CN100587971C - 染料敏化太阳能电池及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种染料敏化太阳能电池，包括：包含导电透明基底的第一电极；设置在所述第一电极的一侧上的光吸收层；面对所述第一电极的第二电极和设置在所述第一电极和第二电极之间的电解液。所述光吸收层包括：包含半导体微粒的多孔薄膜和吸附于所述多孔薄膜的表面上的光敏染料。所述多孔薄膜的薄膜密度范围为大约0.83至大约1.97mg/mm3，其中所述薄膜密度为半导体微粒质量相对于多孔薄膜体积的比率。

Description

染料敏化太阳能电池及其制造方法
技术领域
本发明涉及一种太阳能电池，特别涉及一种染料敏化太阳能电池。
背景技术
人们已经进行了多项研究，意在开发出可替代能源，从而能够替代传统的矿物燃料，并解决日益临近的能源危机。特别地，已经进行了广泛的调查研究来发现使用可选择能源(例如风能、原子能和太阳能)来替代石油资源的方法，因为石油资源预计将在几十年内枯竭。在可选择能源之中，太阳能电池使用的是事实上无限量且环保的太阳能。太阳能电池可为硅(Si)太阳能电池。
不过，Si太阳能电池难于使用，因为其生产成本相对较高，并且在提高电池效率方面存在困难。可以低成本生产的染料敏化太阳能电池克服了Si太阳能电池的上述问题。
不同于Si太阳能电池，染料敏化太阳能电池为电化学太阳能电池，其主要构成为：吸收可见光并产生电子-空穴对的光敏染料分子，和传送所产生电子的过渡金属氧化物。染料敏化太阳能电池可为使用纳米钛氧化物(即，锐钛矿)的染料敏化太阳能电池。
染料敏化太阳能电池也可低成本生产，并且由于其使用透明电极，它可应用于建筑物或玻璃温室的外部玻璃墙。不过，因为传统的染料敏化太阳能电池的光电效率相对较低，所以还未广泛应用于实际使用中。
太阳能电池的光电效率正比于从所吸收的太阳光产生的电子的量。因此，为提高光电效率，应该增大电子量，或者应该减少或防止所产生和激发的电子的电子-空穴的复合。可以通过增大太阳光的吸收能力或染料吸附效率来增加所产生的电子的量。
太阳能电池的氧化物半导体的微粒可制备成纳米量级，以增大每单位面积的染料吸附效率，并且应该增大太阳能电池的铂电极的反射率，或者应该包含小尺寸的氧化物半导体光散射剂，以增大太阳光的吸收能力。
发明内容
本发明的实施方式的一方面涉及一种具有相对高的光电效率的染料敏化太阳能电池。
本发明的实施方式的另一方面涉及一种制造具有相对高的光电效率的染料敏化太阳能电池的方法。
根据本发明的一个实施方式，提供一种染料敏化太阳能电池。所述染料敏化太阳能电池包括：第一电极(例如包括导电的透明基底)；光吸收层，其设置在所述第一电极的一侧上；第二电极，其面对所述第一电极；和电解液，其设置在所述第一电极和第二电极之间。所述光吸收层包括：多孔薄膜，其包括半导体微粒，和光敏染料，其被吸附于所述多孔薄膜的表面上。在此，所述多孔薄膜具有范围在从大约0.83至大约1.97mg/mm3的薄膜密度，并且所述薄膜密度为半导体微粒质量相对于多孔薄膜体积的比率。
所述半导体微粒可为本征半导体、复合半导体、钙钛矿化合物或它们的混合物。
所述半导体微粒可具有范围在从大约5至大约500nm的平均粒径。
根据本发明的另一实施方式，提供一种制造染料敏化太阳能电池的方法。该方法包括：通过在第一电极上涂覆用于形成多孔薄膜的组合物，并接着通过机械缩颈(mechanical necking)处理，形成所述多孔薄膜；在所述多孔薄膜的表面上吸附光敏染料，以形成光吸收层；并且在所述光吸收层上形成第二电极，然后注入电解液。
用于形成所述多孔薄膜的组合物可包括半导体微粒。
所述机械缩颈可通过模压方法进行。
根据本发明的另一实施方式，提供一种染料敏化太阳能电池。所述染料敏化太阳能电池包括：第一电极；第二电极和设置在所述第一电极和第二电极之间的光吸收层。所述光吸收层包括：多孔薄膜，其包括机械缩颈的半导体微粒，和光敏染料，其被吸附于所述多孔薄膜的表面上。也就是说，通过对多孔薄膜的半导体微粒进行机械缩颈来形成所述多孔薄膜。
附图说明
