一種基于復合納米結構光陽極的太陽能電池的制作方法

文檔序號：11202731閱讀：1068來源：國知局

本申請涉及太陽能電池領域，尤其涉及一種基于復合納米結構光陽極的太陽能電池。

背景技術：

能源是國民經濟和社會發展的重要物質基礎，目前，能源主要依賴石油、煤炭、天然氣等化石能源，但是傳統的化石能源日漸枯竭，并且傳統化石能源的大量使用已經對環境造成了嚴重破壞，近年來，全球較多地區經歷了一個個的暖冬，多個夏天南歐各國經受了50℃的高溫，氣候變暖的直接原因是化石能源的燃燒排放出的co2導致了地球的溫室效應。

太陽能是一種清潔的可再生能源，太陽能的大規模應用是解決能源問題和環境問題的關鍵突破口，太陽能的利用形式多種，主要包括光熱利用，光化學利用，光電利用等；光熱利用如普通家庭使用的太陽能熱水器，就是將太陽能直接轉化為熱能的形式使用，光化學利用如光解水制備氫氣；光電利用如太陽能電池等。

現階段的太陽能電池主要有硅基太陽能電池、有機/聚合物太陽能電池、無機化合物半導體太陽能電池、染料敏化納米晶太陽能電池等，其中，染料敏化太陽能電池以廉價的成本和簡單的制作工藝被認為是實現太陽能大規模利用的主要候選者。

染料敏化太陽能電池主要有五部分組成：導電基底、光陽極、染料敏化劑、電解質和對電極，其中，光陽極的組成和結構直接影響染料敏化太陽能電池的轉化效率和長期穩定性，是電池的最重要的組成部分，現階段的染料敏化太陽能電池中，其光陽極一般由tio2納米薄膜構成，tio2納米薄膜主要是承載染料敏化劑和接收并傳輸電子；為了提高光電轉化效率，通過使用較小粒徑(20nm)的tio2納米顆粒構成薄膜，這樣有利于增大光陽極的比表面積，提高染料的吸附量，然而由于tio2納米顆粒的尺寸越小，光的透過率越高，反而會造成太陽光的浪費，因此，有必要在光陽極薄膜的外層制備由大粒徑的tio2納米顆粒所組成的散射層，將透過內層光陽極薄膜的太陽光反射回來再次被吸收利用，從而有效提高光陽極薄膜的捕光效率，提高染料敏化太陽能電池的光電轉換效率。

技術實現要素：

基于上述原因，在現有技術的基礎上，本發明旨在提供一種基于復合納米結構光陽極的太陽能電池，以解決上述提出問題。

本發明的實施例中提供了一種基于復合納米結構光陽極的太陽能電池，該太陽能電池為染料敏化太陽能電池，該染料敏化太陽能電池包括導電基底、光陽極、染料敏化劑、電解質和對電極，其中，光陽極與對電極設置在導電基底上并且相對封裝設置，光陽極表面吸附有染料敏化劑，電解質為液體電解質，設在光陽極與對電極之間；

具體的，該光陽極包括依次設于導電基底表面的第一吸收層、散射層、第二吸收層；其中，第一吸收層為zno納米線層，散射層為wo3顆粒層，第二吸收層為tio2顆粒層。

具體的，該對電極是在導電基底表面印刷鉑電極形成的；

具體的，該電解液制備過程為：稱取一定量的乙腈溶液，向其中加入0.1m的碘化鋰，0.1m的單質碘，0.6m的4-叔丁基吡啶和0.6m的四丁基碘化銨，然后避光超聲10min，磁力攪拌，使其充分溶解。

本發明的實施例提供的技術方案可以包括以下有益效果：

本發明的太陽能電池為染料敏化太陽能電池，該染料敏化太陽能電池包括導電基底、光陽極、染料敏化劑、電解質和對電極，其中，該光陽極包括依次設于導電基底表面的第一吸收層、散射層、第二吸收層；具體的，第一吸收層為zno納米線層，散射層為wo3顆粒層，第二吸收層為tio2顆粒層，第一吸收層、第二吸收層吸附有染料；通過第一吸收層、第二吸收層中間設置散射層的結構，該光陽極能夠最大限度地吸收太陽光，進而增大光電轉化效率。

本申請附加的方面和優點將在下面的描述中部分給出，部分將從下面的描述中變得明顯，或通過本申請的實踐了解到。應當理解的是，以上的一般描述和后文的細節描述僅是示例性和解釋性的，并不能限制本申請。

