CN100395896C - 染料敏化太阳能电池及其电极 - Google Patents
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Abstract
一种染料敏化太阳能电池电极，包括一导电基片、一形成于该导电基片的半导体纳米晶膜以及一形成于该半导体纳米晶膜的染料层。其中，该半导体纳米晶膜包含若干导电微粒。本发明还提供一种采用上述电极的染料敏化太阳能电池。本发明在染料敏化太阳能电池电极的半导体纳米晶膜中加入若干导电微粒，如金属粒子、碳纳米材料等，解决现有的染料敏化太阳能电池的半导体纳米晶膜的导电率低的问题。
Description
【技术领域】
本发明涉及一种染料敏化太阳能电池，特别涉及一种染料敏化太阳能电池电极。
【背景技术】
太阳能电池是一种将太阳能直接转化为电能的装置。20世纪70年代，由美国贝尔实验室首先研制出的硅太阳能电池逐步发展起来。这种硅太阳能电池的工作原理系基于半导体的光伏效应。虽然硅太阳能电池的光电转化效率高，但它的制作工艺复杂、价格昂贵、对材料要求苛刻，因而限制其广泛应用。二十世纪九十年代应用纳米晶体开发的染料敏化太阳能电池，可望取代传统的硅太阳能电池，并由此成为该领域的研究热点。
染料敏化太阳能电池采用形成于导电基片的半导体纳米晶膜，在它的表面吸附一光敏染料，由此形成工作电极。染料敏化太阳能电池的工作原理为：当染料分子吸收太阳光时，其电子跃迁至激发态并迅速转移至半导体，而空穴则留在染料中。电子随后扩散至导电基片，经外电路转移至对电极。而氧化态的染料被电解质还原，被氧化的电解质在对电极接受电子还原成基态。从而完成电子的整个传输过程。
影响染料敏化太阳能电池光电转化性能的因素之一为光化学反应后电子向导电基片迁移的速率。而单一半导体纳米晶膜电极在传输电子方面存在一定缺陷。因为，与块体半导体不同，半导体的纳米晶体内部不存在内建电场，而且由于纳米粒子太小，在粒子与电解质溶液的界面不能产生空间电荷层。所以，电子迁移率低，其与周围所存在的电子受体(如纳米晶膜的表面态陷阱及氧化态电解质)的复合几率大大提高，从而明显降低光电转换率。
有鉴于此，有必要提供一种能提高半导体纳米晶膜的导电率的染料敏化太阳能电池及其电极。
【发明内容】
为解决现有的染料敏化太阳能电池的半导体纳米晶膜的导电率低，本发明的目的在于提供一种能提高半导体纳米晶膜的导电率的染料敏化太阳能电池电极。
本发明的另一目的在于提供一种能提高半导体纳米晶膜的导电率的染料敏化太阳能电池。
为实现发明目的，本发明提供一种染料敏化太阳能电池电极，其包括一导电基片、一形成于该导电基片的半导体纳米晶膜以及一形成于该半导体纳米晶膜的染料层。其中，该半导体纳米晶膜中添加有若干导电微粒，且该导电微粒选自金、银、铂、铜、碳纳米材料中的一种或几种。
为实现另一发明目的，本发明提供一种染料敏化太阳能电池，其包括一工作电极、一对电极及一位于该工作及对电极之间的电解质。该工作电极包括一导电基片、一形成于该导电基片的半导体纳米晶膜及一形成于该半导体纳米晶膜的染料层，其中，该半导体纳米晶膜添加有若干导电微粒，且该导电微粒选自金、银、铂、铜、碳纳米材料中的一种或几种。
相对于现有技术，本发明在染料敏化太阳能电池电极的半导体纳米晶膜中加入若干导电微粒，如金属粒子、碳纳米材料等，利用它们自身良好的导电性能，以提高半导体纳米晶膜的导电率，加快电子向导电基片迁移的速率，从而改善整个染料敏化太阳能电池的光电转化性能。
【附图说明】
图1为本发明的染料敏化太阳能电池的示意图。
【具体实施方式】
下面将结合附图对本发明作进一步的详细说明。
请参阅图1，本发明所提供的染料敏化太阳能电池5，包括：工作电极52，对电极56及电解液54。其中，电解液54位于两电极52，56之间。