如下附图结合申请文件描述了本发明的示例性实施例，并结合说明书用于阐释本发明的原理。
图1是根据本发明一实施方式的染料敏化太阳能电池的示意图。
图2示出根据另一实施方式的染料敏化太阳能电池的制造工艺。
图3A是根据实施例2的其上设置多孔薄膜的第一电极的横截面的照片。
图3B是根据对照实施例1的其上设置多孔薄膜的第一电极的横截面的照片。
具体实施方式
在下文的详细描述中，通过图示仅示出和描述了本发明的特定示例性实施方式。如本领域技术人员所认知的，所描述的示例性实施方式可采用多种不同方式进行改造，所有这些均不偏离本发明的精神或范围。相应地，附图和说明书应被认为实质上是示意性的，而非限制性的。
在驱动染料敏化太阳能电池过程中，通过光能和/或染料材料产生光电荷。也就是说，通过吸收经过导电透明基底传输的光而激发了染料材料。
染料材料通常被吸附到包含半导体微粒的多孔薄膜的上表面上，并且所述多孔薄膜位于包含透明基底的第一电极的顶部上。
多孔薄膜的制备是通过如下过程进行的，即，用多孔薄膜材料涂覆第一电极，以形成包含半导体微粒的组合物，其中第一电极包括透明基底，例如玻璃基底和塑料基底。然后，所述组合物在范围从400到600℃的高温下被加热，以在多孔薄膜中形成半导体微粒的缩颈。
当塑料材料被用作透明基底时，不可以进行高温下的热处理。因此，在一个实施方式中，所述热处理在大约150℃的相对低的温度下进行。不过，在一个实施方式中，在相对低的温度下进行的热处理存在的问题在于，恶化了半导体微粒的缩颈形成效率。
因而，本发明的一个实施方式在制作多孔薄膜时通过将包含在多孔薄膜内的微粒经机械处理而不是热处理而缩颈化，来增大或提高染料敏化太阳能电池的光电效率。
更具体地，图1是示出根据本发明一个实施方式的染料敏化太阳能电池10的示意图。
参照图1，染料敏化太阳能电池10具有堆叠(或者说夹层)结构，在该结构中，第一电极11和第二电极14彼此连结或连接(例如，从表面到表面)。在一个实施方式中，第一电极11和第二电极14为两个板型透明电极。在所述两个透明电极11和14中的一个透明电极(例如，第一电极11)上设置光吸收层12。光吸收层12设置在第一电极11的面向第二电极14的表面上。两个电极11和14之间的空间被填充以电解液13。光吸收层12包括包含半导体微粒的多孔薄膜，和由多孔薄膜吸附的染料分子。
在工作中，太阳光进入染料敏化太阳能电池10，并且在光吸收层12中的染料分子吸收光子。已经吸收了光子的染料分子从被称为电子转移态的基态激发，从而形成电子-空穴对。所激发的电子被注入半导体微粒界面上的导带。所注入的电子经所述界面传递到第一电极11，然后所述电子经外部电路传递到与第一电极11相反(即具有相反极性)的第二电极14。由于电子转移而氧化的染料，通过氧化还原反应而被电解液中的离子还原，并且经氧化的离子在还原反应中结合以已经到达第二电极14的界面处的电子，从而实现电中性。
第一电极(例如工作电极或半导体电极)11包括透明基底和设置在透明基底上的导电层。
透明基底可由适于传送外部光的任意合适透明材料形成，例如由玻璃和/或塑料形成。塑料的非限制性实例可包括聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚萘二甲酸乙二醇酯(PEN)、聚碳酸酯(PC)、聚丙烯(PP)、聚酰亚胺(PI)、三乙酰基纤维素(TAC)、聚醚砜及其组合。
透明基底可掺杂以掺杂材料，该掺杂材料从Ti、In、Ga、Al及其组合物组成的组中选出。
在所述透明基底上设置导电层。
导电层可包括由氧化铟锡(ITO)、氧化氟锡(FTO)、ZnO-(Ga2O3或Al2O3)、锡(Sn)基氧化物、氧化锑锡(ATO)、氧化锌及其组合所组成的组中选出的导电金属氧化物。在一个实施方式中，导电金属氧化物为SnO2和/或ITO，因为SnO2和/或ITO具有相对高的导电性、透射率和/或耐热性。
导电层可包括单层导电金属氧化物或多层导电金属氧化物。
在第一电极11上形成包含半导体微粒的多孔薄膜和包含在多孔薄膜的表面上所吸附的光敏染料在内的光吸收层12。
