[发明专利]一种染料敏化太阳能电池及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种二氧化钛纳米管染料敏化太阳能电池及其制备方法。

背景技术

近年来，能源问题越来越引起人们的关注。随着矿物燃料能源的日益枯竭，社会的发展迫切需要一种能够取代传统能源的高效和无污染的洁净能源。可利用的再生能源主要有风能、水能、地热、潮汐能以及太阳能，这其中，占地球总能量99％以上的太阳能，是一种取之不尽和用之不竭的清洁能源。

相比已商业化的工艺复杂和成本昂贵的硅太阳能电池，染料敏化太阳能电池(DSCC)所具有的廉价、高效、工艺简单、寿命长等优点而成为太阳能电池领域的研究热点。作为第三代太阳能电池，其最大优点在于廉价的原材料和简单的制作工艺。因此，染料敏化电池的制备成本仅相当于硅电池板的1/10且对光照条件要求不高。

染料敏化太阳能电池主要由透明导电玻璃基板、纳米二氧化钛或其它半导体氧化物多孔薄膜、染料、电解质及对电极组成。其基本工作原理是当能量低于半导体纳米TiO₂禁带宽度但等于染料分子特征吸收波长的入射光照射在电极上时，吸附在电极表面染料分子中的电子受光子激发而注入到TiO₂导电带，同时染料被氧化。注入到TiO₂中的电子传输到导电玻璃基板后进入外电路，处于氧化态的染料从电解质中获得电子而还原成基态的同时，电解质氧化产生的电子扩散到对电极从而完成一个光电化学反应。吸附染料的TiO₂、ZnO、SnO₂、Nb₂O₅、Al₂O₃等宽禁带半导体氧化物纳米材料是DSSC的核心部分。其中，纳米多晶TiO₂由于具有大的可控表面结构的表面积和高电子传输性能而成为主要的研究对象，其结构和高结晶度是电池获得高能量转化效率的关键。

同时，太阳能电池吸收层厚度是由其所使用半导体的光吸收性能决定的，例如，为了吸收全波长的入射光且其中的入射光子不会因为透射而损失，就要求具有100μm厚的硅和1-3μm厚的砷化镓吸收层。同时，电池的光电转换效率很大程度上依赖于高纯材料以确保光子激发的载流子能有效地收集。这样由光吸收产生的载流子在到达外电路之前能够存活足够的时间和距离而不会导致电子空穴对复合产生热量。纳米结构的使用有很大机会摆脱传统太阳能电池使用高纯材料的限制并提供了一个很好的进行制备和设计太阳能量转换装置的机会。例如，它可以在垂直或正交于入射光子的方向收集载流子并能够使相对纯度较低的电池获得足够高的能量转换效率。

作为TiO₂的三种晶型之一，锐钛矿相由于具有而相对小的有效电子质量和相对大的比表面积而在染料敏化太阳能电池、光催化剂、光水解制氢等领域有很好的应用前景。作为TiO₂的低温稳定相，锐钛矿相一般在500～600℃开始向金红石相发生不可逆转变。而为了获得高结晶度的锐钛矿相，通常需要对合成的纳米锐钛矿相在600℃或更高进行热处理。对于阳极氧化制备的TiO₂纳米管阵列薄膜，与Ti基体同时退火晶化时将不可避免地在纳米管底部形成一层致密的氧化层，且随着退火温度的升高，源于氧化层的“吞噬效应”对TiO₂纳米管阵列薄膜的结构产生了致命性的影响，并加速了锐钛矿相向金红石相的转变，因此不利于获得稳定的锐钛矿相TiO₂纳米管阵列薄膜。

发明内容

有鉴于此，本发明公开了一种能够提高对太阳光的吸收效率和电子的传输效率的染料敏化太阳能电池的结构并提供此种太阳能电池的制备工艺和方法。

在本申请中，术语“晶化”是指在一定温度下退火时TiO₂纳米管从非晶态到结晶相的结构转化。术语“前驱体”指的是TiO₂纳米管阵列薄膜未经退火晶化时的试样。术语“吞噬效应”指的是，当TiO₂纳米管阵列薄膜连同Ti片基体在氧气气氛中一起退火时，由于基体中的Ti直接被氧气氧化而生成金红石相，随着退火温度的继续升高，金红石相晶粒将会直接吞并纳米管结构中的锐钛矿相晶粒而生成更大尺寸的金红石晶粒，从而导致纳米管结构的破坏和锐钛矿相向金红石相的转变。