附圖說明

利用附圖對本發明作進一步說明，但附圖中的實施例不構成對本發明的任何限制，對于本領域的普通技術人員，在不付出創造性勞動的前提下，還可以根據以下附圖獲得其它的附圖。

圖1是本發明太陽能電池的結構示意圖；

其中，10-導電基底，11-光陽極，12-電解質，13-對電極，111-第一吸收層，112-散射層，113-第二吸收層。

具體實施方式

這里將詳細地對示例性實施例進行說明，其示例表示在附圖中。下面的描述涉及附圖時，除非另有表示，不同附圖中的相同數字表示相同或相似的要素。以下示例性實施例中所描述的實施方式并不代表與本發明相一致的所有實施方式。相反，它們僅是與如所附權利要求書中所詳述的、本發明的一些方面相一致的裝置和方法的例子。

一種太陽能電池，該太陽能電池為染料敏化太陽能電池，該染料敏化太陽能電池包括導電基底10、光陽極11、染料敏化劑、電解質12和對電極13；

其中，光陽極11與對電極13設置在導電基底10上并且相對封裝設置，光陽極11表面吸附有染料敏化劑，電解質12為液體電解質，設在光陽極11與對電極13之間；

該對電極13是在導電基底10表面印刷鉑電極形成的。

該液體電解質制備過程為：稱取一定量的乙腈溶液，向其中加入0.1m的碘化鋰，0.1m的單質碘，0.6m的4-叔丁基吡啶和0.6m的四丁基碘化銨，然后避光超聲10min，磁力攪拌，使其充分溶解。

在本申請技術方案的實施例中，該光陽極11為一種復合納米結構的光陽極，具體的，該光陽極11包括依次設于導電基底10表面的第一吸收層111、散射層112、第二吸收層113，如圖1所示；其中，第一吸收層111為zno納米線層，散射層112為wo3顆粒層，第二吸收層113為tio2顆粒層。

本申請的光陽極11是一種復合納米結構的光陽極，該wo3顆粒層為散射層，第一吸收層、第二吸收層吸附有染料，能夠吸收太陽能。

染料敏化太陽能的光陽極中，通常是在導電基底表面設置一層tio2納米顆粒，該tio2納米顆粒薄膜既是染料吸附的載體，又起著關鍵的分離和傳輸電荷的作用，然而，tio2納米顆粒粒徑較小，其透光率較大，這對太陽光造成浪費。

基于此，在結構方面，在本申請的技術方案中，該光陽極包括第一吸收層、散射層、第二吸收層，其中，第一吸收層、第二吸收層吸附有染料，作為染料吸附的載體，起到分離和傳輸電荷的作用；而中間的散射層能夠散射透過第一吸收層的太陽光，同時由于散射光是向四周都有散射，因此，在散射層兩側的第一吸收層、第二吸收層都能接收到太陽光，從而能夠增大吸附有染料的該第一吸收層、第二吸收層對光的捕獲效率，增強對太陽光的吸收，進而增大光電轉化效率。

具體的，在第一吸收層中，該zno納米線直徑為100nm，長度為10μm。

通常的技術方案中，在導電基底表面設置一層納米tio2顆粒作為光陽極，然而，納米顆粒存在界面較多、電子傳輸性能差、復合率高等問題；本申請的技術方案中，采用zno納米線作為光陽極材料，與納米顆粒相比：1.納米線結構注入的電子可以直接沿著納米線傳輸到導電基底上，避免了電子與電解液的接觸，能夠減少電子的復合幾率；2.納米線生長在導電基底表面，生長牢固，與導電基底的接觸電阻較小；3.納米線結構具有高度的取向性，能夠有利于電解液的擴散，增大與電解液的接觸面積。

zno材料是一種重要的寬禁帶半導體材料，其在場發射、鋰電池、超級電容器、光催化和太陽能電池等領域應用較多，zno的帶隙為3.37ev，與tio2的能帶接近，將其替代tio2材料，能夠獲得更強的電子遷移率。

具體的，在散射層中，該散射層厚度為5μm，該wo3顆粒粒徑為200～500nm。

染料敏化太陽能電池中，作為散射層，通常采用的材料有tio2顆粒、tio2空心球顆粒等，本申請的技術方案中，采用wo3顆粒構成散射層，wo3是一種重要的寬禁帶半導體材料，其在電致變色、光致變色、光致發光等領域廣泛應用，將其與zno納米線、tio2顆粒結合作為光陽極的技術方案不多，本申請的技術方案中，該wo3顆粒與zno納米線、tio2顆粒結合作用，構成了復合結構的光陽極，其對太陽光起到很好的散射作用，并且，該wo3顆粒粒徑較大，除了起到散射太陽光的作用外，還有利于電解液擴散到內部的zno納米線層。