多孔薄膜具有相对(充分)小且均匀的纳米孔，并包括具有相对(充分)小且均匀的平均微粒尺寸的半导体微粒。
半导体微粒可由以硅为代表的本征半导体、复合半导体和/或钙钛矿化合物构成。
所述半导体可为n型半导体，其中，导带的电子通过光激发而变成载流子，从而提供阳极电流。复合半导体的实例包括包含从如下金属组成的组中选出的至少一种金属的氧化物，即，Ti、Zr、Sr、Zn、In、Yr、La、V、Mo、W、Sn、Nb、Mg、Al、Y、Sc、Sm、Ga、In、TiSr及其组合。根据一个实施方式，复合半导体可为TiO2、SnO2、ZnO、WO3、Nb2O5、TiSrO3或它们的混合物。根据另一实施方式，复合半导体可为锐钛矿TiO2。所述半导体不限于上述材料，并且上述材料可单独使用或组合使用。
半导体微粒可具有大表面面积，以允许被吸附到半导体微粒表面上的染料吸收大量光。半导体微粒可具有从5-500纳米范围内的平均颗粒直径，更具体地，具有从10-50纳米范围内的平均颗粒直径。在一个实施方式中，当半导体微粒具有的平均颗粒直径小于5纳米时，在由染料产生的电子经过被缩颈化的TiO2并传送到外部电极的同时存在相对大量的损失，这是所不希望的。与之对照的是，在另一实施方式中，当半导体微粒具有的平均颗粒直径超过500纳米时，染料吸附量相对较小，这也是所不希望的。
本实施方式的多孔薄膜通过机械缩颈而非热处理来制备。可通过正确调节机械缩颈的条件来控制多孔薄膜的薄膜密度。较之通过热处理制作的多孔薄膜，本实施方式的多孔薄膜具有相对较低的多孔性，但具有相对较高的薄膜密度。
更具体地，当多孔薄膜中半导体微粒的质量与该多孔薄膜的体积的比率被定义为密度时，多孔薄膜可具有0.83-1.97mg/mm3范围的薄膜密度(D)，更具体地，具有1.40-1.65mg/mm3范围的薄膜密度。在一个实施方式中，当薄膜密度低于0.83mg/mm3时，不会充分形成第一电极的TiO2颗粒之间的网络，从而使电子的流动变差，进而导致所产生的电流较低，这是所不希望的。与之对照的是，当薄膜密度高于1.97mg/mm3时，电子流动较好，但是，由于比表面积变小，所吸附的染料的量较小，并且这减少了由光初始产生的电子的数量，这也是所不希望的。由于本实施方式的多孔薄膜具有合适的薄膜密度，就允许增大电解液13的传送量，并提高半导体微粒的缩颈性能。
此外，较之不进行机械缩颈处理的样品，经机械缩颈处理的样品针对外部电极的粘附性得到改进。这导致从第一电极11到外部电极的电流收集性能得到改进。
换句话说，如果通过传统热处理实现所述缩颈，在第一电极中的导电基底的电阻增大，从而阻碍了朝向外部电极的电子流动。不过，由于本发明并不进行热处理，这一问题并不存在，并且机械缩颈处理过程可持续不停顿地进行(即，该处理可为连续过程)，这有利于制造效率。
此外，多孔薄膜的表面所吸附的染料吸收外部光并产生受激发电子。
所述染料可为包含从如下物质组成的组中选出的至少一种物质的金属复合物，即，铝(Al)、铂(Pt)、钯(Pd)、铕(Eu)、铅(Pb)、铱(Ir)、钌(Ru)等等。由于钌为铂类元素并且可形成许多有机金属复合物，所以钌可用作染料。也可使用诸如香豆素、卟啉、氧杂蒽、核黄素、三苯甲烷之类的有机染料。
在形成有光吸收层12的第一电极11的对面设置有第二电极(例如，反电极)14。第二电极14包括面向第一电极11的透明基底和透明电极，以及在透明基底上形成的催化剂电极。
透明基底可由如在第一电极中的玻璃和/或塑料构成。所述塑料的实例可包括聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚萘二甲酸乙二醇酯、聚碳酸酯、聚丙烯、聚酰亚胺、三乙酰基纤维素、聚醚砜等等。
在透明基底上设置有透明电极。透明电极可由透明材料形成，例如氧化铟锡、氧化氟锡、氧化锑锡、氧化锌、氧化锡、ZnO-Ga2O3、ZnO-Al2O3等等。
透明电极可由单层薄膜或多层薄膜构成。
在透明电极上设置有催化剂电极。催化剂电极激活氧化还原对，并包括从铂(Pt)、金(Au)、钌(Ru)、钯(Pd)、铑(Rh)、铱(Ir)、锇(Os)、碳(C)、WO3、TiO2、导电聚合物和它们的组合组成的组中选出的一种导电材料。
