[发明专利]一种染料敏化太阳电池的阳极薄膜

说明书

技术领域

本发明属于多孔光电功能材料领域，特别涉及一种染料敏化太阳电池的阳极薄膜。

背景技术

染料敏化太阳电池（DSSC）是一种新型的绿色、经济、清洁的能源材料。由于其具有较高的理论转换效率，简单的制作工艺，对温度和入射光角度的依赖小，成本低（仅为硅系太阳电池的1/5-1/10），无污染，成为目前清洁能源及太阳电池领域研究的热点。

在DSSC中，阳极薄膜起固定染料、接收染料中光生电子并将其传递到外电子回路的作用，其是否具有高的染料负载量和快速的电子输运性能是决定DSSC光电转换效率的关键因素。因此，阳极薄膜性能的好坏决定了DSSC光电转换效率的高低。目前，DSSC常用的阳极薄膜中，介孔和多孔纳米晶半导体薄膜具有较高的比表面积，能有效地提高薄膜吸附敏化剂的量，也能提高DSSC对太阳光的吸收率。但是，由于其孔道狭窄，因此扩散阻力较大，染料和电解质分子进入孔道困难，只能在薄膜的表面参与光化学反应，薄膜内部不能有效地和染料和电解质接触，因而影响了电池的光电性能；其次，在几个纳米空间的尺度中，电子在薄膜中的传输也很容易受到纳米粒子晶界的阻碍；薄膜虽然具有大的比表面，有利于染料敏化剂的吸附，但同时会使薄膜的表面缺陷数目增加，电子很容易被这些缺陷所俘获，被俘获之后，电子只能依靠热激发来摆脱束缚，多孔薄膜中缺乏电场来克服表面缺陷的作用，同样使得电子在薄膜中的传输变得困难。而由纳米棒或纳米管形成的阳极薄膜在解决电子传输方面具有良好的性能，电子输运方向与材料生长方向一致，受到的晶界阻碍减小，但是纳米材料与导电基底结合不好，易脱落，且薄膜比表面积的提升空间也有限，也会严重影响电子的传输效率。

因此，制备具有良好结构的半导体薄膜，使之既具有较大的比表面积来吸附敏化剂分子，又能提供良好的电子输运通道，同时有利于电解液的渗透，是目前染料敏化太阳电池研究中的重中之重，具有重要的科学研究和实际应用价值。本专利获得的具有多级孔和连续网络结构的阳极薄膜，既有利于染料的吸附以及电解质的渗透又能提供电子优良的传输通道，从而在一定程度上有效地提高了电池的光电性能。其中，其多级孔结构中存在不同尺寸的孔，既有介孔结构又有大孔结构，其孔径分布从50纳米到2微米。小尺寸的孔有利于提高薄膜的比表面积，增大敏化剂分子的吸附量，并且能够增加薄膜中的活性点，保证光电化学反应在薄膜中多个位置发生；而大尺寸的孔有利于敏化剂分子的扩散和电解质的渗透。其三维连续网络结构中，连续的骨架结构能在一定程度上减少晶粒阻碍，有利于电子在薄膜中的传输；多级孔和连续网络结构有利于增加光的散射，提高入射光的利用率。最后，对所获得的具有多级孔和连续网络结构的阳极薄膜进行修饰并优化设计，减少界面复合率和暗电流，获得具有良好性能的DSSC阳极，从而为设计和制备成本低廉、能量转换效率较高的DSSC提供理论指导和技术支持。

因此，对染料敏化太阳电池中具有多级孔和连续网络结构阳极薄膜的研究，具有重要的科学研究和实际应用价值，不仅对DSSC电池，对其他类型太阳电池的设计也能提供一些可借鉴的思路。

发明内容

本发明的目的在于针对目前DSSC阳极薄膜的种种不足，提供一种染料敏化太阳电池的阳极薄膜。

一种染料敏化太阳电池的阳极薄膜，所述阳极薄膜为表面已修饰的具有多级孔和连续网络网络孔道骨架结构的半导体薄膜；所述阳极薄膜中多个单晶纳米短棒相连组成基础骨棒，多个基础骨棒相互连接向三维空间延伸形成三维连续网络孔道骨架结构；所述阳极薄膜中的孔道呈现多级结构，既有介孔结构又有大孔结构。

所述阳极薄膜的表面采用三氧化二铝和氧化锌粒子中的一种或多种修饰。

所述阳极薄膜的孔道的平均孔径为50纳米～2微米。

所述阳极薄膜的厚度为1微米～5微米。

所述单晶纳米短棒的平均长度为20～30纳米，平均直径为6～10纳米。

所述单晶纳米短棒的材质为TiO₂。

所述基础骨棒的平均宽度为100～300纳米。

本发明的有益效果为：