工作电极52包括：透明导电基片521，半导体纳米晶膜522及形成于该半导体纳米晶膜的染料层524。其中，半导体纳米晶膜522包含若干导电微粒523。透明导电基片521可为氟掺杂的二氧化锡导电玻璃。半导体纳米晶膜522通过涂敷、溅镀等镀膜方法形成于透明导电基片521上，其厚度可为1-50微米。半导体纳米晶膜522主要含有半导体颗粒，如TiO2、SrTiO3、ZnO、ZrO2、SiO2、ZnS、PbS、CdS、WO3或NiO等。这些颗粒的粒度最好为1-50纳米。用作光敏化剂的染料层524由单层或多层染料分子吸附于半导体纳米晶膜522的表面而形成。染料可为钌配合物或红汞等材料，并根据半导体纳米晶膜522的成分加以调整。本实施例中，选用二氧化钛制成半导体纳米晶膜522，采用顺式-二异硫氰酸根-二(4，4’-二羧酸-2，2’-联吡啶)合钌cis-dithiocyanato bis(4，4’-dicarboxy-2，2’-bipyridine)ruthenium(简称为N3染料)，将其配制成一定浓度的溶液或凝胶，通过浸泡的方式使其吸附于半导体纳米晶膜522上，由此形成染料层524。
值得注意的是，若干导电微粒523分散于半导体纳米晶膜522之中，用以提高它的导电率。该导电微粒523可为金属粒子，其包括Au、Ag、Pt和Cu等金属材料。其形成方式可根据半导体纳米晶膜522的制程加以设计。例如，在采用溅镀等镀膜方法制成半导体纳米晶膜522的过程中，可于所用的靶材中加入金属原子而使其分布于半导体纳米晶膜522。可以选择的是，将所选金属材料作为靶材，采用双靶镀膜的方式形成含金属粒子的半导体纳米晶膜522。
另外，该导电微粒523还可选自碳纳米材料，如碳纳米管、碳纳米球和富勒烯分子。可于TiO2等半导体的浆料中直接加入这些导电微粒523并混合均匀，再通过涂敷或溶胶-凝胶法形成半导体纳米晶膜522。
对电极56通常包括一导电基片561和一形成于其上的金属层563。导电基片561一般为导电玻璃。金属层563应由金、铂等惰性金属组成，可通过镀膜的方式形成于导电基片561与工作电极52相对的一侧表面。金属层563最好有一光滑表面，用以产生镜面反射，以提高光线的利用率。当然，对电极56还可直接为一由金、铂等惰性金属组成的金属电极。该金属电极与工作电极52相对的表面最好也具有高平整度。
电解液54位于工作电极52及对电极56之间，可为一薄层氧化还原电解质溶液，选用碘/碘化锂电解质。电解液54也可为固态，即染料敏化太阳能电池5可为固体电池。
另外，本领域所属技术人员应该明白，导电微粒的数量及分布密度可根据实际需要加以调整。本发明的染料敏化太阳能电池还可包括若干电流导引装置，使其与外电路相连。该电池的具体形状、结构及材料还可有其它变化，不应以所述的具体实施例为限。
本发明在染料敏化太阳能电池电极的半导体纳米晶膜中加入若干导电微粒，如金属粒子、碳纳米材料等，利用其本身良好的导电性能，以提高半导体纳米晶膜的导电率，加快电子向导电基片迁移的速率，从而改善整个染料敏化太阳能电池的光电转化性能。
Claims (8)
1.一种染料敏化太阳能电池电极，包括：一导电基片；一形成于该导电基片的半导体纳米晶膜；一形成于该半导体纳米晶膜的染料层；其特征在于，该半导体纳米晶膜添加有若干导电微粒，且该导电微粒选自金、银、铂、铜、碳纳米材料中的一种或几种。
2.如权利要求1所述的染料敏化太阳能电池电极，其特征在于，所述的半导体纳米晶膜包含TiO2、SrTiO3、ZnO、ZrO2、SiO2、ZnS、PbS、CdS、WO3或NiO的半导体颗粒。
3.如权利要求2所述的染料敏化太阳能电池电极，其特征在于，所述的导电微粒分散在所述的半导体纳米晶膜的半导体颗粒之间。
4.如权利要求1所述的染料敏化太阳能电池电极，其特征在于，所述的碳纳米材料选自碳纳米管、碳纳米球或富勒烯。
5.一种染料敏化太阳能电池，包括一工作电极，一对电极以及一位于该工作电极与对电极之间的电解质，其中，该工作电极包括：一导电基片；一形成于该导电基片的半导体纳米晶膜；一形成于该半导体纳米晶膜的染料层；其特征在于，该半导体纳米晶膜添加有若干导电微粒，且该导电微粒选自金、银.铂、铜、碳纳米材料中的一种或几种。
6.如权利要求5所述的染料敏化太阳能电池，其特征在于，所述的半导体纳米晶膜包含TiO2、SrTiO3、ZnO、ZrO2、SiO2、ZnS、PbS、CdS、WO3或NiO的半导体颗粒。
7.如权利要求6所述的染料敏化太阳能电池，其特征在于，所述的导电微粒分散在所述的半导体纳米晶膜的半导体颗粒之间。
8.如权利要求5所述的染料敏化太阳能电池，其特征在于，所述的碳纳米材料选自碳纳米管、碳纳米球或富勒烯。
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