并且，面向第一电极11的催化剂电极可呈多孔，以增大表面面积，从而提高催化效率。例如，Pt和/或Au可具有黑态(在此，“黑态”指没有任何物质载在载体上)，并且碳可具有多孔状态。具体而言，可通过阳极氧化方法、氢氯铂酸方法等等来获得铂黑态。进一步，可通过烧结碳颗粒和/或焙烧有机聚合物来获得多孔碳。
第一电极11的透明基底通过粘合剂，或由超声波、热、红外线焊接以及振动而与第二电极14的透明基底层叠，或者它们可以通过任意合适的焊接方法进行层叠。电解液13注入(或放入)穿透第二电极14的孔(或腔)中，从而使电解液13介于(或渗入于)第一电极11和第二电极14之间。电解液13均匀分散到光吸收层12中的多孔薄膜内部。
电解液13可由碘化物/三碘化物对的电解质溶液构成。碘化物/三碘化物对通过氧化还原反应从第二电极(或者反电极)14接收电子，并将电子发送到染料。电解液13可为通过将碘溶解在乙腈中制备的溶液，不过并不限于碘乙腈溶液，并可为任意具有合适导电性(或合适空穴导电性)的合适物质。
穿透第二电极14的孔(或腔)被粘合剂和覆盖玻璃密封。虽然本实施方式已经采用液相电解液13进行描述，不过也可使用固相电解质，这也在本发明的范围和界限内。
根据一实施方式的染料敏化太阳能电池(例如，电池10)可按如下所述制造：通过涂覆用于在第一电极(例如，电极11)上形成多孔薄膜的组合物，接着通过机械缩颈处理，形成多孔薄膜；在所述多孔薄膜的表面上吸附光敏染料，以形成光吸收层(例如，层12)；在光吸收层上形成第二电极(例如，电极14)，接着注入电解液(例如，电解液13)。
下文中将更为详细地描述第一电极(例如，电极11)和光吸收层(例如，电极12)的形成。
图2示出了根据本发明另一实施方式的染料敏化太阳能电池的制造过程。参照图2，下文中将更为详细地描述制造染料敏化太阳能电池的方法。在所述方法的步骤S1中制备第一电极。
第一电极可根据上文所述使用合适方法制造。例如，可通过使用电镀和/或诸如溅射和电子束沉积的物理汽相沉积(PVD)方法而将包含导电材料的导电层形成在透明基底上，来制造第一电极。
在步骤S2中，用形成多孔薄膜的组合物涂覆第一电极，并接着进行机械缩颈，从而形成多孔薄膜。
可通过在溶剂中分散半导体颗粒来制备用于形成多孔薄膜的组合物。
所述半导体颗粒可与之前所述相同，并且所述溶剂可从如下材料中选出，即，醇类，例如乙醇、异丙醇、n-丙醇和丁醇；水；二甲基乙酰胺；二甲基亚砜；和N-甲基吡咯烷酮。
根据一个实施方式，可根据组合物的粘度，采用从由如下方法组成的组中选出的方法用形成多孔薄膜的组合物涂覆第一电极，即，丝网印刷、溅射涂覆、刮墨涂覆、凹版印刷涂覆、浸渍涂覆、丝绢网印、上漆、缝模涂覆、旋转涂覆、滚转涂覆、贴花釉法涂覆(decalomania coating)和它们的组合方法，不过本发明并不限于此。根据另一实施方式，可使用能够涂覆多孔薄膜以形成均匀厚度的刮墨涂覆。
在第一电极上针对形成多孔薄膜的组合物进行机械缩颈。
可通过模压方法来进行所述机械缩颈。更具体地，可通过从如下方法组成的组中选出的方法来进行机械缩颈，即，滚压、单轴模压、多轴模压、和它们的组合方法。更具体地，可通过能够容易地在颗粒间进行缩颈的滚压方法进行机械缩颈。
所述机械缩颈处理在包含在多孔薄膜中的半导体颗粒中形成缩颈，而不采用用于形成传统多孔薄膜的热处理，从而提高了太阳能电池的光电效率。此外，机械缩颈处理适用于连续过程，从而降低了批量生产的生产成本。
在步骤S3中，染料被吸附到上述制备的多孔薄膜中，并且通过喷雾包含染料的分散液，用分散液涂覆多孔薄膜和/或者将多孔薄膜浸渍于分散液中，使染料沉积到多孔薄膜上。
在一个实施方式中，在带有多孔薄膜的第一电极放置在含染料的分散液中之后的12小时内，进行染料吸附，并且通过对其加热可缩短吸附时间。染料可如上文所述，并且用于分散染料的溶剂可为乙腈、二氯甲烷和醇类溶剂，但本发明并不限于此。
包含染料的分散液可进一步包含带各种合适颜色的有机颜料，以提高长波可见光的吸收能力，并进一步提高效率。
在形成染料层后，可通过采用溶剂漂洗带染料层的多孔薄膜，来制备单层光吸收层(例如，层12)。
