[发明专利]用于染料敏化太阳能电池的ZnO/SnO2复合光阳极的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及材料领域中用于染料敏化太阳能电池的ZnO/SnO₂复合光阳极的制备方法。

背景技术

随着社会经济的不断发展，传统化石能源将逐渐枯竭，能源危机不可避免，因此寻找可替代新能源已成为世界各国发展的首要问题。在目前的新能源领域中，太阳能以其资源丰富、分布广、无污染，以及“取之不尽、用之不竭”等优点，将成为最有希望的未来可持续能源之一。在此背景下，太阳能光伏发电已成为近几十年来发展迅猛的可再生能源技术。

目前，太阳能电池已从第一代的硅基太阳能电池，第二代的多元化合物薄膜太阳能电池发展到第三代的纳米晶太阳能电池。染料敏化太阳能电池(Dye Sensitized Solar Cells，简称DSSC)就是第三代电池的典型代表。该类电池以其制备成本低廉、安全无毒、原材料丰富、工艺技术相对简单等优势，被认为是实现太阳能大规模利用的主要后备军。

染料敏化太阳能电池主要由光阳极(透明导电基底、纳米半导体薄膜、染料敏化剂)、电解质和对电极三部分组成。从DSSC的工作原理来讲，只要满足能量匹配原则，能够吸附足量染料的半导体均可用作染料敏化太阳能电池的光阳极。ZnO和SnO₂禁带宽度分别为3.2eV和3.5eV，均与N719染料的能带结构有较好的匹配度。但是ZnO光阳极薄膜在酸性N719染料中的稳定性差，易被酸性染料腐蚀，形成聚集体，进而影响电池的光电转换效率；SnO₂导带能级较低，电子注入过程中能量损失较大，使得电池的开路电压仅有0.45V左右，限制了电池效率的提升。另一方面，SnO₂的物理和化学特性稳定，当与ZnO一起制备成复合光阳极时，可明显提高ZnO的稳定性，抑制酸性染料对ZnO薄膜的腐蚀；其次，ZnO的导带位略高于SnO₂，可改善SnO₂电子注入效率低的问题；再者，ZnO的电子迁移率为200～1000cm²·V^-1·S^-1，而SnO₂电子迁移率为100～200cm²·V^-1·S^-1，复合结构中的电子传输速度必定高于纯SnO₂基光阳极薄膜中的电子传输速度，这对提高载流子的传输速度、抑制载流子复合有着很大的帮助。所以，为实现光电转换效率的提升，制备ZnO/SnO₂复合光阳极，提高电池的稳定性及改善电子注入效率，具有重要的科学意义和应用价值。

目前，染料敏化太阳能电池所使用的光阳极均为纳米半导体薄膜材料。关于纳米材料的制备方法有很多，其中水热法、气相沉积法、共沉淀法、溶胶凝胶法等在染料敏化太阳能电池上的应用较为广泛。但在实际生产中，这些方法的生产成本相对较高、生产周期长、产率低，在很大程度上制约了该类太阳能电池的规模性生产。两步固相法(第一步低热固相法，第二步中温固相法)在制备ZnO/SnO₂复合纳米光阳极材料方面具有生产成本低、生产效率高、产物纯度高、绿色环保、设备简单、操作简单等特点，在看重经济效益的太阳能电池领域，具有明显的优势。

发明内容

本发明的目的在于提供用于染料敏化太阳能电池的ZnO/SnO₂复合光阳极的制备方法，使得ZnO、SnO₂两种半导体材料能均匀的分散混合在一起，形成质量优良的薄膜材料，不仅提高了ZnO在酸性染料中的稳定性，同时改善了SnO₂电子注入效率低的问题，进而增强电池的稳定性，加快载流子的传输速度，提高电池的光电转换效率。本发明成本低、生产效率高、绿色环保，原理可靠、操作简单且有利于实际生产，为染料敏化太阳能电池的产业化提供了一条新途径，具有广阔的市场前景。

为达到以上技术目的，本发明提供以下技术方案：

用于染料敏化太阳能电池的ZnO/SnO₂复合光阳极的制备方法，依次包括以下步骤：

(1)用低热固相法制备ZnO/SnO₂复合前驱体：