具體的，在第二吸收層中，該第二吸收層厚度為5μm，該tio2顆粒粒徑為20nm。

該第二吸收層采用傳統的tio2顆粒，其與電解液接觸面積最大，能夠作為第一吸收層的補充，最大限度地吸收照射到光陽極表面的太陽光。

本申請的光陽極采用fto導電玻璃作為導電基底。

本申請的光陽極的制備過程為：

步驟1，清洗fto導電玻璃

首先，將裁減合適尺寸的fto導電玻璃放入稀釋的洗潔精溶液中超聲20min，將洗潔精的溶液倒掉，用去例子水沖洗玻璃表面，然后將fto導電玻璃放入去例子水中超聲20min，再依次放入丙酮、乙醇、去離子水中分別超聲15min，用氮氣吹干，待用；

步驟2，制備zno種子層

首先，配置含有0.05mol醋酸鋅、0.06mol二乙醇胺和100ml無水乙醇的溶液，室溫下磁力攪拌30min后放入60℃的油浴鍋中磁力攪拌10h，得到種子層溶液，然后將上步中清洗干凈的fto導電玻璃緩緩浸入該種子層溶液中，靜置13s，然后緩慢拉出，提拉速率為0.1cm/s。將提拉過的fto導電玻璃放置在65℃的烘箱中干燥20min，然后將fto導電玻璃放入馬弗爐中380℃退火2h，在fto導電玻璃表面得到zno種子層；

步驟3，制備第一吸收層

配置含有33mmol的zncl2，33mmol的六次甲基四胺和100ml的去離子水的反應混合溶液，然后向反應混合溶液中逐滴加入2ml氨水，充分攪拌30min，將其轉移到高壓釜內膽中，然后將覆有zno種子層的fto導電玻璃傾斜靠在高壓釜內膽內，導電面朝下，密封好高壓釜，將高壓釜放入升溫到95℃的烘箱中，反應20h，反應完后自然降溫冷卻，用蒸餾水反復沖洗fto導電玻璃，在fto導電玻璃上生長一層zno納米線層，即為第一吸收層；把該生長有zno納米線層的fto導電玻璃在室溫下浸泡入摩爾濃度為0.4mm的n719乙醇溶液中24小時，然后用乙醇沖洗表面；

步驟4，制備散射層

首先，取粒徑為200～500nm的wo3顆粒，將其與聚乙二醇及松油醇混合，超聲形成漿料，使漿料中wo3顆粒的重量含量為45％，聚乙二醇的重量含量為10％；然后，將該漿料涂覆在fto導電玻璃表面，于370℃下恒溫10min、430℃下恒溫20min，自然降溫，得到散射層；

步驟5，制備第二吸收層

首先，制備tio2顆粒漿料：

在四氯化鈦溶液中滴加乙酸，四氯化鈦和乙酸的重量比為4:1，然后將四氯化鈦和乙酸的混合液倒入重量為四氯化鈦用量4.8倍的水中，攪拌產生沉淀；再加入重量為四氯化鈦用量0.05倍的硝酸，在80℃下解溶60min，得到泛藍光的透明溶膠，把該透明溶膠放入鈦反應釜中，在250℃下反應24h，旋轉蒸發除去水后加入成膜劑聚乙二醇和分散溶劑松油醇，得到tio2顆粒漿料，漿料中tio2顆粒的重量含量為15％，聚乙二醇的重量含量為4.5％；

然后，將該tio2顆粒漿料涂覆在制備有散射層的fto導電玻璃表面，于130℃下干燥10min，然后在390℃下恒溫5min、440℃下恒溫10min，自然降溫，得到第二吸收層，即為本申請的光陽極。

把高溫燒結好光陽極室溫浸泡入摩爾濃度為0.4mm的n719乙醇溶液中24小時，然后用乙醇沖洗表面，滴上一滴制備好的電解液。用夾子把對電極鉑(采用電化學制備)與光陽極夾住。即可進行光伏性能測量。

實施例1

步驟1，清洗fto導電玻璃

步驟2，制備zno種子層

步驟3，制備第一吸收層

步驟4，制備散射層

首先，取粒徑為200的wo3顆粒，將其與聚乙二醇及松油醇混合，超聲形成漿料，使漿料中wo3顆粒的重量含量為45％，聚乙二醇的重量含量為10％；然后，將該漿料涂覆在fto導電玻璃表面，于370℃下恒溫10min、430℃下恒溫20min，自然降溫，得到散射層；

步驟5，制備第二吸收層

首先，制備tio2顆粒漿料：

采用本實施例中光陽極制備的染料敏化太陽能電池的光電轉化效率為8.56％。

實施例2