在步骤S4中，制备第二电极，并将第二电极与吸附有所述染料的第一电极层叠。
如上文所述，第二电极包括透明基底、透明电极和催化剂电极，并且第二电极的结构可如上文所述形成。
第二电极可与其上具有光吸收层的第一电极层叠。
第一电极和第二电极通过使用粘合剂彼此(例如，面对面)连结或连接。所述粘合剂可为热塑性聚合物膜，例如由DuPont公司生产的SURLYN。所述热塑性聚合物膜放置在两个电极之间，并且向所述电极加热并施加压力。环氧树脂或紫外(UV)射线引发剂可用作粘合剂。在热处理和/或UV处理后粘合部分被固化。
在步骤S5中，形成一个或多个精细孔(或腔)来穿透第一电极和第二电极，并且电解液通过所述孔(或腔)注入两个电极之间的空间中。在步骤S6中，所述孔(或腔)的外部用粘合剂密封，从而制备了本实施方式的染料敏化太阳能电池。
所述电解液与之前所述的相同。
根据本实施方式的制造方法，通过机械缩颈处理而不进行热处理，在多孔薄膜中的半导体颗粒中形成所述缩颈。该方法可以进行连续处理，并控制多孔薄膜使其具有相对高的缩颈效率。更具体地，当使用塑料透明基底时，可不在高温下进行热处理而获得相对高的缩颈效率。此外，采用上文所述方法制造的染料敏化太阳能电池包括具有受控的薄膜密度的多孔薄膜，从而使该太阳能电池具有优良的或高的光电效率。
下文实施例更为详细地描述本发明。不过，本发明并不由这些示例所限。
实施例1
通过在由聚对苯二甲酸乙二醇酯形成的面积为1cm×1cm的透明基底上形成氧化锡导电层，使其表面电阻为10Ω，来制造第一电极。
可通过将占重量百分比为30％的平均颗粒直径为20纳米的TiO2半导体颗粒分散于10毫升醇混合溶液中，来制备形成多孔薄膜的组合物。使用刮墨方法，以5毫米/秒的速度，用形成多孔薄膜的组合物涂覆第一电极。在干燥后，第一电极在可以预定的压力下被压紧，从而形成包含TiO2的多孔薄膜。多孔薄膜的厚度为0.035毫米。
接着，带多孔薄膜的第一电极被放置在0.3mM的钌(4，4-二羧基-2，2′-二吡啶)2(NCS)2)溶液中达24小时，从而使多孔薄膜吸附染料。带有所吸附染料的多孔薄膜采用乙醇进行漂洗。
通过在透明基底上形成透明电极和催化剂电极来制造第二电极，所述透明电极由氧化锡形成，并具有10Ω的表面电阻，所述催化剂电极由铂形成并具有0.5Ω的表面电阻，所述透明基底面积为1cm×1cm并由聚对苯二甲酸乙二醇酯聚合物形成。通过使用直径为0.75毫米的钻子，形成穿透第二电极的孔(或腔)。
第一电极和第二电极彼此相对地放置，从而使第二电极可以面对第一电极的多孔薄膜。然后，厚度为60微米的热塑性聚合物膜放置在第一电极的透明基底和第二电极的透明基底之间，并在100℃下被压紧达9秒，从而将第一电极与第二电极层叠。
电解液通过穿透第二电极的孔(腔)注入，然后所述孔(腔)采用热塑性树脂堵塞，从而完成太阳能电池的制造。在此，所述电解液为通过如下方法制备的溶液，即，将21.928克的碘化四丙铵和1.931克的碘(I2)溶解于体积百分比为80％的碳酸乙二酯和20％的乙腈的100毫升混合溶剂中。
实施例2
通过在由聚对苯二甲酸乙二醇酯形成的面积为1cm×1cm的透明基底上形成氧化锡导电层，使其表面电阻为10Ω，来制造第一电极。
可通过将占重量百分比为30％的平均颗粒直径为20纳米的TiO2半导体颗粒分散于10毫升醇混合溶液中，来制备形成多孔薄膜的组合物。使用刮墨方法，以5毫米/秒的速度，用形成多孔薄膜的组合物涂覆第一电极。在干燥后，第一电极在可以预定的压力下被压紧，从而形成包含TiO2的多孔薄膜。多孔薄膜的厚度为0.017毫米。
接着，带多孔薄膜的第一电极被放置在0.3mM的钌(4，4-二羧基-2，2′-二吡啶)2(NCS)2)溶液中达24小时，从而使多孔薄膜吸附染料。带有所吸附染料的多孔薄膜采用乙醇进行漂洗。
通过在透明基底上形成透明电极和催化剂电极来制造第二电极，所述透明电极由氧化锡形成，并具有10Ω的表面电阻，所述催化剂电极由铂形成并具有0.5Ω的表面电阻，所述透明基底面积为1cm×1cm并由聚对苯二甲酸乙二醇酯聚合物形成。通过使用直径为0.75毫米的钻子，形成穿透第二电极的孔(或腔)。
