[发明专利]一种制备太阳能电池光阳极的方法

说明书

技术领域

本发明涉及太阳能电池领域，具体是一种制备太阳能电池光阳极的方法。

背景技术

近年来，染料敏化纳米晶太阳能电池(DSSC)自发明以来，以成本低、工艺简单及性能稳定的优点，成为国内外竞相研究的热点。为了提高电池的光电转化效率，研究人员不断改进电池的敏化剂、电解质和半导体光阳极材料。其中，选择合适的半导体光阳极材料是提高电池的光电转化效率重要途径。自80年代，瑞士洛桑高等工业学校Gratzel的研究小组就致力于染料敏化TiO₂薄膜太阳能电池的研究，在Nature(1991，353：737～740)上发表的“A Low-cost，High-efficiency Solar-cell Based on Dye-sensitized Colloidal TiO₂ Films”，标志着以多孔TiO₂薄膜光阳极的研究终于取得了突破性进展。从此TiO₂光阳极材料逐渐引起了人们的关注。但因为TiO₂半导体自身存在无法突破的瓶颈，如带隙较宽(3.2eV)等，这一定程度上降低了DSSC的光电转化效率，制约了DSSC的工业化进程，所以，TiO₂光阳极改性成为提高DSSC性能的主要途径之一。

目前，对于染料敏化纳米晶太阳能电池TiO₂光阳极的改性研究已经取得了一定的成果。常用的改性方法主要有两种：一是使用TiO₂纳米管代替TiO₂纳米粒子，例如，2001年，美国科学家Grimes等人就在J.Mater.Res(2001，16：3331-3335)发表的论文“Titanium Oxide Nanotube Prepared by Anodic Oxidation”中利用电化学阳极氧化法成功地制备了TiO₂纳米管阵列。大量实验证明，相比TiO₂纳米粒子，TiO₂纳米管阵列具有更好的电子传输性质。另外一种方法是贵金属修饰，例如，日本学者Nishijima等在J.Phys.Chem.Lett(2010，1，2031-2036)公开的文献“Plasmon-Assisted Photocurrent Generation from Visible to Near-Infrared Wavelength Using a Au-Nanorods/TiO₂ Electrode”中，提出在TiO₂单晶表面沉积Au纳米棒阵列，发现Au-TiO₂结构能够在可见光-近红外光范围内具有光伏性能。

在染料敏化太阳能电池光阳极的改性方法中，使用TiO₂纳米管代替TiO₂纳米粒子可以有效改善TiO₂晶粒间的连通性，消除载流子复合中心，提高电子的传输效率，从而降低光电子的损耗。但作为染料敏化太阳能电池光阳极，单纯的TiO₂纳米管仍无法从根本上解决TiO₂半导体光响应区域小，收集效率低等问题。

Nishijima等人制备的Au-TiO₂结构采用的就是贵金属修饰方法，但这种使用电子束光刻技术来实现金属修饰的方法有非常明显的缺点。首先，电子束光刻技术虽然加工精度高，但必需在真空条件下进行，加工成本昂贵，设备投入高，属于实验研究设备，但要应用于光伏技术，会带来巨大的成本压力；再加上光刻技术耗时长，工艺复杂，不能大规模工业化生产，所以这种方法难以在太阳能电池工业生产中应用。

综上所述，现有的贵金属修饰技术不能用于大规模低成本工业化生产，需要发明一种新的技术来解决目前贵金属修饰光阳极制备技术中成本高，制备周期长的问题，并进一步促进染料敏化太阳能电池技术的绿色低成本发展，缓解当今世界面临的能源危机问题。

在公开号为CN101271774A的的专利中，同济大学公开了一种可用于太阳能电池光阳极的材料、其制备方法及应用。这种光阳极是通过光电化学方法将金离子还原成金属粒子作金属表面等离子介质，采用凝胶工艺制备的TiO₂薄膜作电子传输介质。尽管此专利与本申请专利机理基本一致，但现有的专利存在着明显的缺点：首先，采用凝胶工艺制备的TiO₂薄膜，比TiO₂纳米管阵列的电子传输性质差；其次，使用稀贵金属铂作为表面等离子介质，产量低且成本高，不符合太阳能电池大规模，低成本的发展趋势。