[发明专利]一种全固态柔性敏化太阳能电池及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及薄膜太阳能电池，尤其是涉及一种全固态柔性敏化太阳能电池及其制备方法。

背景技术

在20世纪末，石油、天然气、煤等不可再生能源已发出枯竭的警报，与此同时在使用传统能源所带来的生态环境问题也直接威胁到人类的生命安全。因此，改变现有的能源结构，寻求一种可再生的、经济的、绿色环保清洁能源，如太阳能、风能、氢能、生物质能等，已成为世界各国极为关注的课题。这其中，风能受到地域影响较为严重，一般在荒漠和沿海才可利用；氢能也因制备和存储技术上没有突破而导致生产成本高，一直未被推广；生物质能，成本价格难控，产业化程度和发展规模都比较差，因此难以大规模应用。太阳能被称之为“取之不尽用之不竭的绿色、环保、经济、健康能源”，既可以解决能源枯竭，又可以改善生态环境恶化两大难题，具有十分广阔的开发应用前景。

自20世纪来，经过六七十年的探索，各类太阳能电池相继诞生，从第一代的晶体硅太阳能电池到第二代的薄膜太阳能电池，都得到了广泛的应用。但是这些电池居高不下的成本以及制备过程中对环境的影响限制了其进一步的大规模应用，开发低成本、高效率、绿色的太阳能电池是未来的发展方向。1991年瑞士洛桑联邦理工学院教授领导的团队成功开发出基于液态电解液的刚性染料敏化太阳能电池（dye-sensitized solar cells，DSC）（O'Regan B,M.Nature,1991,353:737-740）。DSC因原材料廉价、生产工艺简单、耗能较少、成本较低（仅为硅太阳能电池的1/2～1/3）、生产过程中无毒无污染等优点受到广泛关注。经过20余年的探索、改进和优化，至今DSC的光电转化效率达到了12.3%，在弱光条件下高达13.1%(Yella A,Lee H W,et al.Science,2011,334:629-634)。相对于其他太阳能电池，DSC还有一个突出的优点是可以制备成柔性DSC，具有轻便、可弯曲、折叠等特点，其应用范围得以进一步拓宽。

传统柔性DSC由柔性透明导电基底、纳米多孔半导体薄膜、染料分子、液态电解质、对电极等几个部分组成。纳米多孔薄膜通常由二氧化钛（或氧化锌、二氧化锡等金属氧化物）纳米颗粒在低温下制备而成，其内部多孔结构表面吸附染料分子后成为电池的光阳极。纳米多孔结构薄膜的主要作用有两个：作为染料分子或者吸光材料的支撑体，提供巨大的比表面积以实现大量光子的捕获和电子在多孔结构中的传递。但因成膜过程是在低温下进行，纳米颗粒之间的结合力比较弱，导致电子在多孔结构中的传递比较差，因此器件的光电转换效率不高。此外，由于DSC组成中含有液态电解质，主要是I^-/I^-₃或Co²⁺/Co³⁺，液态电解质易挥发、泄漏和对染料敏化剂的腐蚀，从而带来安全隐患和降低柔性DSC的使用寿命。

发明内容

本发明的目的是提供可克服传统柔性敏化太阳能电池的纳米多孔结构薄膜因纳米颗粒之间的结合力较弱而导致电子在多孔结构中的传递比较差、及电解液产生泄漏、挥发和腐蚀染料敏化剂等缺点，可有效提高光电转换效率的一种全固态柔性敏化太阳能电池及其制备方法。

本发明所述全固态柔性敏化太阳能电池，设有柔性透明导电塑料基底、TiO₂层、柔性纳米多孔薄膜、钙钛矿吸收层、空穴传输层和金属对电极；

柔性透明导电塑料基底表面附有透明氧化铟导电层，TiO₂层设于柔性透明导电塑料基底与柔性纳米多孔薄膜之间；柔性纳米多孔薄膜为柔性纳米多孔聚砜薄膜或柔性纳米多孔聚醚砜薄膜，钙钛矿吸收层吸附在柔性纳米多孔薄膜内部孔壁上；空穴传输层为聚三芳基胺层或螺旋二芴空穴传导材料层，空穴传输层填充在柔性纳米多孔薄膜内部孔隙中并覆盖在该薄膜的表面上；在空穴传输层上设置金属对电极。

所述金属对电极为Au对电极或Ag对电极。

所述柔性透明导电塑料基底可为透明氧化铟锡-聚醚酰亚胺（ITO-PEI）基底、透明氧化铟锡-聚对苯二甲酸乙二酯（ITO-PET）基底或透明氧化铟锡-聚萘二甲酸乙二醇酯（ITO-PEN）基底等。

所述柔性纳米多孔聚砜薄膜或柔性纳米多孔聚醚砜薄膜为亲水性柔性纳米多孔聚砜薄膜或亲水性柔性纳米多孔聚醚砜薄膜，通过紫外辐射或表面活性剂改性，使其具有良好的亲水性，钙钛矿吸收层可均匀吸附在其内部孔壁上。