第一电极和第二电极彼此相对地放置，从而使第二电极可以面对第一电极的多孔薄膜。然后，厚度为60微米的热塑性聚合物膜放置在第一电极的透明基底和第二电极的透明基底之间，并在100℃下被压紧达9秒，从而将第一电极与第二电极层叠。
电解液通过穿透第二电极的孔(腔)注入，然后所述孔(腔)采用热塑性聚合物膜和覆盖玻璃堵塞，从而完成太阳能电池的制造。在此，所述电解液为通过如下方法制备的溶液，即，将21.928克的碘化四丙铵和1.931克的碘(I2)溶解于体积百分比为80％的碳酸乙二酯和20％的乙腈的100毫升混合溶剂中。
实施例3
通过在由聚对苯二甲酸乙二醇酯形成的面积为1cm×1cm的透明基底上形成氧化锡导电层，使其表面电阻为10Ω，来制造第一电极。
可通过将占重量百分比为30％的平均颗粒直径为20纳米的TiO2半导体颗粒分散于10毫升醇混合溶液中，来制备形成多孔薄膜的组合物。使用刮墨方法，以5毫米/秒的速度，用形成多孔薄膜的组合物涂覆第一电极。在干燥后，第一电极在可以预定的压力下被压紧，从而形成包含TiO2的多孔薄膜。多孔薄膜的厚度为0.015毫米。
接着，带多孔薄膜的第一电极被放置在0.3mM的钌(4，4-二羧基-2，2′-二吡啶)2(NCS)2)溶液中达24小时，从而使多孔薄膜吸附染料。带有所吸附染料的多孔薄膜采用乙醇进行漂洗。
通过在透明基底上形成透明电极和催化剂电极来制造第二电极，所述透明电极由氧化锡形成，并具有10Ω的表面电阻，所述催化剂电极由铂形成并具有0.5Ω的表面电阻，所述透明基底面积为1cm×1cm并由聚对苯二甲酸乙二醇酯聚合物形成。通过使用直径为0.75毫米的钻子，形成穿透第二电极的孔(或腔)。
第一电极和第二电极彼此相对地放置，从而使第二电极可以面对第一电极的多孔薄膜。然后，厚度为60微米的热塑性聚合物膜放置在第一电极的透明基底和第二电极的透明基底之间，并在100℃下被压紧达9秒，从而将第一电极与第二电极层叠。
电解液通过穿透第二电极的孔(腔)注入，然后所述孔(腔)采用热塑性聚合物膜和覆盖玻璃堵塞，从而完成太阳能电池的制造。在此，所述电解液为通过如下方法制备的溶液，即，将21.928克的碘化四丙铵和1.931克的碘(I2)溶解于体积百分比为80％的碳酸乙二酯和20％的乙腈的100毫升混合溶剂中。
对比例1
通过在由聚对苯二甲酸乙二醇酯形成的面积为1cm×1cm的透明基底上形成氧化锡导电层，使其表面电阻为10Ω，来制造第一电极。
可通过将占重量百分比为30％的平均颗粒直径为20纳米的TiO2半导体颗粒分散于10毫升醇混合溶液中，来制备形成多孔薄膜的组合物。使用刮墨方法，以5毫米/秒的速度，用形成多孔薄膜的组合物涂覆第一电极。然后，在150℃下对第一电极进行热处理达30分钟，从而形成厚度为0.046毫米的多孔氧化钛薄膜。
接着，带多孔薄膜的第一电极被放置在0.3mM的钌(4，4-二羧基-2，2′-二吡啶)2(NCS)2)溶液中达24小时，从而使多孔薄膜吸附染料。带有所吸附染料的多孔薄膜采用乙醇进行漂洗。
通过在透明基底上形成透明电极和催化剂电极来制造第二电极，所述透明电极由氧化锡形成，并具有10Ω的表面电阻，所述催化剂电极由铂形成并具有0.5Ω的表面电阻，所述透明基底面积为1cm×1cm并由聚对苯二甲酸乙二醇酯聚合物形成。通过使用直径为0.75毫米的钻子，形成穿透第二电极的孔(或腔)。
第一电极和第二电极彼此相对地放置，从而使第二电极可以面对第一电极的多孔薄膜。然后，厚度为60微米的热塑性聚合物膜放置在第一电极的透明基底和第二电极的透明基底之间，并在100℃下被压紧达9秒，从而将第一电极与第二电极层叠。
电解液通过穿透第二电极的孔(腔)注入，并且所述孔(腔)采用热塑性聚合物膜和覆盖玻璃堵塞，从而完成太阳能电池的制造。在此，所述电解液为通过如下方法制备的溶液，即，将21.928克的碘化四丙铵和1.931克的碘(I2)溶解于体积百分比为80％的碳酸乙二酯和20％的乙腈的100毫升混合溶剂中。
采用扫描电子显微镜来观察根据实施例2和对比例1制备的带多孔薄膜的第一电极的横截面。结果示于图3A和3B中。
