太陽電池已經利用了一定范圍的 太陽光譜基礎上，通過混合的方法將常規染料敏化納米薄膜太陽電池用的納米多孔半導體 薄膜和具有上轉換功能的上轉換材料混合，組成具有上轉換功能的納米多孔半導體薄膜；
或者直接通過化學或物理方法直接將具有上轉換能力的稀土離子直接加入到常規染料敏 化納米太陽電池用納米多孔半導體薄膜中。它可將紅外光上轉換為染料敏化納米材料易于 吸收的可見光，可以有利于增強染料分子吸收更寬譜域的太陽光，這樣將進一步提高電池 的光電轉換效率。
具體實施例方式
下面結合實施例對本發明的染料敏化太陽電池用有上轉換功能的納米多孔半導體薄 膜做出詳細說明。
本發明的染料敏化太陽電池用有上轉換功能的納米多孔半導體薄膜，是由染料敏化納 米太陽電池用的常規納米多孔半導體薄膜和具有上轉換功能的上轉換材料的組合；或是采 用化學的或物理的方法直接合成具有上轉換功能的納米多孔半導體薄膜。
所述的常規納米多孔半導體薄膜和上轉換材料的組合，是通過機械攪拌或超聲等混合 的方式組合成納米多孔半導體薄膜。所述的上轉換材料和常規納米多孔半導體薄膜之間的 比例為0.01-1之間。其中，染料敏化納米太陽電池用的常規納米多孔半導體薄膜的材料 為二氧化鈦(Ti02)或氧化鋅(Zn0);所述的上轉換材料是可實現將近紅外光譜轉換為 可見光的氧化物、或鹵化物、或硫化物，可以是納米材料也可以是微米晶材料或薄膜材料。 所述的上轉換材料的獲得是采用化學合成或物理合成的方法獲得。
所述的常規納米多孔半導體薄膜和上轉換材料的組合，還可以采用化學的或物理的方
法直接將稀土離子摻入到常規的納米多孔半導體薄膜中，形成具有上轉換功能的納米多孔 半導體薄膜。
本發明的染料敏化太陽電池用有上轉換功能的納米多孔半導體薄膜的制作過程 首先分別制作常規的納米多孔半導體薄膜和上轉換材料。其中，常規的納米多孔半導
體薄膜是采用常規的制作方式獲得；上轉換材料，可以采用商業用粉末上轉換材料(比如 NaYF4或CaS等)，或采用化學和物理等方法自制可將不同波段的紅外光轉換為可見光的 寬譜域上轉換材料。
然后，將常規的納米多孔半導體薄膜和上轉換材料(兩者之間的比例為0.01-l之間) 通過機械攪拌(攪拌時間0.5-30分鐘)混合成新型納米多孔半導體粉體，再經絲網印刷 法獲得薄膜。
實例1:
首先采用常規的制作方式以二氧化鈦(Ti02)為材料獲得常規的納米多孔半導體薄膜。 NaYF4: Er/Yb上轉換材料的制備，將YC13 6H20和NaCl分別加去離子水溶解，配置 成0. 2mol/L的YCls和NaCl溶液。分別將YbA和ErA溶于鹽酸，配置成0. 2mol/L的YbCl3 和ErCl3溶液。將上述儲備液按實驗需要以一定比例混合(n(Na): [n(Y)+n(Yb)+n(Er)] =1:1)后倒入100ml反應釜中。比如取20ml的NaCl， 16ml的YC13, 3. 6ml的YbCl3 0. 4mlErCl3, 20ml的酒精以及18ml的乙二胺四乙酸二鈉，再稱取0. 59264g的NH4F倒入反 應釜中攪拌，并封閉反應釜。放入高溫試驗箱中20(TC反應24小時后取出。所得沉淀經 反復離心過濾、超聲清洗后，放入干燥箱中10(TC以下溫度真空干燥，得白色粉末即為上 轉換材料。
然后，將常規的納米多孔半導體薄膜和上轉換材料(兩者之間的比例為5: 95)通過 機械攪拌(攪拌時間20分鐘)混合成新型納米多孔半導體粉體，再經絲網印刷法獲得薄 膜。
實例2:
首先采用常規的制作方式以氧化鋅(ZnO)為材料獲得常規的納米多孔半導體薄膜。 NaYF4: Er/Tm上轉換材料的制備，將YC13 6H20和NaCl分別加適量去離子水溶解， 配置成0. 2mol/L的YCl3和NaCl溶液。分別將Tm20jn ￡]:203溶于鹽酸配置成0. 2mol/L的 TmCl3和ErCl3溶液。將上述儲備液按實驗需要以一定比例混合(n(Na): [n(Y)+n(Tm)+n(Er)] =1:1)后倒入100ml反應釜中。比如取20ral的NaCl, 16ml的YC13， 3. 6ml的YbCl3 0. 4mlTmCl3， 20ml的酒精以及18ml的乙二胺四乙酸二鈉，再稱取0. 59264g的NH4F倒入反 應釜中攪拌，并封閉反應釜。放入高溫試驗箱中20CTC反應24小時后取出。所得沉淀經 反復離心過濾、超聲清洗后，放入干燥箱中10(TC以下溫度真空干燥，得白色粉末即為上 轉換材料。
然后，將常規的納米多孔半導體薄膜和上轉換材料(兩者之間的比例為3: 97)通過 機械攪拌(攪拌時間15分鐘)混合成新型納米多孔半導體粉體，再經絲網印刷法獲得薄 膜。
以上所述，僅為本發明較佳的具體實施方式
，但本發明的保護范圍并不局限于 此，任何熟悉本技術領域的技術人員在本發明揭露的技術范圍內，可輕易想到的變 化或替換，都應涵蓋在本發明的保護范圍之內。因此，本發明的保護范圍應該以權 利要求的保護范圍為準。
權利要求
1.一種染料敏化太陽電池用有上轉換功能的納米多孔半導體薄膜，其特征在于，所述的納米多孔半導體薄膜，是由染料敏化納米太陽電池用的常規納米多孔半導體薄膜和具有上轉換功能的上轉換材料的組合，或是采用化學的或物理的方法直接合成具有上轉換功能的納米多孔半導體薄膜。
2. 根據權利要求1所述的染料敏化太陽電池用有上轉換功能的納米多孔半導體薄膜， 其特征在于，所述的常規納米多孔半導體薄膜和上轉換材料的組合，是通過機械攪拌或超 聲混合的方式組合成納米多孔半導體薄膜。
3. 根據權利要求1所述的染料敏化太陽電池用有上轉換功能的納米多孔半導體薄膜， 其特征在于，所述的常規納米多孔半導體薄膜和上轉換材料的組合，是直接將稀土離子摻 入到常規的納米多孔半導體薄膜中，形成具有上轉換功能的納米多孔半導體薄膜。
4. 根據權利要求1所述的染料敏化太陽電池用有上轉換功能的納米多孔半導體薄膜， 其特征在于，所述的上轉換材料和常規納米多孔半導體薄膜之間的比例為0. 01-1之間。
5. 根據權利要求1所述的染料敏化太陽電池用有上轉換功能的納米多孔半導體薄膜， 其特征在于，所述的染料敏化納米太陽電池用的常規納米多孔半導體薄膜的材料為二氧化 鈦或氧化鋅。
6. 根據權利要求1所述的染料敏化太陽電池用有上轉換功能的納米多孔半導體薄膜， 其特征在于，所述的上轉換材料是可實現將近紅外光譜轉換為可見光的氧化物、或鹵化物、 或硫化物。
7. 根據權利要求1所述的染料敏化太陽電池用有上轉換功能的納米多孔半導體薄膜， 其特征在于，所述的上轉換材料可以是納米材料也可以是微米晶材料或薄膜材料。
8. 根據權利要求1所述的染料敏化太陽電池用有上轉換功能的納米多孔半導體薄膜， 其特征在于，所述的上轉換材料的獲得是采用化學合成或物理合成的方法獲得。
全文摘要
本發明公開一種染料敏化太陽電池用有上轉換功能的納米多孔半導體薄膜，納米多孔半導體薄膜，是由染料敏化納米太陽電池用的常規納米多孔半導體薄膜和具有上轉換功能的上轉換材料的組合，或是采用化學的或物理的方法直接合成具有上轉換功能的納米多孔半導體薄膜。常規納米多孔半導體薄膜和上轉換材料的組合，是通過機械攪拌或超聲混合的方式組合成納米多孔半導體薄膜，或是直接將稀土離子摻入到常規的納米多孔半導體薄膜中，形成具有上轉換功能的納米多孔半導體薄膜。上轉換材料和常規納米多孔半導體薄膜之間的比例為0.01-1之間。本發明它可將紅外光上轉換為染料敏化納米材料易于吸收的可見光，可以有利于增強染料分子吸收更寬譜域的太陽光，這樣將進一步提高電池的光電轉換效率。
文檔編號H01G9/20GK101373669SQ200810152279
公開日2009年2月25日 申請日期2008年10月10日 優先權日2008年10月10日
發明者張曉丹, 熊紹珍, 耿新華, 寧 蔡, 穎 趙 申請人:南開大學