图3A为示出根据实施例2制造的其上带有多孔薄膜的第一电极的横截面的照片，图3B为出根据对比例1制造的其上带有多孔薄膜的第一电极的横截面的照片。在图3A和3B中，附图标记“1”指代透明基底，附图标记“2”指代导电层，而附图标记“3”指代多孔薄膜。
从图3A和3B可以看出，比起对比例1的多孔薄膜，实施例2的多孔薄膜具有更为密集连接的颗粒。
测量了根据实施例1-3和对比例1的带多孔薄膜的第一电极的薄膜密度。结果示于如下的表1中。
表1
  对比例1   实施例1   实施例2   实施例3
  基底质量(毫克) 64.71 66.73 67.64 66.9
  第一电极质量(毫克) 65.2 67.25 68.15 67.41
  TiO<sub>2</sub>质量(毫克) 0.49 0.52 0.51 0.51
  薄膜厚度(毫米) 0.046 0.035 0.017 0.015
  电极面积(平方毫米) 18 18 18 18
  薄膜密度(毫克/立方毫米) 0.6 0.83 1.64 1.97
从表1可以看出，实施例1-3的第一电极(包含经机械缩颈获得的多孔薄膜)，显示出比对比例1的第一电极(包含通过热处理所获得的多孔薄膜)更高的薄膜密度。
测量根据实施例1-3和对比例1制备的染料敏化太阳能电池的光电流电压，并基于所测量的光电流电压的曲线来计算开路电压(Voc)、电流密度(短路电流：Jsc)、和填充因数(FF)。在如下的表2中显示了测量结果。
在此用Oriel，01193的氙灯用作光源，并且通过使用标准的太阳能电池(Fraunhofer Institut Solare Energiesysteme，认证号：C-ISE369，材料类型：Mono-Si+KG过滤器(KG filter)来校正氙灯的太阳能状况(AM 1.5)。
填充因数为通过将Vmp×Jmp除以Voc×Jsc所获得的值，其中Vmp为电流密度，而Jmp为在最大电功率电压下的电压。太阳能电池的光电效率(η)为太阳能向电能的转化率，其可通过将太阳能电池电能(电流×电压×填充因数)除以每单位面积的能量(Pinc)而获得，如以下方程1所示。
方程1
η＝(Voc·Jsc·FF)/(Pinc)
其中，Pinc为100mW/cm2(1sun)
表2
  对比例1   实施例1   实施例2   实施例3
  Jsc(mA/cm<sup>2</sup>)   2.65   4.79   10.68   8.7
  Voc(mV)   730   729   759   768
  F.F   0.77   0.74   0.63   0.64
  效率(％)   1.50   2.57   5.07   4.29
从表2可以看出，具有通过机械缩颈获得的多孔薄膜的实施例1-3的太阳能电池显示出的光电效率高于具有通过热处理而获得的多孔薄膜的对比例1的太阳能电池。
根据上文所述，随着多孔薄膜的薄膜密度增大，光电效率和Jsc都变高。当实施例2和3相互比较时，包含在实施例3的太阳能电池中的多孔薄膜的薄膜密度高于在实施例2的太阳能电池中的多孔薄膜的薄膜密度。不过，光电效率更低。这可能是因为，实施例3的太阳能电池中的多孔薄膜的过高的薄膜密度由于在其中引发破裂而降低了多孔性，并使多孔薄膜受损，从而导致光电效率降低。
同样，上述实验结果显示，当薄膜密度在0.83-1.97mg/mm3的范围中时，多孔薄膜应具有相对高的光电效率。
根据前文所述，本发明通过经未焙烧的机械缩颈而控制多孔薄膜的薄膜密度，提高了染料敏化太阳能电池的光电效率。
虽然本发明已经结合特定示例性实施方式进行了描述，不过可以理解的是，本发明不限于所公开的实施方式，恰恰相反，本发明意在涵盖包含在所附权利要求书及其等同物的精神和范围内的各种改进和等价配置。

Claims (18)

1、一种染料敏化太阳能电池，包括：
第一电极；
光吸收层，其设置在所述第一电极的一侧上；
第二电极，其面对所述第一电极；和
电解液，其设置在所述第一电极和第二电极之间，
其中所述光吸收层包括：
多孔薄膜，其包括半导体微粒，和
光敏染料，其被吸附于所述多孔薄膜的表面上，
其中，所述多孔薄膜具有从0.83至1.97mg/mm3范围的薄膜密度，并且
其中，所述薄膜密度为半导体微粒质量相对于多孔薄膜体积的比率。
2、根据权利要求1所述的染料敏化太阳能电池，其中，所述多孔薄膜的薄膜密度范围为从1.40至1.65mg/mm3。
3、根据权利要求1所述的染料敏化太阳能电池，其中，所述半导体微粒包括从由本征半导体、复合半导体、钙钛矿化合物以及它们的组合所组成的组中选出的材料。
4、根据权利要求3所述的染料敏化太阳能电池，其中，所述半导体微粒包括含有从如下物质组成的组中选出的至少一种金属的氧化物，即：Ti、Zr、Sr、Zn、In、Yr、La、V、Mo、W、Sn、Nb、Mg、Al、Y、Sc、Sm、Ga、In、TiSr和它们的组合。
5、根据权利要求3所述的染料敏化太阳能电池，其中，所述半导体微粒具有范围从5至500nm的平均粒径。
6、根据权利要求1所述的染料敏化太阳能电池，其中，所述染料包括从如下物质组成的组中选出的至少一种物质，所述物质包括：金属复合物、有机染料以及它们的组合，所述金属复合物包括从如下金属组成的组中选出的至少一种复合物，所述金属包括：铝(Al)、铂(Pt)、钯(Pd)、铕(Eu)、铅(Pb)、铱(Ir)、钌(Ru)和它们的组合。
7、根据权利要求1所述的染料敏化太阳能电池，其中，所述第一电极包括：
透明基底；和
导电层，并且
所述导电层包括从如下物质组成的组中选出的一种导电金属氧化物，即，氧化铟锡(ITO)、氧化氟锡(FTO)、ZnO-(Ga2O3或Al2O3)、锡(Sn)基氧化物、氧化锑锡(ATO)、氧化锌及其组合。
8、根据权利要求7所述的染料敏化太阳能电池，其中，所述透明基底为塑料基底。
9、根据权利要求8所述的染料敏化太阳能电池，其中，所述塑料基底包括由如下物质组成的组中选出的一种物质，即，聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚萘二甲酸乙二醇酯、聚碳酸酯、聚丙烯、聚酰亚胺、三乙酰基纤维素、聚醚砜和它们的组合。
10、一种制造染料敏化太阳能电池的方法，该方法包括：
通过在第一电极上涂覆包括半导体微粒的用于形成多孔薄膜的组合物，接着进行机械缩颈处理，形成所述多孔薄膜，其中所述多孔薄膜形成为具有从0.83至1.97mg/mm3范围的薄膜密度；
在所述多孔薄膜的表面上吸附光敏染料，以形成光吸收层；并且
在所述光吸收层上形成第二电极，然后注入电解液。
11、根据权利要求10所述的方法，其中，所述半导体微粒包括从由本征半导体、复合半导体、钙钛矿化合物以及它们的组合所组成的组中选出的材料。
12、根据权利要求11所述的方法，其中，所述半导体微粒包括含有从如下物质组成的组中选出的至少一种金属的氧化物，即：Ti、Zr、Sr、Zn、In、Yr、La、V、Mo、W、Sn、Nb、Mg、Al、Y、Sc、Sm、Ga、In、TiSr和它们的组合。
13、根据权利要求10所述的方法，其中，所述半导体微粒具有范围从5至500nm的平均粒径。
14、根据权利要求10-13中任一项所述的方法，其中，所述机械缩颈通过模压方法进行。
15、一种染料敏化太阳能电池，包括：
第一电极；
第二电极；和
光吸收层，其设置在所述第一电极和第二电极之间，
其中，所述光吸收层包括：
多孔薄膜，其包括机械缩颈的半导体微粒，和
光敏染料，其被吸附于所述多孔薄膜的表面上，
其中，所述多孔薄膜具有范围从0.83至1.97mg/mm3的薄膜密度，并且所述薄膜密度为半导体微粒质量相对于多孔薄膜体积的比率。
16、根据权利要求15所述的染料敏化太阳能电池，其中，所述多孔薄膜通过模压方法对所述多孔薄膜的半导体微粒进行机械缩颈来形成。
17、根据权利要求15所述的染料敏化太阳能电池，其中，所述多孔薄膜通过仅使用机械缩颈处理而形成。
18、根据权利要求15所述的染料敏化太阳能电池，进一步包括设置在所述第一电极和第二电极之间的电解液。
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